枕颈区后路柔性动态固定的生物力学研究

2022-06-06童杰季伟黄志平周若舟房佐忠朱青安

中国临床解剖学杂志 2022年3期

童杰，季伟，黄志平，周若舟，房佐忠，朱青安

1.南方医科大学南方医院脊柱骨科，广州 510515；2.南方医科大学第一临床医学院附属郴州医院（郴州市第一人民医院）脊柱外科，湖南郴州 423000

枕颈区在解剖结构和运动形式上不同于脊柱其他部位，具有一定的特殊性。枕颈区疾病分类复杂，影响治疗的因素诸多，目前常用的手术治疗方案是枕颈融合术，是以坚强固定融合为目标。柔性和动态固定是新的脊柱固定形式，其设计原理是通过控制手术节段的运动而达到稳定[1,2]，为固定节段和邻近节段创造一个理想的力学环境[3～6]。柔性和动态固定技术在治疗下颈椎和腰椎退行性疾病的效果已得到肯定[7～15]，其治疗的最终目的是达到动态融合或者非融合的动态固定。柔性和动态固定技术能否在枕颈区后路手术中取得有效的稳定，缺乏相关研究。本研究拟将不同的柔性和动态固定方式应用于枕颈区这一特殊的解剖区域，通过生物力学实验的方法，阐明柔性和动态固定对枕颈区的稳定作用，比较不同的柔性和动态固定的生物力学特点，探讨枕颈区后路固定可能的新方法。

1 材料和方法

1.1 内固定器械

本实验中使用的普通椎弓根螺钉、转动钉直径均为3.5 mm，长度22～26 mm；钛棒直径为2.0 mm 和3.5 mm，材料为Ti-6Al-4V 钛合金。转动钉在普通万向椎弓根螺钉基础上，通过打磨钉尾部的连接垫圈（Ballin-cup），实现在螺帽锁紧之后钉棒间的转动，可转动角度范围是15°，螺帽锁紧后能限制钉棒之间的平行移动（图1～3）。

1.2 实验标本、手术方法及损伤模型制备

本实验采用6 例新鲜全脊柱标本（湘南学院解剖教研室提供），用双层塑料袋密封放置于-20 ℃低温冰箱中保存。实验前行正侧位X 线检查排除标本存在任何畸形、骨折、结核、肿瘤等病变情况。使用双能X线吸收仪对每具标本的腰2、3、4 椎体节段进行骨密度检查，排除骨质疏松（T＜－2.5T）的标本。实验前6小时左右将标本置于室温下解冻，取枕骨（Oc）～C4节段，剔除肌肉组织，保留韧带和关节囊。将枕骨修剪成8 cm×8 cm 大小，距离边缘1cm 处钻孔，沿不同方向拧入8 枚长木螺钉，C4下端垂直拧入3 枚木螺钉。为方便试验操作及置入内固定器械，将标本倒置，枕骨朝下，采用牙托石膏粉包埋C4椎体下半部分和大部分枕骨，预留出C3侧块螺钉置钉的通道和枕骨固定板的放置空间，注意勿将寰枕关节和C3/4椎间盘包埋进入牙托石膏中。在完成完整状态的测试之后，用骨刀切断枢椎齿状突腰部，尖刀片切断寰枕前膜、齿突尖韧带、翼状韧带，制成损伤模型。寰椎固定采用谭明生的椎弓根螺钉置入法[16]；枢椎固定采用椎弓根螺钉，进钉点位于椎板上缘以下5 mm，椎管内侧缘偏外7 mm；进钉方向头倾20°，内倾30°；C3固定采用Magerl 技术置入侧块螺钉，进钉点位于侧块中心点内上方2 mm，向外倾斜20°～25°，矢状面上与关节面方向平行。在枕骨中线上选择合适位置，钻孔、攻丝后拧入两枚枕骨螺钉，将枕骨板固定于枕骨上。将直径2.0 mm 和3.5 mm 的钛棒预弯成合适的角度，依次连接枕骨固定板、寰椎和枢椎椎弓根螺钉和C3侧块螺钉，完成枕颈节段固定。固定状态下行X 线检查，证实内固定位置满意，见图4。

