寰枢椎前路可动固定系统的研制及生物力学研究

蔡 璇,王 杰,李浩鹏,贺西京

(西安交通大学第二附属医院骨二科,西安 710004;*通讯作者,E-mail:xijinghe@yahoo.com)

生物力学研究和临床实践表明,寰枢椎融合术尽管稳定了手术节段,但却丧失了寰枢椎之间的运动功能,特别是旋转运动,很多患者术后颈部的旋转运动明显受限,严重影响患者生活质量,而且融合后的寰枢椎由于运动和弹性功能的丧失将会对颈椎的生理及生物力学特性产生长期的负面影响[1-5]。为解决这一问题,有学者设计出了人工寰椎齿状突关节,期望以此达到既稳定寰枢关节又保留其运动功能的目的[6,7]。然而现有的技术只有部分单向运动,不符合正常人体运动规律,并且手术操作复杂,增加了创伤和出血量,限制了其进一步的应用。随着脊柱非融合技术的发展,脊柱外科医生开始寻求可以保留脊柱椎间活动的可动固定技术来取代传统的融合固定技术,寰枢椎可动固定技术应运而生。本研究拟依据正常人体解剖学参数仿生设计并制造能够保留寰枢椎各向运动的寰枢椎前路可动固定系统,同时,在体外采用新鲜颈椎标本进行生物力学测试,评价该系统固定后寰枢椎的稳定性和运动功能,为后续研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 寰枢椎前路可动固定系统的设计制造

采用电子游标卡尺和附着式量角器测量60套正常成年人寰枢椎骨性标本的解剖学参数。根据测量结果确定假体的相应几何参数及组成,并将其导入制图软件,对假体进行设计和动态仿真装配。使用医用钛合金原料按预先的设计在高精度数控机床上加工成型。该系统包括寰椎部件、枢椎部件、关节部件和固定螺钉。寰椎部件由对称的弧形固定板以及旋转袖套组成(见图1);枢椎部件由固定板、连接于固定板上方的底座和关节部件组成(见图2),底座短圆柱形,底座上方有半球形的关节窝;关节部件由圆柱形的旋转轴和位于旋转轴下方的球形关节头组成;寰椎部件采用侧块螺钉固定,枢椎部件采用椎体螺钉和椎弓根螺钉双重固定(见图1,2)。

图1 由弧形固定板以及旋转袖套组成的寰椎部件Figure 1 The atlas component of the motion-preserving atlanto-odontoid joint system

图2 由固定板、底座和关节部件组成的枢椎部件Figure 2 The axis component of the motion-preserving atlanto-odontoid joint system

1.2 生物力学测试标本的制备

1.2.1 标本预处理及分组 12具正常成年男性新鲜颈椎标本,平均年龄42岁,经大体观察及X线证实无骨性结构异常,所有标本均由西安交通大学解剖教研室提供,实验经西安交通大学第二附属医院伦理委员会批准。截取枕骨基底部至枢椎下方节段(C0-C2),取材后标本用双层塑料袋密封保存于-20 ℃备用。生物力学测试前于常温下将标本自然解冻后,将其表面的皮肤、皮下组织及肌肉剔除,尽可能保留寰枢椎周围附着的韧带和侧块关节囊。所有标本均作为自身对照并按如下顺序进行生物力学测试:完整状态(对照组)、寰椎前弓与齿状突切除减压术后(减压组)、寰枢椎前路可动固定系统置换术后(假体置换组)及Harms钢板融合内固定术后(Harms固定组)。

