后路枕颈部4种螺钉技术的应变电测研究

刘海燕 严望军 周许辉 杨国标 曾伟明

后路枕颈部4种螺钉技术的应变电测研究

刘海燕 严望军 周许辉 杨国标 曾伟明

目的 比较枕颈部后路4种不同植入方式的螺钉在施加生理载荷时所承受的应力，评价各自在生理环境中的机械性能。方法对16例新鲜人体枕颈部标本（含Oc～C3），采用后路枕寰枢复合体经关节螺钉固定和SUMMIT系统枕颈固定。对固定后的经寰枕关节螺钉（Oc～C1组）、经寰枢关节螺钉（C1～C2组）、枢椎椎弓螺钉（C2PS组）和枕骨螺钉（OcScrew组）在生理载荷下三维六自由度运动时，运用应变电阻测定法测定4种螺钉的应力，数据进行统计学处理。结果在侧屈状态下，电测法测得的4种螺钉局部应变均接近于0。在前屈、后伸、左旋和右旋运动时，随着加载载荷增大，测得的应力均逐步增大。在前屈和旋转时螺钉不同程度承受拔出应力，在后伸时，螺钉所受的为压应力。枕骨螺钉（OcScrew组）在屈伸和旋转运动状态下，在所有3种载荷下所承受的应力均大于其它3种植钉方法，差异有统计学意义（P＜0．05）。结论生理环境下，枕骨螺钉承受的拔出应力最大，其可能更易出现内植物相关并发症，具体应用时应结合临床实际。

枕寰枢复合体 经关节螺钉 生物力学 枕颈融合

目前临床上常用的枕颈内固定为后路钉板和钉棒系统，其也被认为是枕颈部坚强内固定[1-2]，但这类内固定在临床应用中仍然存在相应的缺陷，其主要缺点集中体现在枕骨的固定，由于枕骨厚薄不一，枕骨螺钉的固定强度不确切易造成内固定失败，枕骨螺钉有可能损伤枕骨内板血管窦继发颅内血肿，甚至损伤硬膜和脑组织[3-5]。因此，近年来，部分学者致力于新型枕颈部内固定的开发和设计，其中后路经寰枕关节螺钉技术是其中最新进展之一[6-8]。这一技术在解剖和力学稳定性实验中已被证明具有临床应用价值。为验证枕寰枢后路经关节螺钉内固定在枕颈部运动状态下自身所承受的应力，我们采用电测法对枕寰枢后路经关节螺钉内固定螺钉所受的应力进行了测试，并与SUMMIT内固定系统固定下的枢椎和枕骨螺钉所受的应力进行了比较。

1 材料和方法

1.1 内固定材料和实验分组 新鲜人体尸体标本16例，均死于急性颅脑损伤，男12例，女4例，年龄39.7（21～69）岁。每个标本由枕骨（Oc）、第1、2、3颈椎（C1、C2、C3）组成，取材后经X线摄片证实为正常枕颈部标本。大体剔除皮肤、肌肉等组织，双层塑料袋密封，置于-20℃保存26（7～57）d。对标本造成枕颈部不稳模型后，先后进行枕颈部经关节螺钉内固定和SUMMIT枕颈内固定。分别测试了经寰枕关节螺钉（Oc～C1TA组）、经寰枢关节螺钉（C1～C2TA组）、枕骨螺钉（OcScrew组）、枢椎椎弓根螺钉（C2PS组）4种植钉方式的螺钉，在加载产生三维六自由度运动时螺钉所承受的相应应力。为便于电测法测试，用于枕颈部固定的螺钉尾部必须有一定空间便于电阻应变计的粘贴。SUMMIT颈椎螺钉的尾部在设计上允许本实验所采用的电阻应变计和金属栅的粘贴，因此我们采用相同材质的钛合金（TiAl4V6）仿照SUMMIT颈椎螺钉制成长度合适的颈椎皮质骨螺钉，直径3.5mm，长度16～42mm（江苏武进第三医疗仪器厂），作为本实验所用的经关节螺钉。

1.2 测试系统和安装 采用浙江奉化电子仪表厂生产的YJR-5静态电阻应变仪作为测量系统，其最小分辨率为1μm/m，量程为±20 000μm。应变计采用日本公司的KFC-1-C1-11 KYOWA常温电阻应变计，金属栅的规格为1×1mm，阻值为（120.0±0.3Ω），灵敏系数为2.00。测量电路采用半桥接线方式进行。在测试前，首先将电阻应变计接到静态电阻应变仪上，在仪器的a、b端接贴在螺钉的应变计上，在仪器的b、c端接温度补偿片，这样仪器可直接放映出被测位置的应变值。

1.3 应变计的粘贴 首先用细砂纸将螺钉尾部上要贴应变计的位置进行打磨，打磨采取45°正交方向进行，使表面略有粗糙感，然后用棉花沾少许丙酮将试件表面的灰尘擦干净，同时也将应变计的背面用丙酮擦干净，用502快速粘接剂把应变计迅速、准确地粘贴在螺钉尾部无螺纹处，应变计电阻丝与螺钉长轴呈平行。以保证应变计测得的力为沿螺钉长轴方向的拉伸力。为保证应变计与被测试件之间有足够的绝缘电阻，并防止液体介质渗入而使粘结剂失效，采用HT906有机硅粘接密封胶将应变计进行密封，待其固化后，将导线焊上。

