寰枢椎后路固定补救方案的生物力学研究

金国鑫，张磊，阎崇楠，刘齐，王欢

（中国医科大学附属盛京医院脊柱外科，沈阳 110004）

寰枢椎的稳定性由寰枢椎完整的骨性结构、关节和周围韧带结构决定［1］。任何创伤、炎症、肿瘤和先天畸形等结构破坏，均可引起寰枢椎不稳，常常需要手术重建该区域稳定性。目前应用于寰枢椎后路固定的方式包括钢丝固定、椎板夹、Magerl螺钉、椎弓根和侧块螺钉等技术。螺钉内固定因优越的稳定性已取代线缆等固定方式。然而，该技术仍存在静脉出血难以控制和损伤椎动脉的风险。寰椎后弓螺钉 （posterior arch screw，PAS） 技术作为寰椎固定的补救方案，经解剖学和生物力学研究［2-3］证实其有安全性和有效性。枢椎由于存在椎动脉高跨等变异，术中为保护椎动脉需要枢椎椎板钉 （laminar screw，LS） 的补救。临床中将这两种方法单独使用或与椎弓根螺钉相结合治疗寰枢椎不稳，为此本研究设计生物力学实验测量各种固定方法的即时稳定性及螺钉抗拔出力，并与寰枢椎椎弓根螺钉 （pedicle screw，PS） （作为金标准） 的固定强度进行比较。

1 材料与方法

1.1 材料

获得6具新鲜的尸体头颈部标本 （中国医科大学基础医学院解剖教研室提供），放射学检查除外肿瘤、骨折和畸形等异常，剔除上颈椎周围肌肉组织，保留椎体、韧带和间盘 （C0～4）。双层保鲜膜包裹，储存于-20 ℃冰箱备用。

1.2 建立模型及测量

1.2.1 建模及加载：将第3颈椎椎体包埋于牙托粉中，保证整个底座与第3颈椎椎体垂直。选取双侧眉弓中心上方3 cm，枕骨后方正中3 cm对应点，双侧方耳道上方3 cm，钻孔。将带螺纹的金属杆贯穿于颅骨孔道内，用螺母固定。标本固定于测试框架中，加载静态载荷，逐渐产生0、0.5、1.0、1.5、1.0、0.5和0 Nm，6个方向 （屈伸，左右侧弯，左右轴向旋转） 的纯力偶。为克服脊柱的粘弹性，样本测量前先进行3次手动的各向最大幅度的预处理。另外，每次负荷加载后，标本需要稳定30 s以减少数据收集时的蠕变。

1.2.2 活动范围测量：将3枚球型标记物 （Marker） 以非直线的方式分别固定于枕骨、寰椎、枢椎和第3颈椎的椎体前方，用来记录节段间活动所产生的角度变化 （range of motion，ROM）。通过红外线跟踪系统（英国Vicon Nexus公司） 记录标本的三维运动 （图1），并呈现于电脑系统 （图2）。记录各组在1.5 Nm载荷下各个方向的 （屈伸、左右侧弯、左右旋转） 运动范围。

图1 红外线跟踪系统监测上颈椎活动度Fig.1 The infrared tracking system monitored the range of motion of the upper cervical vertebrae

图2 Marker点在监测系统上的成像Fig.2 Imaging of the marker points using the monitoring system

1.2.3 各组模型建立：选取正常脊柱标本作为对照组，测试载荷运动情况，产生基础值。建立Ⅱ型齿状突骨折模型作为失稳组。于齿状突基底标记垂直于齿状突轴线的3个点，用锋利的骨刀沿该标记点切断，保证韧带等软组织不受影响。

