寰樞椎后路椎弓根螺釘鋼板固定的生物力學(xué)評價(jià)

1、寰樞椎后路椎弓根螺釘鋼板固定的生物力學(xué)評價(jià)馬向陽1 尹慶水1 劉景發(fā)1夏虹1 吳增暉1鐘世鎮(zhèn)2徐達(dá)傳2 趙衛(wèi)東2 黃文華2（1. 廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510010；2.第一軍醫(yī)大學(xué)臨床解剖學(xué)研究所，廣東 廣州 510515）【摘要】 目的：評價(jià)寰樞椎后路椎弓根螺釘鋼板固定的生物力學(xué)穩(wěn)定性。方法：6具新鮮頸椎標(biāo)本，按隨機(jī)順序，對每一標(biāo)本先后行C1-C2椎弓根螺釘鋼板、Magerl螺釘、Brooks鋼絲以及螺釘聯(lián)合鋼絲固定，在脊柱三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測量其三維運(yùn)動(dòng)范圍。結(jié)果：Magerl螺釘或C1-C2椎弓根螺釘鋼板聯(lián)合Brooks鋼絲組成的固定系統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)范圍最小。C1-C2椎弓根

2、螺釘鋼板固定的前后屈伸運(yùn)動(dòng)范圍與Brooks鋼絲固定無差異，但大于Magerl螺釘；其左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍小于Brooks鋼絲固定，大于Magerl螺釘；其軸向旋轉(zhuǎn)角度明顯小于Brooks鋼絲固定，但與Magerl螺釘無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。結(jié)論：C1-C2椎弓根螺釘鋼板固定的三維穩(wěn)定性與Magerl螺釘相當(dāng)?！娟P(guān)鍵詞】寰樞椎；椎弓根，內(nèi)固定；生物力學(xué)Biomechanical evaluation of C1-C2 pedicle screws plate fixation of atlantoaxial joint MA Xiang-yang, YIN Qing-shui, LIU Jing-fa, e

3、t al. Department of Orthopaedics, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command, Guangzhou 510010,China【Abstract】 Objective: To evaluate the biomechanical stability of C1-C2 pedicle screws fixation technique for atlantoaxial instability. Methods: Six atlantoaxial complex fresh specimens，

4、according a random sequence, each was fixed using C1-C2 pedicle screw fixationtechnique, Magerl screw technique, Brooks wiring technique and screw-wiring combined technique, then biomechanical data（range of motion, ROM）were measured. Results: Either Magerl screws or C1-C2 pedicle screws combined Bro

5、oks wiring got the lowest three dimensional movements of the fixation techniques. The ROM of C1-C2 pedicle screw fixation, in anterior-posterior direction, equivalent to Brooks wiring and bigger than Magerl screw; lower than Brooks wiring and bigger than Magerl screw in lateral bending; as to axial

6、rotation, lower than Brooks wiring but no statistic difference with Magerl screw. Conclusions: The biomechanical stability of the C1-C2 pedicle screw fixation technique equivalent to that of Magerl screw technique.【Key words】 atlantoaxial joint; pedicle; internal fixation; biomechanics寰樞段不穩(wěn)時(shí)，后路經(jīng)寰樞側(cè)塊

7、關(guān)節(jié)螺釘（Magerl術(shù)）是目前國內(nèi)外推崇的后路固定術(shù)式。特別是Magerl螺釘復(fù)合Gallie鋼絲構(gòu)成三點(diǎn)固定，其生物力學(xué)強(qiáng)度明顯優(yōu)于此前的其他固定方式1。然而臨床上并不是所有病例都適于行Magerl螺釘固定，為此，國內(nèi)外學(xué)者新近設(shè)計(jì)了一種新的螺釘固定術(shù)式，即寰椎椎弓根螺釘2,3或寰椎側(cè)塊螺釘4,5聯(lián)合樞椎椎弓根螺釘構(gòu)成的釘棒或釘板系統(tǒng)。目前，已在少量病例進(jìn)行臨床應(yīng)用2-4,6，但缺乏大量的、長期的臨床隨訪觀察，因而急需生物力學(xué)方面的研究評價(jià)。作者通過對該術(shù)式與寰樞椎其它術(shù)式的生物力學(xué)三維穩(wěn)定性的比較，以期能對其開展應(yīng)用提供理論支撐。1 材料和方法1.1 實(shí)驗(yàn)材料及模型制備6具2535歲意外

