仿生人工寰齿关节的研制与解剖学研究*

臧全金 李浩鹏 贺西京* 董军 杨平林

论著·实验研究

仿生人工寰齿关节的研制与解剖学研究*

臧全金 李浩鹏 贺西京* 董军 杨平林

目的 研制保留寰枢椎各方向活动的仿生人工寰齿关节，探讨其可行性。方法采集30例正常寰枢椎CT数据，用Mimcs 15.0软件三维重建，测量相关解剖学参数，进行统计分析。根据解剖数据设计保留寰枢椎各方向活动的仿生人工寰齿关节。在10具新鲜尸体标本上模拟关节置换术，X-ray及CT检查关节及螺钉位置。结果寰椎侧块中点间距离为（32.53±1.38）mm，侧块中点处高度为（13.48±1.60）mm，椎动脉孔内侧缘间距离为（51.12±2.31）mm，侧块横韧带结节间宽度为（16.23±1.01）mm，前结节至齿状突后缘间距离（18.48±1.77）mm；枢椎：齿状突高度（14.82±1.81）mm，基底部横径（9.53±0.65）mm，前后径（10.91±0.91）mm，椎体高度（19.33±1.77）mm，椎体宽度为（18.19±1.59）mm。人工关节由寰椎部件、枢椎部件及螺钉组成；钢板与骨质贴合好，脊髓未受压，螺钉方向准确；关节置换后寰枢椎的屈伸、侧屈及旋转功能得以保留。结论依据解剖学数据设计的仿生人工寰齿关节匹配性好；寰枢椎在关节置换后不仅能够维持稳定性，还能够保留各方向活动；此关节具有临床置换的可行性。

寰椎齿状突关节；人工关节；解剖学

寰枢椎疾病导致脊髓腹侧受压时，可出现头颈部疼痛，四肢感觉运动障碍，严重时出现高位截瘫、呼吸困难，甚至危及生命。临床常用齿状突切除术或融合固定术治疗；但齿状突切除术后寰枢椎不稳[1,2]；融合固定术[3]后寰枢椎活动度丧失，邻近节段椎体间退变加速[4]。因此为了既能重建寰枢椎之间的稳定性，又保留其活动度，包括屈伸、侧屈及旋转功能，作者通过CT测量寰枢椎的解剖学数据，并研制出了一种仿生人工寰齿关节（发明专利，中国，专利号ZL 2014 1 0082869.5），通过模拟手术取得了满意的效果。

1 材料与方法

1.1 标本采集及数据采集

1.1.1 标本采集

10具新鲜尸体头颈部标本（枕骨至颈3椎体）自西安交通大学医学部解剖教研室获得，均为成年人，其中男性9名，女性1名，年龄24～41岁，平均33岁。去除肌肉，保留韧带及关节囊，双层塑料袋密封，放入超低温冰箱中保存。20名健康成年志愿者，男性11名，女性9名，年龄21岁至59岁，平均42岁。

1.1.2 数据采集

检查前取出尸体标本常温解冻，所有标本及志愿者X线检查正常后行CT扫描，层厚0.5 mm，保存图像数据文件。打开Mimics15.0软件，File---New projectwizard，找到数据文件夹，选择后点击Next---Conver重建三维图像，选择Measurements---Measure Distance/Measure Angle测量不同指标数值。每个数值测量三次，取平均值；有双侧数据的指标分别测量三次，取其均值。

1.2 寰枢椎测量指标

所有数据使用SPSS15.0软件进行统计学处理，有双侧对称指标的双侧数值应用配对检验，<0.05为有统计学意义；测量结果采用（±s）表示。

1.4 人工寰齿关节

1.4.1 关节设计

1.4.2 仿生人工寰齿关节置换术

走进湖北凯利板业有限公司，4座原料仓库里，整齐地堆放着捆扎好的稻草秸秆，叉车来回往返，将稻草秸秆送到生产线进料口。生产车间内，马达轰鸣、机器旋转，10多名工人操作着这条流水作业生产线。不到50分钟时间，经过备料、纤维分离、施胶施蜡、纤维干燥、成型热压等工序，在生产线尽头成了绿色环保型的秸秆板材被源源不断地“吐”了出来。

