寰枢椎后路钉棒系统交叉棒固定及平行棒固定的生物力学稳定性

doi:10.12307/2022.684

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (18): 2801-2806.doi: 10.12307/2022.684

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

寰枢椎后路钉棒系统交叉棒固定及平行棒固定的生物力学稳定性

王大天1，邱锋2

1海南省中医院，海南省海口市 570000；2普宁华侨医院骨科，广东省普宁市 515300

收稿日期:2021-09-22 接受日期:2021-10-30 出版日期:2022-06-28 发布日期:2022-01-29
通讯作者: 邱锋，硕士，主治医师，普宁华侨医院骨科，广东省普宁市 515300
作者简介:王大天，男，1988年生，海南省定安县人，汉族，硕士，主治医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
海南省临床医学中心建设项目(琼卫医函[2021]276号)，项目参与人：王大天

Biomechanical stability of crossed-rod fixation and parallel-rod fixation of atlantoaxial posterior screw-rod system

Wang Datian1, Qiu Feng2

1Hainan Hospital of Traditional Chinese Medicine, Haikou 570000, Hainan Province, China; 2Department of Orthopedics, Puning Overseas Chinese Hospital, Puning 515300, Guangdong Province, China

Received:2021-09-22 Accepted:2021-10-30 Online:2022-06-28 Published:2022-01-29
Contact: Qiu Feng, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Puning Overseas Chinese Hospital, Puning 515300, Guangdong Province, China
About author:Wang Datian, Master, Attending physician, Hainan Hospital of Traditional Chinese Medicine, Haikou 570000, Hainan Province, China
Supported by:
Hainan Provincial Clinical Medical Center Construction Project, No. [2021]276 (to WDT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
寰枢椎不稳：创伤、感染、肿瘤、先天性和后天性的畸形都会导致寰枢椎不稳，使患者出现剧烈疼痛、活动障碍、神经损伤，甚至死亡。坚强的内固定是治疗寰枢椎失稳的有效方式。
平行棒固定：寰枢椎后路钉棒固定系统连接棒连接的一种常规方式，即为寰椎左侧螺钉连接枢椎左侧螺钉，寰椎右侧螺钉连接枢椎右侧螺钉。
交叉棒固定：寰枢椎后路钉棒固定系统连接棒连接的一种新型连接方式，即为寰椎左侧螺钉连接枢椎右侧螺钉，寰椎右侧螺钉连接枢椎左侧螺钉。

背景：前期研究证明交叉棒在由C1椎弓根螺钉与C2一侧椎弓根螺钉/另一侧椎板螺钉组成的寰枢椎后路钉棒系统中能增加其旋转稳定性。因此推测，寰枢椎后路交叉棒固定可能是一种简单有效的新型内固定结构框架，无论是在与C2双侧椎板螺钉还是双侧椎弓根螺钉组成的钉-棒系统中，交叉棒的连接方式与传统平行棒相比较，都可能进一步增强其结构的生物力学稳定性。
目的：评价C1双侧椎弓根螺钉分别和C2双侧椎弓根螺钉、C2双侧椎板螺钉组成钉-棒系统的生物力学稳定性。
方法：6例新鲜寰枢椎脱位标本，完成完整状态和失稳状态的测量后，每一例标本均置入C1双侧椎弓根螺钉、C2双侧椎板螺钉、C2双侧椎弓根螺钉，按顺序分别测量C2双侧椎板螺钉平行棒固定、C2双侧椎板螺钉交叉棒固定、C2双侧椎弓根螺钉平行棒固定和C2双侧椎弓根螺钉交叉棒固定的后伸前屈、左/右侧屈、左/右旋转活动度。
结果与结论：①4种内固定方式在屈伸、侧屈、旋转方向上，与正常状态下和失稳状态下相比较，差异均有显著性意义(P < 0.05)；②C2双侧椎弓根螺钉组成的钉-棒系统，无论是交叉棒还是平行棒连接方式，稳定性均强于由C2双侧椎板螺钉组成的钉-棒系统；③而交叉棒固定可增强由C2双侧椎板螺钉组成的钉-棒系统的后伸、左/右侧屈、左/右旋转的稳定性，以及由C2双侧椎弓根螺钉组成的钉-棒系统在旋转方向上的稳定性；④因此交叉棒固定方式可进一步提升寰枢椎后路钉棒系统的生物力学稳定性，可作为临床应用的选择。