8、死亡的男性新鮮冷凍尸體，截取其枕頸部（C0T1），經(jīng)大體觀察及X線照片證實(shí)無退變及骨性異常，測試前常溫下解凍，仔細(xì)剔除附麗肌肉，保留韌帶及關(guān)節(jié)囊的完整，制成頸椎完整狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停∕1）。切除寰椎前弓中央約1.5cm的部分，于基底部切斷齒狀突，切斷寰樞間的所有韌帶，切開寰樞側(cè)塊關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊后半，僅保留寰樞側(cè)塊關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊前半，制成寰樞椎失穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停∕2）。在失穩(wěn)模型上按隨機(jī)順序?qū)γ烤邩?biāo)本先后進(jìn)行雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘鋼板（M3）、雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘鋼板+雙側(cè)Brooks鋼絲（M4）、雙側(cè)Brooks鋼絲（M5）、雙側(cè)Magerl螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲（M6）、雙側(cè)Magerl螺

9、釘（M7）固定寰樞椎，制成不同固定方式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?.2 生物力學(xué)測試所有生物力學(xué)測試在非破壞方式下用脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測量。鋼板螺釘固定C3C7椎體，枕骨髁基底和胸1分別用聚甲基丙烯酸甲酯包埋?！癓”形三個(gè)不共線圓點(diǎn)的標(biāo)尺固定于寰椎和樞椎前方。對頸椎施加2.0Nm純力偶矩，使頸椎產(chǎn)生前屈/后伸、左側(cè)彎/右側(cè)彎、左/右軸向旋轉(zhuǎn)6種生理運(yùn)動(dòng)。由微機(jī)圖像處理和分析系統(tǒng)依次對上述模型（M1M7）測量寰樞椎間的三維運(yùn)動(dòng)范圍（ROM）。每次測試重復(fù)3次加載/卸載循環(huán)，在第三次循環(huán)時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)測量，以減少標(biāo)本粘彈性作用的影響。1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理計(jì)算7種模型ROM值的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。用方差分析和SNK法進(jìn)

10、行統(tǒng)計(jì)分析比較。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的顯著性設(shè)在P<0.05。2 結(jié)果不同狀態(tài)下寰樞段的前屈/后伸范圍見表1，所有固定方式的穩(wěn)定性都明顯高于完整狀態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài)，所有狀態(tài)的前屈和后伸數(shù)據(jù)一致，其穩(wěn)定性排列順序是：M6 > M7, M4> M5, M3 > M1 > M2。其中M7與M4、M5與M3間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。表1 寰樞節(jié)段各種狀態(tài)的前后運(yùn)動(dòng)范圍（±s，度）狀態(tài) 前屈 中性區(qū) 后伸完整狀態(tài) （M1） 5.80±0.61 1.48±0.19 4.78±0.40失穩(wěn)狀態(tài) （M2） 10.67±1.04 3.23±0.21

11、 7.90±1.02雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘 （M3） 3.65±0.16 2.02±0.23 3.37±0.51雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲 （M4） 3.03±0.65 1.92±0.12 2.38±0.53雙側(cè)Brooks鋼絲 （M5） 3.60±0.82 2.30±0.24 2.55±0.82雙側(cè)Magerl螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲 （M6） 2.08±0.34 2.20±0.23 1.60±0.24雙側(cè)Magerl螺釘 （M7） 2.7