1.4.3 关节置换术后观察指标

关节置换术后标本分别行X线及CT扫描，观察寰椎、枢椎弧形板与寰椎侧块及枢椎椎体前方贴合情况；观察寰枢椎杵窝关节组配情况；观察寰枢椎螺钉钉道与骨质组合情况。活动寰枢椎观察寰枢椎之间活动性，并观察屈伸、侧屈时有无关节脱位。

2 结果

2.1 寰枢椎解剖测量结果

双侧对称数据配对检验无统计学差异。

表1 寰枢椎解剖测量结果

2.2 仿生人工寰齿关节设计数据如下：

弧形侧翼板厚度2 mm，高度10.9 mm，宽度38 mm，螺钉孔中心点距离33 mm，螺钉孔为锁定螺钉孔，角度为向外10°预留为3.5 mm螺钉孔；中间圆台下方直径15 mm，顶端直径13 mm，外侧高度13.4 mm，内侧杵窝深度10.9 mm外侧圆台角度10°，杵窝内圆台角度20°，顶端球窝直径11 mm；球头直径10.7 mm，下方圆台直径10.7 mm，高度11.7 mm，弧形板宽度18.3 mm，高度22.5 mm；弧形板与圆柱体之间角度：后方125°，前方156°；枢椎弧形板下方圆弧形为直径18.3 mm半圆形。

图1 仿生人工寰齿关节示意图及关节实体图。A关节设计前后位示意图；B关节设计后前位示意图；C关节设计俯视及仰视示意图；D关节设计正中矢状位剖面示意图。E关节组成实体图。

2.3 模拟手术结果

10具标本均顺利完成关节置换。术后X-ray、CT显示寰椎、枢椎弧形板与寰椎侧块及枢椎椎体前方贴合良好，无大的空隙；寰椎侧块螺钉位置满意；枢椎螺钉均位于枢椎内；枢椎球头位于寰椎杵窝关节中间，无偏移。置换术后活动寰枢椎可见两者之间保留少量的屈伸及侧屈活动，并保留了较大的寰椎旋转功能；活动时未见关节脱位发生（彩图见插页）。

图2 人工关节模拟置换手术及术后影像学资料。A新鲜尸体标本，截取枕骨-颈3区域；B模拟齿状突切除术后；C人工关节置换术后，关节位置及大小合适；D关节置换术后正位X线显示关节位置良好；E关节置换术后侧位X线显示螺钉位置满意，关节与骨贴合良好；F关节置换术后冠状位CT重建可见杵窝关节位置良好，寰枢椎螺钉位置满意；G关节置换术后轴位CT重建可见杵窝关节位置良好，寰椎螺钉位置满意。

3 讨论

寰枢椎之间由寰椎齿状突关节、双侧侧块关节及后方的肌肉韧带连接，能完成屈伸、侧屈、旋转等活动；其中旋转为寰枢椎之间主要的活动，为45°～72°，约占整个颈椎旋转活动度的50%；屈伸10°～30°，侧屈1°～20°；而融合术后颈椎屈伸、侧屈及旋转活动大大降低，同时整个颈椎的活动度也显著降低[5]，严重影响患者日常生活；且融合术后邻近节段会发生应力性退变，导致老化加速。而非融合技术能够在稳定的前提下保留脊柱的活动度[6]，成为研究的热点。本研究即为在非融合技术理念下设计而成。

3.1 仿生人工寰齿关节设计特点

仿生人工寰齿关节形态上与正常寰椎齿状突关节类似，且保留寰枢椎之间的各方向活动，能够从形态及功能上进行仿生，保留正常活动，提高患者生活质量，且易于被患者接受。

寰枢椎的活动以旋转为主，及一定的屈伸、侧屈。寰枢椎活动时存在瞬时旋转轴，旋转中心位于寰椎齿状突关节处，活动时旋转中心不断变化能够有效降低应力；陆斌[7]、胡勇等[8]设计的人工寰齿关节仅保留了旋转功能，将瞬时旋转轴完全固定在轴心位置；颈部在侧屈及屈伸活动时人工寰齿关节应力相对集中，长时间的活动可能会导致内固定物疲劳断裂或螺钉拔出。本研究设计了杵窝关节，能够保留寰枢椎之间的屈伸、侧屈活动，且预留角度符合寰枢椎的活动度，活动时瞬时旋转轴可以改变，能够有效分散应力，减少了齿状突、螺钉发生松动、断裂及脱出的发生几率；而寰椎及枢椎角度锁定螺钉的设计能够增加固定的把持力，减少内固定物拔出的风险；枢椎基底部与弧形板交界处增厚设计能够降低应力集中可能导致的交界处疲劳断裂。

