寰椎一体式椎板钩与枢椎椎板钉组合应用于非对称内固定生物力学研究

张鹏，倪斌，许天明，刘琦

（第二军医大学附属长征医院骨科，上海200003）

上颈椎后路手术难度大、风险高，随着内固定技术的发展，目前术后已经能即刻获得坚强固定，且植骨融合率接近100%，但由于此区域内椎动脉存在较多的解剖变异，以致椎动脉损伤（Vertebral Artery Injury，VAI）一直是上颈椎后路手术的一大并发症。因此，对于伴有椎动脉变异的上颈椎疾病患者，制定个体化的手术方案已经越来越成为颈椎外科医生的共识。根据临床实践，本文报道将设计研制的新型寰椎一体式椎板钩与枢椎椎板钉组合，应用于非对称内固定中，并在尸体标本上进行生物力学试验，对此内固定系统进行生物力学评价，对临床有一定的指导意义。

1 材料和方法

1.1 实验材料

选取6具新鲜人尸体颈椎C0-4标本，X线透视无骨性异常。切除标本所附着的肌肉、脂肪组织，保留韧带、关节囊、骨与椎间盘。义齿基托树脂、牙托粉包埋标本两端，克氏针加强固定，保留C1-C2的ROM。

1.1.1 寰椎一体式椎板钩的特点 本研究中运用的寰椎一体式椎板钩是在之前分离式椎板钩的基础上进一步改进而成，由挂钩部与连接杆部组成（图1）。

因国人寰椎后弓的厚度和高度平均约为7 mm，寰椎一体式椎板钩挂钩部设计为7 mm，钩厚度为2 mm，钩抱寰椎后弓时对颈脊髓不会造成压迫。挂钩部凹面中部有脊状突起（ridge），用于防止挂钩部在寰椎后弓上的滑动，增强系统稳定性。缘中点，平行对侧椎板方向并稍向后偏拧入椎板万向螺钉，根据患者寰枢椎解剖位置对寰椎一体式椎板钩连接杆部稍向后向内进行预弯，将寰椎一体式椎板钩自上而下钩住寰椎后弓前上方，下端连接杆部置入枢椎椎板万向螺钉滑槽内，对寰枢椎后侧附件适当加压，同时锁紧枢椎椎板钉螺帽，平行剪断多余部分连接杆部。如此，一体式椎板钩可较分离式椎板钩减少挂钩部连接钛棒和锁紧螺帽的操作。对于有寰椎前脱位的患者，可通过较大角度向后弯棒，将脱位的寰椎提拉复位。

1.2 实验方法

该生物力学测量数据由上海交通大学生物力学实验室测定，通过对6具新鲜人尸体颈椎标本分别进行完整、失稳、Harms技术固定和两种非对称内固定等5种状态下的三维运动范围（Range Of Motion，ROM）的测量，以经典内固定方式Harms技术为标准进行比较，评价两种非对称内固定系统的生物力学性能，以指导临床应用。

先将6具制备好的标本进行三维ROM测量，结果记为完整组（A组，n=6）；然后破坏齿突基底部和寰椎横韧带等韧性结构，测量三维ROM，结果记为失稳组（B组，n=6）；然后6具标本按先后分别行三种内固定方式置入，分别是：（1）两侧寰椎侧块螺钉联合枢椎椎弓根螺钉（Harms技术），三维ROM测量，结果记为Harms组（C组，n=6）；（2）寰椎椎弓根钉+枢椎一侧椎板钉、另一侧椎弓根钉，三维ROM测量，结果记为混搭1组（D组，n=6）；（3）一侧寰椎一体式椎板钩+枢椎椎板钉，另一侧寰椎侧块螺钉+枢椎椎弓根螺钉，三维ROM测量，结果记为混搭2组（图2）（E组，n=6）。