1.4 加载及测试 首先将十字形加载夹具与枕骨固定，第3颈椎植入特制的圆形金属底座模具内，通过模具周围的螺孔在C3椎体前后和侧方用数枚螺钉多点牢固固定。经关节螺钉植入后，两侧螺钉尾部用纵向固定棒连接形成框架结构以便测试螺钉的应力。在脊柱三维运动试验机上实现对标本加载，载荷分别为0N，5N，10N，15N，通过十字形加载夹具对枕颈部标本和实验模型分别施以一对大小相等、方向相反、互为平行的力，产生前屈/后伸、左/右侧弯、左/右轴向旋转的纯力偶矩。使枕颈部标本相应地产生前屈/后伸、左/右侧弯、左/右轴向旋转6种生理性运动方式。加载方式采用3次最大力矩，零周期方式，以消除韧带、关节囊等软组织的粘弹性和颈椎蠕变运动对测量的影响，第3次允许标本有30s的蠕变后，再测量。对2种内固定实验状态下依次进行三维六自由度的运动加载测试，通过静态电阻应变仪读出并记录测试点的应变值。共测试了16具新鲜枕颈部标本，每组均有32枚螺钉（图1-2）。

图1 枕颈部后路经关节螺钉内固定系统的电测和加载

图2 SUMMIT枕颈部内固定系统的电测和加载

1.5 统计学处理 统计不同载荷加载下，枕颈部在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋和右旋状态下螺钉所承受的拔出应力。数据输入计算机，采用SAS软件进行单因素方差分析（ONZ-way ANOVA），并进行组间的多重比较。

2 结果

在左右侧屈运动时，无论加载载荷的大小，所有螺钉经电测法测得的局部应变均接近于0。在后伸运动时，测得的螺钉应力均＜0，表明此时螺钉所受的为压应力，其余均为正值，为螺钉在前屈和旋转时均不同程度有拉伸力作用。在前屈、后伸、左旋和右旋运动时，随着加载载荷增大，测得的应力均逐步增大，相同螺钉所受的应力按载荷不同进行组间比较，均存在统计学差异（P＜0.05）。枕骨螺钉（Oc Screw组）在屈伸和旋转运动状态下，在所有3种载荷下所承受的应力均大于其它3种植钉方法，差异有统计学意义（P＜0.05）。具体见图3-6。

图3 前屈运动时3种载荷下螺钉拔出应力比较

图4 后伸运动时3种载荷下螺钉拔出应力比较

图5 左旋运动时3种载荷下螺钉拔出应力比较

图6 右旋运动时3种载荷下螺钉拔出应力比较

3 讨论

经关节螺钉技术内固定是枕颈部固定技术的一个标志性进展，生物力学稳定性实验和临床应用都表明其优于传统的一些枕颈部内固定[9-10]。但对螺钉自身承受的应力测试，相关报道较少。通常对脊柱内固定器械的生物力学特性检测，主要基于两个方面：内固定植入后对脊柱力学行为的影响和内固定自身在生理环境中的机械性能的变化[11]。而对于作为内植物自身的螺钉在固定同时，是否能承受各种生理载荷下的枕颈部运动尚未完全明确，而此特征则决定内固定器械是否容易疲劳、断裂、松动等。因此，有必要对枕颈部后路经关节螺钉内固定器械在固定同时所承受的应力进行测试。

3.1 电测技术在生物力学中的应用 电测法是借助电子仪器，将应变这一非电量，转为电量的一种测试方法。其主要特点是：灵敏度和精确度高，应变片尺寸小，能满足应力剃度较大情况下的应变测量。因而在力学测量中得到广泛应用。同时测量结果为电信号，易于进行数据处理和实现测试自动化。在实际应用中，电测法可以用于现场测定和模拟测定。现场测定是完全在生产实际的真实客观情况下进行的，因此，测得的数据反映了构件内应力分布的实际情况和规律。是一种最为直接的测试方法，这也是电测法最大的优点[12]。以往对各种螺钉拔出力的测试均为在材料试验机上，在一定的载荷模式下，造成螺钉从骨组织中完全拔出，其实验的目的在于研究器械在某种载荷下的承载强度及失败机制。实验是在内固定条件下的屈服破坏，它可能发生在器械本身，也可能发生在骨质或骨-器械界面。这种破坏性实验并不能真实再现螺钉在骨组织固定中的具体应力，其测得的螺钉拔出力只是反映螺钉骨界面之间的屈服强度，测得数值越大表明螺钉在骨组织中锚定的越牢固，并不能真实反映临床实际[13]。为了验证枕颈部经关节螺钉内固定在生理载荷下枕颈部运动时，螺钉所承受的应力。我们在脊柱三维运动测量系统上，模拟枕颈部标本的三维六自由度运动，并对标本施加生理载荷，通过电测法直接现场测定4种枕颈部螺钉植入方法的螺钉应力。并通过应变计的贴片技术，使其与螺钉长轴成平行方向，从而获得固定后的螺钉在枕颈部运动状态下的拔出应力。在此状态下测得的螺钉拔出应力越小，表明在枕颈部生理载荷运动时，内固定受枕颈部运动的影响越小，其更能适应枕颈部的运动，内固定不易失败。