1.2.2 减压组标本制备 采用高速磨钻仔细磨除C1前弓及齿状突,切除寰椎横韧带,注意保留寰枕关节和寰枢侧块关节的完整性。

1.2.3 可动固定系统置换组标本制备 安装寰枢椎前路可动固定系统,使之位于减压后标本正中,适度纵向加压使寰椎部件与枢椎部件紧密配合,1.5 mm克氏针钻孔后在寰枢椎相应进钉点置钉。根据系统的设计特点,寰椎固定螺钉与矢状面向外10°夹角。枢椎椎体螺钉与矢状面向内10°夹角。枢椎椎弓根螺钉进钉点为上关节面下5 mm与前正中矢状面旁6 mm交汇处,螺钉与矢状面呈向外25°夹角,与水平面呈向下25°夹角。寰枢椎前路可动固定系统的装配关系见图3,旋转轴与旋转袖套组成的车轴关节能够保证寰枢椎之间不受限制的旋转运动,关节头与关节窝所组成的球窝关节能够使寰枢椎产生屈伸和侧屈运动,车轴关节和球窝关节配合则能允许寰枢椎之间的多轴运动,所有接触面均抛光为关节面光洁度。假体在尸体标本安装后X线透视图像,显示假体位置正确,各固定螺钉均位于预先设计好的钉道内见图4。

图3 可动固定系统装配示意图Figure 3 Schematic illustration of the motion-preserving atlanto-odontoid joint system on the specimen

1.2.4 Harms钢板内固定组标本制备 在行寰椎前弓与齿状突切除减压术后,将Harms钢板置于减压处正中,确定进钉点,钻孔后分别拧入寰椎侧块螺钉和枢椎椎体螺钉,进钉方法与关节置换组相同。

A.正位 B.侧位图4 尸体标本安装后正侧位X线Figure 4 X ray images of motion-preserving atlanto-odon-toid joint system implanted onto a cadaveric specimen

1.3 生物力学测试

将标本上下端包埋于盛有聚甲基丙烯酸甲酯(PAAM)的特制金属模具中。保持C2椎体底部与水平方向平行,使寰枕关节和寰枢关节处于自然状态。将2个marker分别刚性附着于C1和C2椎体,每个marker上均含有4个不共线的红外线发光二极管,利用光电运动捕捉系统识别每个marker的空间位置。采用MTS 858生物材料试验机在非破坏方式下对各标本的三维运动进行测试。通过多通道脊柱测试装备对标本进行连续力矩加载直至1.5 Nm,加载速度为0.5°/s,使标本产生屈伸、左右侧屈及轴向旋转6个方向的运动,在每次测试前先行预加载3次,消除标本的黏滞性,采用第4次加载时获得的数据作为测试结果。使用Optotrak 3020光电运动捕捉系统以20 Hz的速率采集加载过程中各marker的空间位置。标本的三维运动测量结果使用运动范围(range of motion,ROM)和中性区(neural zone,NZ)来描述。ROM表示该关节的最大运动范围,NZ是指从中立位到弹性位移的起点,该区为无阻抗运动区即施加较小的力就能获得较大的运动幅度。

1.4 统计学分析

2 结果

不同组间寰枢椎在屈伸、侧屈和旋转运动时相对运动范围(ROM)和中性区(NZ)的测量结果见表1及图5、图6。在完整状态下,寰枢椎的运动形式以旋转运动为主,同时伴有部分的侧屈和屈伸运动;与对照组相比,减压组寰枢椎在屈伸、侧屈及旋转运动下的ROM与NZ均显著增加,差异具有统计学意义(P<0.05);假体置换组寰枢椎在屈伸、侧屈下的ROM和NZ与对照组相似,差异无统计学意义(P>0.05),但轴向旋转运动与对照组相比显著增加,差异具有统计学意义(P<0.05);同时,与对照组、减压组及假体置换组相比,Harms固定术组寰枢椎在各个方向运动下的ROM和NZ均减小,差异具有统计学意义(P<0.05)。

表1四组不同状态下的运动范围及中性区

Table1ROMandNZanglesofthespecimensinintactstate,unstablestate,afterthemotion-preservingatlanto-odontoidjointsystemimplantation,andafterHarmsrigidfixation

方向对照组减压组假体置换组Harms固定组运动范围 前屈1224±1752136±218∗1199±156#△278±133∗# 后伸1189±0831887±198∗1068±188#△368±125∗# 侧屈951±1661553±182∗922±135#△244±038∗# 旋转4094±3685942±432∗5127±314∗#△662±182∗#中性区 后伸525±086975±081∗582±071#△112±025∗# 屈曲597±054766±113∗638±092#△098±034∗# 侧屈301±107577±083∗375±123#△085±021∗# 旋转2258±2393834±206∗2796±267∗#△269±068∗#