寰椎PS植入方法：探查椎弓根的上下缘及内侧缘，确定入点。向上，向内5°钻入椎弓根。探查钉道四壁，确认无破损后拧入螺钉。PAS植入方法：暴露寰椎后弓，以后结节左右旁开2 mm为入钉点，为避免交叉螺钉互相干扰分别在入钉点上、下2 mm开口，沿后弓内外壁钻入，指向后弓与椎动脉沟移行处。探查钉道完整后，拧入螺钉。枢椎PS植入方法：探查枢椎椎弓根的上缘及内侧缘，确定入钉点。内倾20°、上倾20°钻入，探查钉道壁完整后拧入螺钉。LS植入方法：入点选择枢椎C2棘突椎板交界处。沿对侧椎板方向开口，探入，保证内外壁完整。所有螺钉均选择直径3.5 mm，长度24 mm的万向螺钉。取合适长度连接杆，预弯，顶丝固定寰枢椎于中立位。

寰枢椎内固定分为5组 （图3）。A组，双侧寰枢椎PS （图3A）；B组，双侧寰椎PAS+枢椎LS （图3B、C）；C组，左侧寰枢椎 PS+右侧寰椎PAS，枢椎LS （图3D）；D组，左侧寰枢椎PS+左侧寰椎PAS，枢椎LS （图3E）；E组，双侧寰椎PS+枢椎LS （图3F）。由于标本失稳后非常不稳，通常待内固定置入并测量完成后，再行失稳状态的测量。

1.3 螺钉拔出力测量

图3 寰枢椎内固定各组的X线片Fig.3 Representative X-ray imaging showing C1-2 fixation for each group

将标本一侧椎板和对侧的侧块螺钉分别锯开，将螺钉尾的骨质予以沿螺钉垂直的平面锯平。以胶布包裹螺钉与骨的结合部位，予以石膏或牙托粉包裹标本，注意勿将螺钉与骨的结合部位覆盖，同时对石膏的钉尾平面塑形，使之与螺钉垂直。采用夹具及垫片固定石膏标本于测量机 （SANS，MTS，CHINA） 的底端，螺钉的尾端万向钉头用螺钉固定并固定于拔出力测量机的头端，清零后予以测量螺钉的拔出力 （图4）。

1.4 统计学分析

通过运动监测系统记录标记物的空间位置 （取3次测量的平均值）。基于底座将各向空间变化转换成角度变化。椎间变化与所施加的载荷对应，以显示运动节段的载荷-形变行为。用“稳定性”来反映运动节段的椎间活动，活动度减低表示稳定性增加。分别计算对照组、失稳组和各个固定组的C1～2节段间角度变化，组间比较采用t检验。P＜ 0.05为差异有统计学意义。

图4 单个PS拔出力的测量结果Fig.4 Pullout strength of C1 pedicle screw

2 结果

2.1 体外生物力学研究

6例标本的平均年龄为 （67.4±9.5） 岁，其中3例为女性。对照组6个方向的角度变化为前屈15.75°，后伸8.11°，左侧弯7.56°，右侧弯7.62°，右侧旋转27.94°，左侧旋转24.16°。失稳组比对照组和各固定组活动度明显增加，前屈27.06°，后伸10.77°，左侧弯11.25°，右侧弯9.02°，右侧旋转41.52°，左侧旋转39.99°。

内固定组对齿状突骨折模型各方向的控制与对照组和失稳组相比较差异均有统计学意义 （P＜0.05）。C1～2屈曲状态时，各组活动度均显著降低，A组与其他固定组相比差异无统计学意义 （P＞0.05）。C1～2后伸时，A、B、C、D、E各组分别降低正常活动度的79%、52.4%、72.7%、72.4%和63.3%，其中B组和E组对后伸的控制较A组弱 （P＜ 0.05）。左侧弯时，A组降低正常活动度的88.4%，B组降低78.8%，C组降低50.5%，D组降低66%，E组降低77.5%；其中C组、D组与A组比较，差异有统计学意义 （P＜ 0.05）。所有固定方法均显著降低C1～2的右侧弯活动度，差异无统计学意义 （P＞ 0.05）。对于C1～2左侧轴向旋转的控制，B组、C组与A组相比活动度大，差异有统计学意义 （P＜ 0.05）。右侧轴向旋转，B组C1～2活动度大，与A组比较差异有统计学意义 （P＜ 0.05）。见表1。