1.3 测试顺序

本实验采用重复测量设计，每例标本先在完整状态下测试，后进行损伤状态测试，然后测试枕颈节段不同固定状态，分别是2.0 mm 棒、3.5 mm 棒、C1转动钉2 枚、C1、2转动钉4 枚、C1～3转动钉6 枚固定。因测试状态较多，试验过程中需更换螺钉，为排除骨螺钉界面松动造成的影响，在每次更换螺钉时，采用超硬型齿科用义齿基托树脂进行钉道强化。同一状态的测试中，屈伸、侧弯和旋转3 个不同运动方向的测试顺序设为随机。同一具标本在24 h 内完成测试。

1.4 加载方式、运动学测量

采用自主研制的脊柱试验机对标本分别施加连续的1.5 Nm 的前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转的纯力偶矩各3 次，加载速度为2°/S。实验过程中保持室温25 ℃，使用生理盐水喷洒标本表面，保持标本湿润状态。

采用加拿大NDI 公司生产的Optotrak Certus 三维运动测量系统进行运动测量，精度为0.1°。在枕骨、C1～3椎体后部水平钻入直径2.0 mm 克氏针4 根，连接装有4 个红外线标志点的标尺。测试过程中采用2 台互相垂直放置的Optotrak 三维运动测量系统连续采集标志点运动，确保寰枢椎大角度旋转运动时，标志点运动轨迹在Optotrak 三维运动测量系统的采样范围之内，采样频率为20 Hz。分析第3 个加载循环时，枕骨至C3椎体间的角度运动范围和中性区。

1.5 统计学处理

侧弯和旋转运动左右方向上基本对称，故采用左右侧弯和左右旋转的均值进行统计分析。采用Statistica 7.1 统计软件的重复测量方差分析进行统计学处理，组间比较采用SNK 法(Student-Newman-Keuls)，运动范围及中性区用均数±标准差（）表示。显著性水平置于P＜0.05。

2 结果

2.1 运动范围（ROM）

2.1.1 细棒固定与完整和损伤状态比较，采用3.5 mm 直径的坚强固定，与2.0 mm 直径的细棒固定后，在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围（P＜0.05）。细棒固定后在各个方向上的运动范围均大于坚强固定，两组比较有显著性差异（P＜0.05），提示细棒固定整体上弱于坚强固定（表1）。

表1 Oc～C3节段运动范围() °Tab.1 ROM of Oc～C3 (Mean±SD) °

注：#与坚强固定比较P＜0.05Note:# P＜0.05,compared with rigid fixation

2.1.2 转动钉固定与完整和损伤状态比较，采用不同数量配置的转动钉固定后，在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围（P＜0.05）。与坚强固定比较，C1～3使用6 枚转动钉固定在旋转方向上明显增加了Oc～C3运动范围，差别有统计学意义（P=0.031）。在其他方向上，不同数量配置的转动钉固定后，与坚强固定比较，运动范围的差别无统计学意义（P＞0.05）（表1）。

2.2 中性区（NZ）范围

与完整和损伤状态比较，采用3.5 mm 直径的坚强固定，2.0 mm 直径的细棒固定与2 枚、4 枚、6 枚转动钉固定后，在屈伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的中性区（P＜0.05）。各种固定方式其中性区范围均小于0.4°，各种固定方式之间两两比较，均无显著性差异（P＞0.05）（表2）。

表2 Oc～C3节段中性区() °Tab.2 NZ of Oc～C3 (Mean±SD) °

2.3 不同固定方式对枕颈区排列的影响

本部分比较了在不同的固定方式下，各节段的运动与总体运动范围的比值，来评价各固定方式对枕颈区排列的影响。在旋转方向上，完整及损伤状态的C1～C2节段的运动范围占总体运动范围的比例最大。在前屈、后伸、侧弯方向上，采用不同数量配置的转动钉固定，各节段运动范围基本相当。在旋转方向上，采用细棒固定，各节段运动范围基本相当（图6）。

3 讨论

3.1 细棒固定对枕颈区的影响

前期研究显示在寰枢关节短节段固定中，直径2.0 mm 的细棒固定整体上取得了与坚强固定基本相当的效果。但细棒固定后，可能将应力集中在棒上，导致断棒的可能性增加[17]。本部分研究直径2.0 mm的细棒在枕颈节段（Oc-C3）的固定效果，共跨越3 个关节。结果显示：2.0 mm 直径的细棒固定后，在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围；但与坚强固定比较，运动范围明显增大，差别有统计学意义，提示细棒固定整体上弱于坚强固定。

