新型寰樞椎后路動態固定系統的生物力學評價

蔣偉宇,于 亮,馬維虎,趙劉軍,徐榮明

寰樞椎復合體是人體頸椎重要結構之一，其活動度大，解剖復雜，寰樞椎固定手術一直被認為是脊柱外科的一大挑戰。隨著各種寰樞融合術和枕頸融合術不斷出現和發展，大大提高了療效，降低了傷殘率。對于寰樞椎骨質明顯損傷的患者，固定與融合是目前有效的辦法，但是對于骨質相對完整而軟組織、韌帶損傷的寰樞椎不穩的患者，如寰樞椎旋轉半脫位、單純橫韌帶損傷等，若采用現行各種固定融合術式會嚴重地限制頸椎旋轉功能，并且未融合頸椎節段為代償融合節段所喪失的運動功能和維持姿勢的平衡，加速退變，導致未融合頸椎節段失穩甚至脫位等鄰椎病，對下頸椎造成不利影響[1-2]。

隨著非融合技術的廣泛應用于臨床，于是有學者提出人工寰齒關節置換[3-4]，試圖保留寰樞關節的活動度，但由于受到材料學及人工關節本身設計的限制，目前仍停留在實驗階段，存在較大的技術難題。鑒于此，本研究設計一種新型寰樞椎后路動態固定系統，并進行生物力學評價，為完善新型后路寰樞椎動態固定系統的設計與臨床應用提供基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮的成人枕頸標本(C0-4)8例，使用多層螺旋CT掃描機對標本進行掃描，排除任何骨折、畸形等結構異常，并測定其骨密度，骨密度平均值為0.848(ρ值為0.712～0.914)，排除骨質疏松。隨后將標本逐個仔細剔除頸椎所附肌肉等軟組織，保留并避免損傷頸椎主要韌帶及后關節突的完整性，隨機取樣，上下用聚甲基丙烯酸甲脂包埋，制成完整的頸椎實驗標本，并貼上相應標簽。在-30℃冰箱中保存標本，實驗前在室溫下解凍。

1.2 實驗模型制作與分組

8具標本被隨機分成以下4組：完整狀態組(intact組)，將標本在室溫條件下自然解凍8 h，為生理狀態的頸椎標本，不做任何結構破壞及內固定處理。寰樞椎不穩狀態組(unstable組)，將頸椎寰樞橫韌帶切斷，前縱韌帶、翼狀韌帶和齒突尖韌帶一并切斷，保留骨、關節等其他組織的完整性。寰樞椎后路動態固定狀態組(dynamic fix組)，在寰樞椎不穩狀態組基礎上行寰樞椎后路動態固定。寰樞椎后路椎弓根螺釘固定狀態組(pedicle fix組)，在寰樞椎不穩狀態組基礎上行常規寰樞椎后路椎弓根螺釘固定。

1.3 生物力學測試

所有生物力學測試在非破壞方式下進行測量。加載按照人體頸部承受的重量，以150 N為最大生理載荷，最大力矩為1.50 N·m，不致出現過伸或過屈位。頸椎運動以前屈/后伸，左/右側彎和左/右旋轉等6種生理運動方式，加載速率為1.50 mm/min，并實行分極加載。測試標本時，首先標定實驗機臺空間XYZ三維坐標。然后將標本下端包埋塊固定在實驗機臺基座上，上端與加載盤相連，通過懸吊于加載盤上的砝碼，對頸椎施加1.50 N·m純力偶矩。每種運動先進行3次最大載荷下的加載/卸載循環，將頸椎的黏彈性消除到最小。每次加載和卸載后停留30 s左右，以允許頸椎蠕變運動，得到穩定的實驗結果。所有標本測試時施加力偶按前屈/后伸、左/右側屈、左/右軸向旋轉的順序進行，取均值表達。將測量得到的數據整理后，得到4組模型運動范圍(range of movement, ROM)結果。