2.2 抗拔出力测量

寰椎PS的拔出力为 （718.2±229.1） N，PAS的拔出力为 （399.7±173.8） N。两者比较有统计学差异（P＜ 0.05）。枢椎PS拔出力为 （635±196.5） N，枢椎LS为 （431.3±202.1） N。两者比较有统计学差异 （P＜0.05）。

表1 各组在1.5 Nm力偶下寰枢椎各方向活动度 （ ，n=6）Tab.1 Range of motion in degrees at 1.5 N·m for each of the six motion directions according to the groups （，n=6）

表1 各组在1.5 Nm力偶下寰枢椎各方向活动度 （ ，n=6）Tab.1 Range of motion in degrees at 1.5 N·m for each of the six motion directions according to the groups （，n=6）

FLEX，flexion；EXT，extension；LLB，left lateral bending；RLB，right lateral bending；LAR，left axial rotation；RAR，right axial rotation.Compared with group A，1） P ＜ 0.05.

3 讨论

寰枢椎是活动度最大的颈椎关节，发生失稳后需要加强固定。寰枢椎的固定方法有钢丝［4-5］和椎板夹［6］，经关节螺钉技术 （Magerl）［7］，侧块螺钉［8］和椎弓根螺钉［9-11］等。由于寰枢椎解剖结构复杂，暴露和置钉过程有神经、血管损伤的风险。静脉丛破裂可造成严重出血，且止血困难，从而延长手术时间，甚至危及生命。此外，椎动脉存在解剖变异，术中辨识不清，容易出现副损伤，导致大出血［12-13］，严重者意识丧失，甚至死亡［14-15］。其他因素如寰枢椎发育窄小，解剖变异或医生的经验不足，致伤因素等也影响置钉方案的选择，术中可能需要寰枢椎置钉的补救方案。

2000年，FLOYD 等［16］提出了经寰椎PAS用于寰枢椎融合。2008年，DONNELLAN等［17］使用该技术在临床上获得理想效果，但发现钉头互相干扰，增加了手术难度。本研究设计并改进了寰椎PAS［2-3］，结合枢椎LS，单侧的寰枢椎PS用于上颈椎固定，作为补救方案。比较补救方案与双侧寰枢椎PS系统的生物力学稳定性和螺钉抗拔出力。

生物力学测试结果显示，各个固定组的寰枢椎活动度与对照组、失稳组比较差异有统计学意义，各固定组能有效控制由齿状突骨折造成的寰枢椎不稳，均显著减低各向活动度，椎弓根螺钉由于“三柱”固定，稳定性最好；寰椎PAS，枢椎LS的单纯“后柱”固定，对后伸的控制略弱；单侧的椎弓根结合单侧后柱螺钉对侧弯的固定较差；轴向旋转时同侧椎弓根结合后柱螺钉与双侧PS系统相同。抗拔出力方面PS的钉骨结合力较LS，PAS更强，可能是后柱固定旋转控制差的原因。

CLAYBROOKS等［18］认为PS系统有很好的侧弯和旋转控制。作为补救方案左侧寰枢椎PS+左侧寰椎PAS，枢椎LS组，双侧寰椎PS+枢椎LS组可以优先考虑。KELLY等［19］设计的寰椎锁定钢板，通过生物力学发现除了右侧弯，该技术同椎弓根技术均能明显降低寰枢椎各向活动度；该方法属于寰椎后柱固定方案。左侧寰枢椎PS+右侧寰椎PAS强度次之。双侧寰椎PAS+枢椎LS组最后考虑，需要坚强外固定的保护。

寰椎PAS和枢椎LS能降低椎动脉的损伤，同时可以提供相当强度的固定。因此，当寰枢椎发育窄小，椎动脉高跨或发育异常，术前、术中怀疑单侧椎动脉损伤，对侧行侧块或PS固定风险较高时，可选择寰枢椎后柱螺钉。该方法暴露技术要求简单，操作安全，是理想的替代方案。