棒的直径、材料、长度、形状和数量均影响棒固定后的稳定性。棒的长度越长，在相同作用力之下，弯曲后一端移动的距离越大，导致其稳定性也越差。在寰枢椎短节段固定时，细棒固定的稳定性与坚强固定基本相当，当枕颈跨越3 个关节长节段固定后，细棒固定在各个方向虽然明显减小了固定节段的运动范围，但稳定性均弱于坚强固定。理论上，2 根平行放置的棒组合应该能增大在同平面上稳定性（如Twinflex[18]），本研究中使用的2 根细棒在侧弯方向上应能取得更大的稳定，但结果并不支持。枕颈区运动形式相当复杂，耦合运动非常明显，在枕颈区后路大角度弯棒之后，影响因素更加难以确定。因此，临床上将细棒折弯并用于枕颈区后路长节段固定时，稳定性明显弱于坚强固定，需谨慎使用。

3.2 转动钉固定对枕颈区的影响

本研究结果表明：C1～C3节段采用不同数量的转动钉固定后，在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围和中性区。C1、2使用2 枚和4 枚转动钉固定时，在固定节段的两端枕骨和C3均是采用坚强固定的形式，整体上取得了与坚强固定基本相当的稳定效果。C1、2、3使用6 枚转动钉是在枕骨采用坚强固定，下端采用动态固定，与坚强固定比较，在旋转方向上明显增加了Oc-C3的运动范围，差别有统计学意义，提示旋转方向上稳定性欠佳，但在前屈、后伸、侧弯方向上均取得与坚强固定相当的固定效果。

在多节段固定后，我们比较了不同固定方式中每一节段的运动占总体运动的百分比。在不同数量配置的转动钉固定时，各节段之间的运动范围比例更加均衡合理，能够改善多节段固定时脊柱的排列，减少因某一节段过度运动带来的应力集中，从而减少内固定失败的发生几率。

本研究结果提示，在脊柱多节段固定时，在每一节段均采用坚强固定，与两端采用坚强固定，中间节段采用动态固定的组合形式，整体上取得了基本相同的固定效果。“强-强”组合与“强-弱”组合在维持脊柱的稳定性方面效果基本相当，弱化的结构可能有助于改善脊柱的序列，增加脊柱的载荷分享，减少内固定的承载，减少螺钉松动和钉棒断裂的可能。

已有研究表明在L5～S1采用坚强固定结合L4～5动态固定的混合固定形式，在腰骶段形成过渡的刚度，对上方邻近节段的影响与坚强固定是基本相当的[19]。在本研究中，C1、2、3使用6 枚转动钉固定在前屈、后伸、侧弯方向上均取得与坚强固定相当的固定效果，仅在旋转方向上运动范围有所增加，这种弱化一端的固定形式是否可以减少对下方邻近节段的干扰，减少邻椎病的发生，有待于进一步的深入研究。

3.3 动态固定与动态融合

传统的坚强固定模式可以取得较好的术后即刻稳定性，但在融合过程中，因为过高的刚度和应力遮挡，可能导致不融合或者内固定失败。我们前期的研究发现，颈椎前路动态固定钢板比坚强固定钢板取得了更高的整体稳定性。动态固定钢板能够更好的适应融合节段的下沉，增加脊柱前柱的载荷分享，促进植骨融合，减少螺钉松动的发生，取得了比坚强固定更好的远期效果[20]。同样，将Isobar 动态固定棒用于腰椎后路融合手术，取得较好的固定和融合的效果[21]。我们认为在枕颈区的动态固定首先要能够提供足够的稳定性，保证更高质量的植骨融合，其次是最大程度减少坚强固定带来的应力集中与应力遮挡效应，减少内固定相关并发症。我们的研究结果表明不同数量配置的转动钉固定在主要运动方向上能够维持稳定，改善脊柱的排列。关于动态固定促进骨融合的效果，进一步需要通过体内试验来验证。蒋伟宇等[22,23]研制了一种新型寰枢椎后路动态固定系统能够重建寰枢关节的稳定性，保留寰枢椎的部分运动功能，为寰枢椎非融合固定提供了一种新的选择。