图1 寰椎一体式椎板钩

1.1.2 操作方法 手术显露寰椎后弓和枢椎椎板后，经优势椎动脉侧枢椎椎板与棘突交界处的上下

图2左侧寰椎一体式椎板钩+椎板钉/右侧寰枢椎椎弓根螺钉

生物力学测试用脊柱拉扭复合生物力学试验机进行，先将2个不共线标记物固定于C1-2前方，后对标本施加2.0 Nm力矩，使其分别做前后屈伸、左右侧屈、轴向旋转等6个方向运动。三维光学运动捕捉系统捕捉标记物的空间位置并进行坐标变换和数据计算，得出每次寰枢椎椎间的三维ROM。每次测试进行3次加载/卸载循环，第3次循环时进行力学测量，以减少颈椎粘弹性影响。操作中小心轻柔，避免破坏标本。测试中间断生理盐水喷洒标本，使其保持湿润和良好粘弹性。测试环境温度27℃，湿度60%-80%。未测量标本-20℃下保鲜膜密封保存，测试前常温下自然解冻8小时。

1.3 统计学方法

所得数据应用SPSS 19.0软件进行统计分析，计算5种不同模式下的三维ROM，采用方差分析进行比较，统计检验的显著性设定为α=0.05。

2 结果

各组测试结果及方差分析结论见表1a、表1b、图3、4、5。A组各项与B、C、D、E组相比有统计学差异（P＜0，05）；B组各项与C、D、E组相比有统计学差异（P＜0.05）；C组、D组、E组各项相比无明显统计学差异（P＞0.05）。

试验结果显示：失稳组ROM较完整组显著增加，内固定后ROM显著减小，三种内固定组中：寰椎侧块螺钉联合单侧枢椎椎板螺钉+对侧枢椎椎弓根螺钉固定组在旋转和侧屈方向上具有最小的ROM，双侧寰椎侧块螺钉联合枢椎椎弓根螺钉内固定组在屈伸运动方向上有最小的R0M。一侧寰椎一体式椎板钩+枢椎椎板钉联合对侧寰椎侧块螺钉+枢椎椎弓根螺钉内固定组ROM在旋转、侧屈以及屈伸方向上均较另外两组大，但差异均无统计学意义。

表1a 各组寰枢椎间的三维运动范围（ROM）测试结果（±s，°，n=6）

表1a 各组寰枢椎间的三维运动范围（ROM）测试结果（±s，°，n=6）

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表1b 各组生物力学测试结果方差分析P值

3 讨论

3.1 后路内固定技术的发展

自1910年第一例寰枢椎内固定手术报道至今，越来越多的后路寰枢椎内固定技术相继出现，但都有各自的优缺点。后路钢丝/钛缆捆绑技术、椎板夹技术由于生物力学稳定性差、植骨融合率低以及脊髓损伤等原因已不为临床单独运用[1]。后路钉棒技术生物力学稳定性良好，植骨融合率高[2，3]，被认为是上颈椎后路手术的金标准，但有脊髓损伤、VAI等风险[4]。近年报道的枢椎椎板螺钉技术，可术中直视下置钉，完全避开横突孔，不损伤枢椎节段椎动脉，生物力学研究显示其与椎弓根螺钉具有相同的力学稳定性[5]，41例的长期随访研究报道（6个月～8年，平均21个月），除1例失访，1例非相关疾病死亡以外，剩余的39例均获得100%的植骨融合，且无神经、血管损伤等并发症发生[6]。倪斌等提出的钉钩技术，生物力学研究显示其寰椎椎板钩与Magerl螺钉组合能提供较Magerl+Gallie组合更好的生物力学稳定性，19例1年随访研究显示获得良好疗效[7]；13例由寰椎椎板钩组合枢椎椎弓根螺钉固定的长期随访研究报道，显示其获得100%的植骨融合率，且无血管、神经损伤和断钉断棒等并发症[8]。