侧屈及旋转运动为双侧相加的平均值;与对照组相比,*P<0.05;与减压组相比,#P<0.05;与Harms固定组相比,△P<0.05

图5 四组不同运动状态下的运动范围Figure 5 Range of motion of the C1-C2 segment in all directions in four states

3 讨论

临床研究发现,寰枢融合术限制了头颈部的活动,尤其是旋转运动,会对患者术后的生活质量产生严重影响;同时,未融合的下颈椎为代偿寰枢椎融合术后丧失的运动功能需承受更大应力、从而可能发生加速退变。因此,如何在充分减压的基础上维持枕寰枢复合体的稳定性,并且最大限度地保留其运动功能将是今后该部位内固定技术发展的趋势[8]。

图6 四组不同运动状态下的中性区Figure 6 Neutral zone angles of the C1-C2 segment in all directions in four states

国内有部分学者设计了人工寰椎齿状突关节,期望以此达到既稳定寰枢关节又保留其运动功能的目的。然而现有的假体都不同程度存在缺陷,无法模拟生理状态下的寰枢椎运动过程,限制了其进一步的应用[6,7]。笔者依据人体解剖参数仿生设计的寰枢椎前路可动固定系统能够获得寰枢椎在各个方向上的活动,该假体适用于陈旧性齿状突骨折不愈合、先天性游离齿状突畸形、颅底凹陷等需要经口行齿状突切除减压的病例。

在正常情况下,寰枢椎的主要运动为旋转运动,它的瞬时旋转轴位于齿状突,当寰椎前弓及齿状突切除后,其瞬时旋转轴将后移至双侧侧块关节处[9-11]。本研究发现,与正常完整状态相比,寰椎前弓与齿状突切除减压术后寰枢椎在屈伸、侧屈及旋转运动下的ROM和NZ均显著增加(P<0.05)。尽管寰枢椎主要承担了头颈部的旋转运动,但其屈伸和侧屈活动范围十分有限,头颈部的屈伸和侧屈运动主要由寰枕关节和下颈椎的椎间关节来完成,但若完全限制侧屈和屈伸运动则有可能会增加固定螺钉的应力,导致假体松动。因此,通过球窝关节的设计保证了部分的屈伸和侧屈运动,球窝和车轴关节结合的设计保证了不受限制的旋转运动。本研究发现,寰枢椎前路可动固定系统植入后,寰枢椎在屈伸、侧屈及运动下的ROM和NZ与完整状态相似,差异无统计学意义(P>0.05),但轴向旋转运动与完整状态相比有显著增加。分析造成此结果的原因可能有2个方面:①寰枢椎前路可动固定手术进行前路减压时切除了翼状韧带和齿突尖韧带,从而丧失了对旋转运动的限制,因此可能产生旋转运动下不稳的情况;②该系统球窝和车轴双重关节的设计使得旋转运动不受限制,结果导致旋转运动下可能会有寰枢椎的过度活动。同时,与完整状态、减压术后及可动固定术后相比,Harms钢板融合内固定术后寰枢椎在屈伸、侧屈及旋转运动下的ROM和NZ均减小,差异具有统计学意义(P<0.05),与已发表的生物力学研究结果类似[12]。

上述研究结果表明,我们所设计的寰枢椎前路可动固定系统能够从结构和功能上对寰枢椎进行仿生模拟,达到了兼顾寰枢椎稳定性和运动功能的双重目的,为寰枢椎疾患的手术治疗提供了一种全新的选择,符合颈椎非融合固定技术的发展趋势;然而体外实验无法完全模拟活体内的生理状态,该系统在体内长期放置的安全性和有效性,以及其在体内的生物衰竭等目前依然未知。因此,需要进一步的体外实验和活体实验来对寰枢椎前路可动固定系统进行深入的评价。

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