12、8±0.19 2.37±0.23 2.13±0.63所有固定方式的左/右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)范圍都明顯小于完整狀態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài)，所有狀態(tài)的左側(cè)彎和右側(cè)彎數(shù)據(jù)一致，其側(cè)向穩(wěn)定性排列順序是：M6 > M7 > M4, M3 > M5 > M1 > M2（表2）。其中M4與M3間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。表2 寰樞節(jié)段各種狀態(tài)的左右運(yùn)動(dòng)范圍（±s，度）狀態(tài) 左側(cè)彎 中性區(qū) 右側(cè)彎完整狀態(tài) （M1） 3.50±0.22 1.43±0.21 3.40±0.49失穩(wěn)狀態(tài) （M2） 5.38±0.93 1.57±0

13、.15 5.20±0.66雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘 （M3） 1.92±0.56 1.32±0.15 2.02±0.47雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲（M4） 1.92±0.72 1.22±0.12 1.97±0.72雙側(cè)Brooks鋼絲 （M5） 2.35±0.94 1.18±0.07 2.17±0.70雙側(cè)Magerl螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲 （M6） 0.90±0.22 1.40±0.23 0.95±0.31雙側(cè)Magerl螺釘 （M7） 1

14、.31±0.17 1.50±0.11 1.37±0.18不同狀態(tài)下寰樞段的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍見表3，所有固定方式的穩(wěn)定性都明顯高于完整狀態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài)，所有狀態(tài)的左旋和右旋數(shù)據(jù)一致，其軸向穩(wěn)定性排列順序是：M6 > M4 > M3, M7 > M5 > M1 > M2。其中M3與M7間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。表3 寰樞節(jié)段各種狀態(tài)的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍（±s，度）狀態(tài) 左旋 中性區(qū) 右旋完整狀態(tài) （M1） 26.47±1.75 3.33±0.22 27.12±2.17失穩(wěn)狀態(tài) （M2） 32.33±3.

15、55 5.00±0.28 30.67±3.67雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘 （M3） 4.22±0.97 2.22±0.26 4.77±0.85雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲 （M4） 3.53±0.30 2.20±0.20 3.77±0.38雙側(cè)Brooks鋼絲 （M5） 5.42±0.44 2.80±0.28 5.42±0.65雙側(cè)Magerl螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲 （M6） 2.92±0.34 3.13±0.39 2.88±0.58雙

16、側(cè)Magerl螺釘 （M7） 4.38±0.58 2.67±0.36 4.22±0.713 討論3.1 寰樞椎后路固定術(shù)式的演變與寰椎椎弓根螺釘?shù)暮x鋼絲固定是1980年以前寰樞椎不穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)后路固定技術(shù)，后路Magerl螺釘固定是現(xiàn)今推崇的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式，但Magerl螺釘技術(shù)要求的進(jìn)釘角度過大，術(shù)前要求解剖復(fù)位，手術(shù)操作難度較大，且一定要在X線下進(jìn)行。寰椎椎弓根螺釘固定術(shù)式是新近提出的一種固定方法2，根據(jù)作者臨床應(yīng)用的體會(huì)，寰椎椎弓根釘復(fù)合樞椎椎弓根釘?shù)尼敯艋蜥敯逑到y(tǒng)進(jìn)釘角度小，可在直視下進(jìn)行，不一定要在床邊X線下進(jìn)行。技術(shù)上較Magerl螺釘技術(shù)簡易，有可能成為寰樞

17、椎后路固定的新的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式。由于椎板鉤、椎板夾的生物力學(xué)強(qiáng)度與Brooks鋼絲技術(shù)相當(dāng)，所以本研究以Brooks鋼絲技術(shù)（M5）為對照術(shù)式。寰椎后弓與側(cè)塊的連接部分在結(jié)構(gòu)上和力學(xué)上類似于其它椎體的椎弓根，稱之為椎弓根在臨床上更便于理解和接受，故在此將經(jīng)由寰椎后弓、后弓峽部至寰椎側(cè)塊內(nèi)的螺釘視為寰椎的椎弓根螺釘，有別于寰椎側(cè)塊螺釘。寰椎側(cè)塊螺釘是指，經(jīng)寰椎后弓與寰椎側(cè)塊后緣的移行處進(jìn)釘沿寰椎側(cè)塊縱軸置入，其螺釘長度較寰椎椎弓根螺釘明顯要短4-6°，上仰5°；螺釘直徑3.5mm，長25mm。3.2 寰樞段的前后穩(wěn)定性此前的生物力學(xué)研究表明，任何一種鋼絲技術(shù)都有很好的前后穩(wěn)定性1。

