金属框架固定行枕颈融合术的生物力学研究

               作者：肖增明，唐毓金，温洁明

【关键词】  金属

　　摘  要：［目的］评价金属框架重建枕颈部的稳定性，为其临床应用提供力学依据。［方法］在7具完整成人枕骨颈椎（C0～6 ）标本上对横韧带切除齿状突切骨后失稳的C0～2节段，分别安装金属框架和棘突枕颈钢板内固定，通过摄像将153 Nm载荷下的三维运动记录脊柱三维运动稳定性评价方法，评价其重建枕颈部即时稳定性的效果。［结果］在153 Nm载荷作用下，金属框架组C0～2节段的前屈、后伸、侧弯和轴向旋转的ROM分别为59°、77°、56°、112°，比棘突枕颈钢板组分别缩小了1576%、688%、589%、1313%。［结论］枕颈框架组较有效地恢复枕颈部失稳后的即时稳定性，是枕颈融合术中较可靠的内固定方法。

　　关键词：枕颈融合;  脊柱生物力学;  内固定;  金属框架;  寰枢椎不稳

　　Biomechanical study on occipitocervical fusion fixed by metallicrectangular frame

　　Abstract：［Objective］To provide  the mechanical evidence of  self manufactured  metallicrectangular  frame on the reconstruction of  the stability of occipitocervical junction.［Method］Seven of the adult cervical spinal specimens which were entire wet-cadavers(from occipitale to C6) were made to simulate the C０～２ fracture dislocation. These of specimens dislocated  were fixed  by metallicrectangular  frame and Occipitocervical plate respectively.The three dimensional  movements  of C０～２  were recorded through photogrametry  with a pure  moment of 1.53 Nm. The range of motion(ROM) of each specimens in two fixation was caculated.［Result］Loaded by 1.53Nm, In metallicrectangular frame fixation, the ROM in flexion, extension, lateral bending and axial rotation were 5.9°、7.7°、5.6°、11.2° respectively, decreased by 157.6%、68.8%、58.9%、131.3%, compared with occipitocervical plate fixation group.［Conclusion］Metallicretangular frame fixation can reconstruct the stability of Occipitocervical junction immediatey, and is a relativity effective internal fixation for occipitocervical fusion.

　　Key words:Occipitocervical fusion;  Spinal Biomechanics;  Internal Fixation;  Metallicrectangular frame;  Atlantoacial joint instability

　　外伤及各种病因引起的寰枢椎骨折和失稳常造成颈脊髓受压，导致病人瘫痪，甚至危及生命。枕骨颈椎融合术(Occipitocervical fusion)寰枢椎骨折脱位已被广泛地应用于临床，但由于固定不牢固而植骨不融合或者植骨块被吸收的病例屡见不鲜［1］，导致手术失败。自1990年以来，作者采用自制金属框架内固定治疗寰枢椎骨折脱位病人59例，临床效果满意。为了探讨及评价金属框架对失稳枕寰枢复合体固定作用的生物力学，特进行此研究。该研究在7具成人湿润完整的枕骨颈椎尸体标本上进行实验，先测量完整结构的C0～2节段的三维运动范围（range of motion ROM）,然后对标本制成C１～２骨折脱位模型，分别安装金属框架及棘突枕颈钢板，测量各自的三维运动范围，探讨金属框架重建枕颈部的即时稳定性，为其临床应用提供力学依据。

　　1  材料与方法

　　11 标本制作与准备

　　成人7具完整枕骨颈椎湿润标本，性别、年龄、死因均不详，经大体病理及X线片证明无退变和无骨性异常，将其附着肌肉剔除，保留所有韧带，用直径为2 mm的小金属针在C0～2椎体前壁或附件骨质内嵌入各2枚(测定同一关节运动的３枚针不在同一条轴线上)，钉末端涂上红油漆利于机识别系统识别，且这些标记在整个运动中不会相互接触，并容易观测。所有标本编号并各自放入双层塑料袋中，用甲醛防腐剂保存。所有标本来自于广西医科大学解剖学教研室湿性标本。

　　12  固定手术器械

　（由广西医科大学第一附属手术室提供）斯氏针：直径5 mm 7支；软钢丝：直径12 mm 1卷；普通4孔钢板2套及相应螺钉、螺栓；手摇钻、大力剪等相应手术器械。

　　13  实验设备 

　　(由广西大学机械材料力学实验室提供)：WE-50型万能材料试验机（0002 KN)，扭转试验机（001 Nm)，百分表（001 mm），计算结果误差<2%。加载力矩：153 Nm。