寰椎翼状板与枢椎弧形板均为解剖弧形设计，分别与寰枢椎前方弧形相配，能够有效地增加内植物与骨接触面积；而接触面羟基磷灰石的涂层设计能够增加骨长入的几率；枢椎圆柱底部锯齿状结构的设计能够增加骨与关节接触面积，增加骨长入的可能性；三种因素能够有效维持其关节稳定性。

在关节屈伸及侧屈活动时，齿状突在杵窝关节内进行以球窝顶端为中心的角度变化，能够有效地限制枢椎的位置，使脱位寰枢椎复位，并且保留活动度；且杵窝有一定的深度，能够有效避免脱位的发生。

根据解剖数据设计的杵窝能够保证位于横韧带前方，避免了人工关节对脊髓的压迫；寰枢椎螺钉位置满意，钢板与骨质贴合良好，表明人工关节设计形态良好，能够很好地符合正常生理状态。

3.2 仿生人工寰齿关节置换的可行性

经口咽入路能够更方便地直接治疗上颈椎腹侧病变，如直接去除脊髓压迫，清除病灶，或手术前路松解、固定等。但经口咽入路部位特殊，口腔内存在多种细菌，所以很多医生担心伤口感染率。曾有文献报道[9]经口咽手术后感染率为50%，但王超[10]及金明熙等[11]报道口咽部手术后伤口感染率为零，只要在手术前进行充分的口腔准备，彻底消毒，减少手术中的创伤，术后加强护理能够降低口咽部感染的几率。多篇文献报道了经口咽操作的解剖学数据，艾福志等[12]研究提出寰椎可显露宽度36.2～42.7 mm，平均39.0±2.0 mm，；陆斌等[7]研究指出单侧椎动脉至寰椎中线距离为20.4～29.7 mm，平均25.6±2.2 mm，本研究中两侧椎动脉孔内侧缘距离为51.12±2.31 mm，所设计寰椎部件宽度为38 mm，能够有效地避免的椎动脉的损伤，并且可以在良好的显露下置入；陆斌等研究枢椎可显露宽度为36.5～42.6 mm，平均39.3±2.1 mm，本关节设计宽度为18.3mm，能够安全置入，具有置换的可行性。

3.3 人工寰齿关节的适应症

仿生人工寰齿关节能够在前路减压复位的同时，重建寰枢椎之间的稳定性，保留寰枢椎之间的活动度，但并非所有的寰枢椎疾病均能使用。笔者认为仿生人工寰齿关节适应症如下：陈旧性寰椎横韧带断裂、陈旧性Ⅱ型齿状突骨折、游离齿状突畸形所致寰枢椎不稳/脱位；类风湿性关节炎、先天性寰枢椎畸形所致寰枢椎节段脊髓腹侧受压，或合并脱位不稳；寰椎前弓或齿状突肿瘤需要切除前弓或齿状突的患者；颅底凹陷症等无法从后路完成减压，需要前路松解或齿状突切除的患者。

4 结论

依据解剖学数据设计的仿生人工寰齿关节匹配性好，形态上符合寰枢椎解剖；关节置换后不仅能够维持稳定性，还能够保留屈伸、侧屈及旋转各方向活动；仿生人工寰齿关节置换术安全、可行。

[1]Tubbs RS，Demerdash A，Rizk E，et al.Complications of transoral and transnasal odontoidectomy:a comprehensive review[J].Childs Nerv Syst，2016，32(1):55-59.

[2]Chang PY，Yen YS，Wu JC，et al.The importance of atlantoaxial fixation after odontoidectomy[J].J Neurosurg Spine，2016，24(2): 300-308.