1.4 數據處理

計算所得數據均數和標準差，用SPSS 13.0軟件進行統計學分析，對不同狀態下各組之間數據采用單因素方差分析(ANOVA)、Fish最小二乘法差異分析(LSD)及TambaneT進行統計學處理，設P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 C1/C2、C2/C3節段的三維運動測量結果

C1/C2ROM測試結果顯示：①完整狀態與失穩狀態比較，差異有統計學意義(P<0.05)；②動態固定系統與正常完整標本相比較，差異無明顯統計學意義(P>0.05)。③常規椎弓根螺釘固定固定與正常完整標本相比差異有統計學意義(P<0.001)；與動態固定法相比差異也有統計學意義(P<0.001)。

C2/C3ROM測試結果顯示：①失穩狀態時ROM增加特別明顯，同正常完整狀態相比，屈伸狀態增加39%，側屈狀態增加40%，軸向旋轉增加23%，差異有統計學意義(P<0.001)。②動態固定系統與完整標本相比，屈伸狀態、側屈狀態和軸向旋轉狀態兩者分別相差9%、7%、10%，動態固定系統基本上接近正常標本，唯在軸向旋轉狀態有一定差異，但差異無統計學意義(P>0.05)。③常規椎弓根螺釘固定后使毗鄰節段的ROM發生了變化，由于寰樞椎固定太堅固，使C2/C3節段椎間盤運動范圍反而增加了，屈/伸增大70%，側屈增大78%，軸向旋轉增大19%，差異有顯著統計學意義(P<0.001)。④C2/C3節段分別采用動態固定和椎弓根螺釘固定后的ROM相比，兩者依次相差30%、34%、22%，差異有顯著統計學意義(P<0.001，見表1)

2.2 C1/C2、C2/C3節段三維運動穩定性指數(stability index,SI)比較

為更加直觀評價各種固定方法的穩定性，進行三維運動SI比較。設完整標本各方向運動范圍的穩定性為100%，實驗測得的節段運動與脊柱的穩定性成反比，假設其節段運動范圍越大，其穩定性性越差，將各種狀態的運動范圍(Rf)按照各自完整標本的運動范圍(Ri)公式計算：SI = Ri / Rf×100%。

C1/C2測試結果表明：①寰樞椎三維運動SI完整時為100%，而失穩時屈伸、側屈和旋轉只有59%、56%和90%，而采用動態固定系統固定，SI上升，差異有統計學意義(P<0.05)。②采用椎弓根螺釘固定，則運動SI增加得非常明顯，差異有統計學意義(P<0.001)。

分組Groups屈曲/后伸Flexion/extensionC1/C2C2/C3左右側屈Left/right lateral bendingC1/C2C2/C3左右旋轉Left/right rotationC1/C2C2/C3完整Intact21.86±2.2136.24±3.5711.54±1.6120.18±2.4671.96±7.9877.19±8.18失穩Unstable37.16±3.3859.85±5.7020.78±2.2333.76±3.6979.16±7.8499.88±9.22動態固定Dynamic fixation20.12±2.1033.15±3.5510.51±1.1118.78±1.7965.44±6.5569.17±6.33椎弓根螺釘固定Pedicle fixation14.12±0.1647.14±5.226.24±0.6128.26±3.1330.48±3.1288.80±8.96

C2/C3測試結果表明：①完整標本的屈/伸、側屈和旋轉SI均為100%，而失穩時下降到分別為61%、60%和77%，動態固定時SI分別上升為109%、107%和112%。②若采用椎弓根螺釘固定，SI反而分別下降77%、71%和87%，比動態固定SI分別低29%、34%和22%，統計顯示具有非常顯著性差異(P<0.001，見表2)

3 討 論

新型寰樞椎后路動態固定系統的研制，借鑒非融合技術的普遍性原則和要求，結合樞椎椎弓根技術。同時應用三維運動測試系統測定該固定系統對失穩寰樞椎間ROM的影響，并與現有固定(寰樞椎弓根固定)方法進行比較，以完整狀態的節段運動為對照組，對在維持局部穩定性、保存運動功能以及對下位椎間ROM的影響等方面進行生物力學評價，為完善設計和臨床應用提供了基礎理論依據。