　　14  运动范围分析软件包包括

　　Photoshop：运动图像处理软件及Anto  CAD For 2000运动范围处理软件（由广西大学机械材料力学实验室提供）。

　　15  加载方式及方法

　　将C6用特殊制作夹具夹紧，模拟枕颈部的生理活动方式，使枕颈标本产生生理性的前屈、后伸、左右侧屈（在材料试验机上进行）、左右轴向旋转（在扭转试验机上进行）6种活动，加载最大力矩为153 Nm(17 N×009 m)。Panjabi等［4］报道应用最大力矩153 Nm，能产生生理性最大运动范围，能体现标本运动的前后改变，又不损伤标本，本实验所做的预实验也证实了这一点。故标本可反复进行试验及能发现寰枢椎的运动改变。对预先进行实验的标本应用3次最大力矩―零周期方式以减少标本的粘弹性作用，第3次允许30 s蠕变，以进一步减少标本的粘弹性，再进行测量。在整个试验过程中始终用生理盐水保持标本韧带的湿润。

　　16  手术方法

　　所有运动评价都是针对C０～２节段。人为制成C1～2骨折模型（即咬除寰椎后弓，咬除枕骨下缘，扩大枕骨大孔，尖刀切断横韧带及副韧带，咬除齿状突，制成C1～2骨折模型）。然后根据内固定方式的不同随机分为2组：(1)金属框架组，先在枕骨隆突处用手摇钻钻过颅骨，透过内板硬膜外，形成１个“品”字形３个骨孔，将直径为5 mm的斯氏针弯成与枕颈弧度相一致约105°～135°，然后切除C2及C3、C3及C4间黄韧带，安置框架于枕骨及C4～5棘突间，将双股钢丝分别穿过颅骨孔入处及C2及C4椎板下拧紧固定(图1)；(2) 棘突枕颈钢板组：按照张洪佑的方法［2］，在枕骨中线两侧及C2、3棘突根部钻孔，安放枕颈钢板，枕骨螺钉长度不超过枕骨内板(图2)。

　　17  实验程序

　　最大载荷力矩为153 Nm，每具标本按下列程序测试：(1)完整结构组（正常标本）；(2) 棘突枕颈钢板； (3)金属框架。两轮测试时间间隔为1 h；前1轮固定器械在实验后即拆除，以满足标本弹性变形恢复的时间要求。

　　18  脊柱三维运动测试

　　将准备好的枕骨颈椎标本安放在WE-50型万能材料试验机及扭转试验机上，每个标本在不同内固定组别下，按照上述加载方式及方法，连续加载至最大力矩153 Nm，然后分别测试它们的三维运动范围。由摄像机拍摄零载荷和最大载荷时的脊柱运动状态图像，经机图像处理系统识别定位于标本上的标志，再经过运动范围处理软件的处理，由此可计算出各节段的运动范围参数。以上试验重复3次，测试值取其平均值。

　　19  统计学处理

　　所有运动参数数据均经SPSS 100 For Windows软件包进行统计学处理。

　　2  结  果

　　在153 Nm载荷作用下，C０～１、C1～2、C0～2节段在正常标本及不同内固定组的前屈/后伸、侧弯和轴向旋转的运动范围（表1-2），其中侧弯、轴向旋转的运动范围为左/右侧弯、左/右轴向旋转的平均值，C2相对于C0运动范围(表3),统计方法采用单向方差分析，方差不齐时采用Tamhane检验。结果显示：（1）与正常结构相比，不管是在C0～1、C1～2及C0～2关节上，金属框架组及棘突枕颈钢板组具有显示性差异（P＜001)；（2）金属框架组与枕颈钢板组相比，具有非常显著性差异（P＜001）。而反映枕寰枢复合体的关节复合运动C0～2节段显示：C0～2节段在失稳后用金属框架内固定，其运动范围分别是：前屈59°、后伸77°、侧弯56°、轴向旋转112°，比棘突枕颈钢板组分别缩小了1576%、688%、589%、1317%。表1  C0～1节段在153 Nm载荷下的三维运动范围(略)表2  C1～2节段在153 Nm载荷下的三维运动范围(略)表3  C0～2节段在153 Nm载荷下的三维运动范围(略)