3.2 椎动脉优势（VAD）与新内固定组合

有研究显示超过50%的人存在椎动脉优势（Vertebral Artery Dominance，VAD）[9]，甚至单侧椎动脉发育不良（Vertebral Artery Hypoplasia，VAH）或未发育（Vertebral Artery Occlusion，VAO），其可无症状，也可见于颈性眩晕、脑桥梗死等病患。通常左侧直径大于右侧[10，11]，左、右侧优势比为：46.5%vs 22.4%[12]。目前关于左侧VAD较高的原因普遍存在两种观点：（1）椎动脉解剖学上起源不同[13]；（2）左侧椎动脉承受较高的剪切力[14]。目前无统一的诊断标准，故其发病率各报道均不同。研究显示此类患者中优势侧VAI所导致的脑干缺血，其死亡率高达75%-86%[15]。若病人颅底Willis环完整，大脑前部血流尚可通过交通支代偿后部血供，然而只有50%的患者Willis环完整，其余的患者面临的将是致命性的打击[16]。因此对于需行寰枢椎后路内固定手术合并VAD的患者，优势侧VAI丝毫不容发生。

虽然枢椎椎弓根较下颈椎椎弓根更宽厚，其椎弓根螺钉的置入通常也更安全。然而，尸体标本研究显示：20%的枢椎椎弓根有效直径小于3.5 mm，不能置入椎弓根螺钉[17]。技术上，即便是在计算机辅助导航的帮助下也不能保证100%的准确置钉[18，19]，故对于此类变异的患者，VAD侧行Magerl技术或Harms技术固定均不够安全。Takeshi Matsubara等个案报导，对一侧VAO的患者，在C2优势动脉侧使用椎板钉技术（即本研究中的混搭1组，D组），意图在于避免枢椎节段优势侧VAI，6月后患者获得骨性融合，无任何血管、神经并发症[20]。Joseph Gorek等运用6具新鲜尸体对此内固定组合进行生物力学研究，将之与Harms技术进行比较，结果显示两者生物力学稳定相似，与本文研究结果相吻合[5]。尽管枢椎椎板钉的应用已能避免枢椎节段椎动脉的损伤[5]，但寰椎置钉，同样不能保证100%的准确性[18，19]。故本研究认为对于此类患者，可予优势侧行寰椎椎板钩+枢椎椎板钉固定，对侧组合C1侧块+C2椎弓根螺钉固定，如此可将寰椎节段优势侧的VAI降到最低。

3.3 新内固定系统的优缺点

本研究在总结现有内固定系统优缺点及寰枢椎节段椎动脉常见变异的基础上，将寰椎椎板钩与枢椎椎板螺钉进行组合，对侧搭配寰椎侧块螺钉+枢椎椎弓根螺钉进行离体生物力学研究。实验证实此内固定系统生物力学稳定性良好，虽然只有两点固定，但其三维运动范围（ROM）与经典内固定技术并无显著的统计学差异。该内固定系统术中需根据患者VAD侧来决定寰椎一体式椎板钩+枢椎椎板钉的安置方向。另外，也可通过向后较大角度预弯连接棒部，对寰枢椎后侧附件适当加压，同时锁紧枢椎椎板钉螺帽，如此可对寰椎进行提拉复位。此内固定系统可完全避开一侧寰、枢椎横突孔，将一侧VAI的几率降到最低，对于合并VAD乃至一侧椎动脉变异的上颈椎疾病患者具有重要的意义，是一种个体化的手术方案，值得临床推广运用。但尚不适用于寰椎后弓先天缺如及骨折的患者，对于难复性寰枢椎脱位的患者宜先行前路松解，另外，目前尚缺乏临床研究报道。

图3 各测试组轴向旋转运动范围（均值、标准差，

图4 各测试组轴向旋转运动范围（均值、标准差，*显示与标准组Harms组有显著性差异）

图5 各测试组前后曲伸运动范围 （均值、标准差，*显示与标准组Harms组有显著性差异）

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