[3]Yin QS，Wang JH.Current trends in management of atlantoaxial dislocation[J].Orthop Surg，2015，7(3):189-199.

[4]玉超杰，梁斌，丘德赞，等.颈椎融合术后邻近节段退变的相关影响因素[J].中国脊柱脊髓杂志，2016，26(6):494-501.

[5]Du JY，Aichmair A，Kueper J，et al.Biomechanical analysis of screw constructs for atlantoaxial fixation in cadavers：a systematic review and meta-analysis[J]，J Neurosurg Spine.2015，22(2): 151-161.

[6]廖振华，刘伟强.颈椎融合术与非融合术生物力学研究进展[J]，生物医学工程学杂志，2016，33(1):171-176.

[7]陆斌，李广琪，李建武，等.寰椎齿状突人工关节经口咽入路置换的解剖学研究[J]，中国骨与关节损伤杂志，2008，23(11):887-889.

[8]胡勇，张美超，赵红勇，等.人工寰齿关节置换后各寰枢椎部件生物力学性能的有限元分析[J]，中国矫形外科杂志，2013，28(9): 801-803.

[9]胡有谷，党耕町，唐天泗.脊柱外科学[M]，北京：人民卫生出版社，2000，203-211.

[10]王超，党耕町，刘忠军.前路经枢椎体寰椎侧块螺钉固定术[J]，中华骨科杂志，1999，19(8):457-459.

[11]金明熙，谢林，李小川，等.经口咽入路行上位颈椎手术[J]中国脊柱脊髓杂志，2001，11(1):12-15.

[12]艾福志，尹庆水，王智运，等.经口咽前路寰枢椎复位钢板内固定的外科解剖学研究[J]，中华外科杂志，2004，42(21):1325-1329.

Design of a bionic artificial atlanto-odontoid joint and its anatomic study

Zang Quanjin,Li Haopeng,He Xijing,et al.The second orthopaedics department of the second affiliated hospital, Xi'an Jiaotong University,Xi'an Shaanxi,710004,China

Objective To design a bionic artificial atlanto-odontoid joint,which can keep the motion of the atlantoaxial axis in all directions,and explore the feasibility of its clinical use.Methods 30 cases of normal atlantoaxial CT data were collected and reconstructed with Mimcs15.0 software.The anatomical parameters were measured and statistically analyzed.Design the joint to retain the activities of all directions according to the anatomical data.Joint arthroplasty were performed on 10 fresh cadaver specimens；X-ray and CT were performed to evaluate joint and screws’placement. Results The distance between the midpoint of the atlas lateral mass was（32.53±1.38）mm,the height of the lateral mass was（13.48±1.60）mm,the distance between the medial margin of the vertebral artery hole was（51.12±2.31）mm,the width of the lateralmass was（16.23±1.01）mm,the distance between the anteriortuberosity and the posterior margin of the odontoid process was（18.48±1.77）mm.The axial height of odontoid process was（14.82±1.81）mm, the basal diameter was（9.53±0.65）mm,the anteroposterior diameter was（10.91±0.91）mm,The vertebral height was（19.33±1.77）mm and the vertebral width was（18.19±1.59）mm.The artificial jointis composed ofatlas components, axial components and screws.After operation,the plate and bone are in good condition.The spinal cord is notcompressed and the directions of screws were well.The function of flexion,extension and rotation of the atlantoaxial joint can be preserved after joint replacement.Conclusion The anatomical design of the bionic artificial atlanto-odontoid joint is fine; After the joint replacement，the atlantoaxial joint can not only maintain the stability,but also can keep the activities of all directions;This joint has the possibility of clinical replacement.

Atlantoaxial odontoid;Artificial joint;Anatomy

R314

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.03.001

swgk2017-03-00036

2017-03-02）

国家自然科学基金资助项目(编号：81571209)，陕西省自然科学

基金资助（编号2016JM8054），高等学校博士学科点专项科研基金资助（编号：20120201130009）

西安交通大学第二附属医院骨二科，陕西西安710004

臧全金（1982-）男，在职博士，主治医师。研究方向：脊柱外科。

*[通讯作者]贺西京（1958-）男，博士，主任医师。研究方向：脊柱脊髓损伤的基础与临床研究。