3.2 枕颈部螺钉拔出力测试的意义 目前临床常用枕颈部内固定倾向于坚强的钉板或钉棒系统，其固定的共同方式是在枕骨上采用螺钉固定，结合颈椎的螺钉技术或钢丝技术[13-15]。然而，临床实际应用中，枕骨螺钉的植入受到较多限制，如：枕骨的厚度、枕骨周围的血管窦分布、枕骨的完整性等。而影响螺钉拔出力的因素包括：载荷的方向、螺钉植入角度、钉道长度及骨本身的性质（骨密度、骨板厚度和骨皮质厚度等）[16-17]。因此此类内固定在枕骨上的螺钉并发症也相对多见。本实验结果显示，枕骨螺钉（OcScrew组）在屈伸和旋转运动状态下，在所有3种载荷下所承受的应力均大于其它3种植钉方法。表明在生理载荷下枕颈部反复运动时，枕骨螺钉更易出现疲劳、松动甚至断裂的可能。从枕寰枢复合体的运动特点分析，该部位的运动主要是围绕枢椎齿突进行，因此枢椎齿突是一个重要的支点。枕骨螺钉植入区域远离这一支点，杠杆作用产生的力臂较长，因此即使是较少的载荷通过这一杠杆作用传递，在螺钉锚定点产生的应力就相对较大。而经寰枢关节螺钉（C1～C2TA组）在固定时离齿突最近，因此这种螺钉植入后螺钉自身承受的应力相对较少，其大部分负荷可通过骨关节自身传导。另一方面，寰枕关节和寰枢关节在枕颈部运动功能上的特点又有不同，寰枕关节主运动主要在前屈和后伸上，其屈伸运动范围占到整个颈椎的屈伸运动的50%左右；而寰枢关节主要在旋转运动上，也同样占到整个颈椎旋转运动的一半左右[18]。因此在屈伸运动时，经寰枕关节螺钉承受的应力要大于枢椎椎弓螺钉，而在旋转运动时，枢椎椎弓螺钉的应力则要大于经寰枕关节螺钉。由于贴片技术的处理，本研究对侧屈状态下的螺钉应力不能准确测定，加之在加载时我们模拟的是枕颈部的三维六自由度活动，因此侧屈运动时测得的应变均接近于0。这与临床实际有一定的差别，因在实际情况下，颈椎的活动均为前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转6种运动的耦合，螺钉在实际运动中的应力始终是存在的。此外，电阻应变测度法只能测量构件表面的应变，不能直观得到构件上应力分布的全貌，对了解应力全貌和应力集中情况尚有不足之处。但本研究从一定的角度说明，枕颈部内固定采用枕骨螺钉固定并非是一种理想的固定方法。枕颈部4种螺钉植入后，电测法显示螺钉拔出应力与枕颈部局部的生物力学行为密切相关，其中经寰枢关节螺钉的拔出应力最小，枕骨螺钉承受的拔出应力最大，提示生理环境下枕骨螺钉可能更易出现内植物相关并发症，具体应用时应结合临床实际。

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Strain electronic measurements of posterior screws inserted to craniovertebral junction

Objective To compare the extracting stress of four kinds of craniovertibral screws by strain electronic measurements．MethodsPosterior craniovertebral transarticular screw fixation and SUMMIT occipitocervical fixation were performed in succession on 16 fresh craniovertebral junction specimens(containing Oc-C3)．Using the strain electronic measurement,the extracting stress was measured on Oc-C1transarticular screws(Oc-C1TA group),C1-C2transarticular screws(C1-C2TA group),C2pedicle screws(C2PS group)and occipital screws(OcScrew group),when these screws were bearing biological load under the condition of three-dimensional motion in six directions．ResultsThe strain electronic measurements showed that the local stress of all screws was near zero under lateral flexion．Stress increased with increasing load under anterior flexion,posterior flexion,left rotation and right rotation．The screws bore pulling and extending stress of varying degrees under anterior flexion and rotation, and pressure stress under posterior flexion．The OcScrew group bore greater stress under flexion,extension and rotation than the other screw fixation groups(P＜0．05)．ConclusionIn vivo biomechanics studies show that the occipital screws bear the greatest extracting stress among 4 kinds of craniovertebral fixation screws,suggesting that the occipital screws are more likely to induce related complications under physiological conditions,and therefore individual clinical conditions should be taken into account when this technique is used．

Occipitoatlantoaxial complex Transarticular screw Clinical anatomy Occipitocervical arthrodesis

2012-12-10）

（本文编辑：田云鹏）

318050 台州章氏骨伤医院骨科（刘海燕）；第二军医大学附属长征医院骨科（严望军、周许辉、杨国标）；同济大学材料力学实验室（曾伟明）