18、從本研究的測試結(jié)果來看，雙側(cè)Magerl螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲（M6）的前后穩(wěn)定性最強(qiáng)，其次為雙側(cè)Magerl螺釘（M7）和雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘鋼板+雙側(cè)Brooks鋼絲（M4），再其次為雙側(cè)Brooks鋼絲（M5）和雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘鋼板（M3）。其中M7與M4、M5與M3間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。由此看來，單就前后穩(wěn)定性來說，雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘固定復(fù)合雙側(cè)Brooks鋼絲的固定強(qiáng)度與雙側(cè)Magerl螺釘相當(dāng)；而單純行雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘鋼板固定的強(qiáng)度則與雙側(cè)Brooks鋼絲接近，對于前后穩(wěn)定性來說，Brooks鋼絲的強(qiáng)度已足夠1，說明雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘固定可以滿足前后穩(wěn)

19、定性的要求；而M4大于M3，提示進(jìn)行C1-C2椎弓根螺釘固定時(shí)，如果要獲得最大的前后穩(wěn)定性，可追加鋼絲固定。3.3 寰樞段的側(cè)向穩(wěn)定性雖然后路鋼絲技術(shù)和椎板鉤夾技術(shù)均能明顯提高寰樞段前后方向的穩(wěn)定性，但抗側(cè)彎和抗旋轉(zhuǎn)能力較差，不及Magerl螺釘穩(wěn)定1。從測試結(jié)果來看，幾種術(shù)式的側(cè)向穩(wěn)定性排列順序是：M6 > M7 > M4, M3 > M5 > M1 > M2（表2）。其中M4與M3間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說明單就側(cè)向穩(wěn)定性來看，在進(jìn)行C1-C2椎弓根螺釘固定時(shí)，不需要追加鋼絲固定，其強(qiáng)度就在雙側(cè)Brooks鋼絲固定（M5）之上，而稍弱于雙側(cè)Magerl螺釘（M7）。3

20、.4 寰樞段的軸向穩(wěn)定性 頭頸部的旋轉(zhuǎn)功能主要集中在寰樞關(guān)節(jié)，因此寰樞椎的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性是衡量固定方法優(yōu)越性的首要指標(biāo)，其中Magerl螺釘?shù)目剐D(zhuǎn)能力明顯優(yōu)于鋼絲、椎板夾或椎板鉤1。軸向穩(wěn)定性的測試結(jié)果表明雙側(cè)Magerl螺釘+雙側(cè)Brooks鋼絲（M6）最強(qiáng)；其次為雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘固定+雙側(cè)Brooks鋼絲（M4）；再其次為雙側(cè)Magerl螺釘（M7）和雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘（M3）；最后為雙側(cè)Brooks鋼絲（M5）。表明由雙側(cè)Magerl螺釘復(fù)合雙側(cè)Brooks鋼絲構(gòu)成的三點(diǎn)固定穩(wěn)定性明顯優(yōu)于其他術(shù)式。其中M3與M7間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說明C1-C2椎弓根螺釘在抗旋轉(zhuǎn)方面與Magerl螺釘?shù)刃В岢M(jìn)行Magerl螺釘固定的主要目的就在于提高寰樞椎的軸向穩(wěn)定性，提示如果行Magerl螺釘固定困難，可選擇雙側(cè)C1-C2椎弓根螺釘固定，仍具有相同的抗旋轉(zhuǎn)性能。3.5 寰樞椎椎弓