　　3  讨  论

　　由于对脊柱稳定性研究的深入，认识到脊柱稳定性是脊柱功能得以完成的基本前提。1983年Denis在脊柱二柱理论的基础上又提出了三柱结构学说，而枕寰枢区作为脊柱的一个特殊结构，二柱或三柱结构学说对寰枢椎是否适用有待进一步研究。有学者认为维持脊柱稳定的因素有两个：椎体、椎间盘、关节突关节和韧带是内在因素，颈周围肌肉是外在因素，并把韧带作为脊柱稳定的重要结构；而枕寰区缺乏椎间盘，仅靠关节及韧带相维持。认识枕寰枢区生物力学特征是理解该部正常功能和该部遭受疾病、创伤或外科手术后稳定性改变的基础。枕寰枢复合体（C0～2）作为一个解剖范畴已广泛应用于临床及实验。由于寰枕关节与寰枢关节解剖结构的差异，使寰枕关节与寰枢关节有力学差异。寰枕关节以屈伸运动为主，寰枢关节以旋转为主，这与本实验的结果相一致。枕寰枢复合体作为一个整体在枕颈融合术中具有特殊意义，因为几乎所有的枕颈融合术均融合C0及C2棘突间，它的稳定性决定手术成功之关键。

　　后路寰枢椎融合术是取得寰枢稳定的有效方法。以Brook采用的寰枢椎板下穿钢丝寰枢间楔状植骨为经典手术，Halifax椎板钩法用椎板夹固定代替钢丝克服了椎板下穿钢丝损伤脊髓的缺点。Mistui装置固定获得了较好的抗旋转性能，然而这些方法使用的先决条件是寰枢椎后路结构必须完整，与寰枢椎后路遭到破坏或者已手术切除减压的情况下则应采用枕颈融合术。国内传统的术式“大块燕尾状植骨枕颈融合”、“枕骨骨瓣翻转枕颈融合”，由于外固定时间长而导致肺炎、褥疮等诸多并发症，即使用很合身的头颈胸石膏也只能限制寰枢椎的75%的活动范围［3］，加上石膏松动等原因可导致不愈合；倪斌［1］等报道行枕颈融合术32例中，3例不愈合均为单纯植骨。因此枕颈融合术中牢靠的内固定加植骨是保证手术成功的关键。从1990年开始，本科自行设计的金属框架，一次性手术解决了减压、植骨和稳定枕颈部3个环节，获得了满意的临床疗效。

　　C1～2骨折脱位以及寰枢椎后弓切除枕骨大孔扩大后对枕颈部稳定性的破坏已被生物力学研究所证实［4］。对于失稳后的枕寰枢椎节段需要采用植骨融合和内固定来恢复或加强失稳节段的稳定性。本研究结果表明：不管是在C0～1、C1～2、C0～2节段上，金属框架组及棘突枕颈钢板组固定后的三维运动明显减少，能达到临床固定的目的。但是，金属框架组的抗扭转能力、抗前屈能力比棘突枕颈钢板组提高了各1313%、1576%，而抗后伸能力及抗侧弯能力提高了688%、589%，因此，金属框架组提供了优越于棘突枕颈钢板的即时稳定性。颈椎的旋转运动有50%发生于寰枢关节，可达到45°，C1～2骨折脱位后，共旋转ROM达480°，侧弯达21°［4］，如果寰枢关节的旋转和侧弯运动得不到有效控制，就容易导致植骨融合失败，金属框架内固定后，寰枢关节旋转和侧弯ROM分别为91°和25°，而棘突枕颈钢板为223°和46°。因此，从控制寰枢旋转侧弯运动意义上讲，金属框架显著优越于枕颈钢板。而且金属框架控制侧弯、旋转能力，无论在C0～1、C0～2节段上均优于枕颈钢板。只是在C1～2节段上后伸变化不明显，各为36°及51°。两种固定方式不同生物力学效果取决于二者的不同内固定结构，金属框架为多点立体框架固定，分别固定于枕骨和棘突两旁的椎板，呈矩形结构，而棘突枕颈钢板通过螺钉固定于枕骨和棘突上，固定点集中在后中线上，应力集中于枕骨螺钉及棘突，因此，不能有效地控制旋转等运动。

　　金属框架内固定取材方便，操作简单，实惠，能在各级开展。金属框架固定提供了可靠的即时稳定性，对于术后早期病人的护理与康复以及后期植骨融合和神经功能恢复起了重要作用。术后病人在颈围保护下可早期下床活动，能有效地预防因长期卧床所致的骨质疏松和植骨块吸收的发生，以及长期卧床的其它并发症及传统手术的其它缺点：如住院时间长及费用高等。

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　　［1］  倪斌,贾连顺,肖建如,等.寰枢椎不稳的颈后路手术［J］.中华骨科杂志,2001，21(11):684.

　　［2］  张洪佑.双钢板固定及植骨行枕颈融合术［J］.中华外科杂志,1978,4:230.

　　［3］  Richman, JD. Upper cervical spine fracture:Odontoid［J］. Curr Opin Orthop,1997,8:7-12.

　　［4］  袁文,贾连顺,卢一生,等.齿状突骨折对枕颈部生物力学影响的实验研究［Ｊ］.脊柱脊髓杂志,1996,12:69.