在本生物力學實驗中新型寰樞椎后路動態固定系統在C1/C2節段的ROM與正常完整標本相比較，屈伸狀態、側屈狀態和軸向旋轉狀態兩者ROM分別相差8%、9%、9%，說明新型寰樞椎后路動態固定系統固定后，可達到既恢復寰樞關節的穩定性又保留其運動功能的目的。采用常規椎弓根螺釘固定寰樞椎，其固定后的ROM與正常完整標本相比較，屈伸狀態、側屈狀態、軸向旋轉狀者ROM分別相差達35%、46%、58%，雖然固定堅強、牢固，但嚴重限制了頸椎的正常運動。與寰樞椎后路動態固定法ROM相比，兩者分別相差30%、41%、53%。同樣在C2/C3節段動態固定系統ROM與完整標本相比較，屈伸狀態、側屈狀態和軸向旋轉狀態兩者分別相差9%、7%、10%，基本上接近正常標本。而常規椎弓根螺釘固定后使毗鄰節段的ROM發生了變化，由于寰樞椎固定太堅強，使C2/C3節段椎間盤運動范圍反而增加了，屈/伸增大70%，側屈增大78%，軸向旋轉增大19%。C2/C3節段分別采用動態固定和椎弓根螺釘固定后ROM相比，兩者依次相差30%、34%、22%。因椎弓根固定節段內在剛度增加，活動幅度明顯下降或消失，因而頸椎節段ROM將發生重分配，活動度會轉移到剩余運動節段，會使鄰近節段加速發生椎間盤退變或者引起椎管狹窄，關節突肥大性骨關節炎的危險性也增加。本實驗證明采用動態固定的可靠性、靈活性和穩定性，理論上可降低對鄰近節段椎間盤的影響。

分組Groups屈曲/后伸Flexion/extensionC1/C2C2/C3左右側屈Left/right lateral bendingC1/C2C2/C3左右旋轉Left/right rotationC1/C2C2/C3完整Intact100100100100100100失穩Unstable58.8260.5555.5359.7790.0777.28動態固定Dynamic fixation108.65109.32109.8107.45109.96111.59椎弓根螺釘固定Pedicle fixation154.8276.67184.9471.41236.0986.93

同時，本實驗結果顯示寰樞椎C1/C2失穩狀態的SI值屈伸、側屈和旋轉分別只有59%、56%和90%，而若采用動態固定系統固定，SI分別上升到109%、110%和110%，頸椎穩定性分別增加46%、49%和18%。而后路椎弓根螺釘固定，SI增加得非常明顯，分別增加為155%、185%和236%，比動態固定分別高30%、41%和53%。失穩狀態下的C2/C3節段三維運動的穩定性指數SI，下降到分別為61%、60%和77%，動態固定時SI分別上升為109%、107%和112%，接近正常標本并超過正常標本,穩定度更好，動態固定有其明顯的優越性。若采用椎弓根螺釘固定，SI反而分別下降77%、71%和87%，比動態固定分別低29%、34%和22%。這一結果顯示，椎弓根螺釘固定非常堅強，限制了節段的運動非常明顯，穩定性雖好，但不足的是常常會使鄰近節段運動發生代償性變化，增加了鄰近節段的ROM，可能會發生鄰近節段椎間盤的退變現象。而采用寰樞椎后路動態固定，SI接近完整標本，既有效保證了頸椎的正常運動，又維系了頸椎的穩定性。

本生物力學測試結果表明，全新寰樞椎后路動態固定系統，能使寰樞椎運動功能得以一定的保留，既能恢復寰樞椎關節的穩定性又保留其運動功能。由于本實驗僅僅作了初步設計和生物力學測試，作為一種動態固定方法，其需要長期的穩定性、耐用性，運用于臨床還需在材料學等各個方面進行更深入的研究。因此，課題下一步將進行疲勞實驗，并將對正常寰樞椎活動軌跡進行CT研究和三維有限元的研究，使用該動態固定系統更加完善。

參考文獻

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