https://orcid.org/0000-0001-6680-3824 (王大天)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 寰枢椎不稳, 寰枢固定, 交叉棒, 平行棒, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Preliminary study has shown that the crossed rod fixation of the short segment screw rod fixation system composed of C1 bilateral pedicle screws and C2 unilateral lamina screw can increase its axial rotation stability. Therefore, posterior atlantoaxial crossed rod fixation may be a simple and effective new internal fixation framework. Whether in the screw rod system composed of C2 bilateral lamina screws or bilateral pedicle screws, the connection mode of crossed rod may further enhance the biomechanical stability of its structure compared with the traditional parallel rod.
OBJECTIVE: To evaluate the biomechanical stability of the fixation technique for the crossed rod and parallel rod by the C1 bilateral pedicle screws combined with C2 bilateral lamina screws or bilateral pedicle screws.
METHODS: Six fresh adult craniocervical specimens were used to test the biomechanical stability. Following intact state and under destabilization testing, C1 bilateral pedicle screws, C2 bilateral lamina screws and bilateral pedicle screws were implanted in each specimen. The specimens were then tested in the following sequence: C2 bilateral laminar screws + parallel rod, C2 bilateral laminar screws + crossed rod, C2 bilateral pedicle screws + parallel rod, and C2 bilateral pedicle screws + crossed rod. The ranges of motion of the C1-2 segments were measured in flexion-extension, lateral bending, and axial rotation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The four fixed modes significantly increased stability compared with both the intact and destabilization group in flexion-extension, lateral bending, and axial rotation (P < 0.05). (2) When C2 was implanted with bilateral pedicle screws, whether crossed rod or parallel rod connection was stronger than that composed of C2 bilateral lamina screws. (3) The crossed rod fixation could enhance the stability of the internal fixation system composed of C2 bilateral lamina screws in extension, lateral flexion and rotation, and the stability of the screw rod system composed of C2 bilateral pedicle screws in the direction of rotation. (4) Therefore, crossed rod fixation can further improve the biomechanical properties of atlantoaxial posterior screw-rod system and can be used as a choice for clinical application.

Key words: atlantoaxial instability, atlantoaxial fixation, crossed rod, parallel rod, biomechanics

中图分类号:

王大天, 邱锋. 寰枢椎后路钉棒系统交叉棒固定及平行棒固定的生物力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(18): 2801-2806.

Wang Datian, Qiu Feng. Biomechanical stability of crossed-rod fixation and parallel-rod fixation of atlantoaxial posterior screw-rod system[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(18): 2801-2806.

图/表（结果） 5

完整状态组、失稳组、平行棒组(A1组、B1组)、交叉棒组(A2组、B2组)的三维运动活动度比较见表1。所有内固定方式在后伸、前屈、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6个方向稳定性均优于完整状态组及失稳组，两组间比较差异均有显著性意义(P < 0.05)。

2.1 屈伸方向活动度比较在后伸方向上，C1-2完整状态下的平均活动度为(10.49±0.74)°。双侧椎板螺钉组的平行棒固定(A1)和交叉棒固定方式(A2)与完整状态下的活动度比较，分别减少65.9%和79.5%。双侧椎弓根螺钉组的平行棒固定(B1)和交叉棒固定方式(B2)与正常状态下的活动度比较，分别减少73.8%和80.1%。从数值上来看，内固定方式的稳定性从大到小依次为B2>A2>B1>A1；其中A1和B1组间，以及A2、B1、B2组间相比较，差异均无显著性意义(P > 0.05)，而B2、A2和A1组比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见图7。

在前屈方向上，C1-2完整状态下的平均活动度为(9.61± 0.62)°。A1、A2、B1、B2 组与正常状态下的活动度比较，分别减少65.6%，73.4%，71.0%及76.7%；4种内固定方式组间比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见图7。
2.2 侧屈方向活动度比较在左侧屈方向上，C1-2完整状态下的平均活动度为(6.20±0.66)°。从数值上看，内固定方式的稳定性从大到小依次为 B2>A2>B1>A1，相对于完整状态下的活动度，分别减少76.1%，74.4%，71.3%及50.5%。B1、B2、A2 组间比较差异无显著性意义(P > 0.05)；而这3组与A1组比较，差异均有显著性意义(P < 0.05)，见图8。

在右侧屈上，C1-2完整状态下的平均活动度为(6.75± 0.67)°。内固定方式的稳定性从大到小依次为 B2>B1>A2>A1，相对于完整状态下的活动度，分别减少82.4%，80.7%，68.9%及54.1%。A1组的稳定性较B1和B2组差(P < 0.05)，A2、B1、B2 组间比较差异均无显著性意义(P > 0.05)，见图8。
2.3 旋转方向活动度比较在左旋方向上，C1-2完整状态下的平均活动度为(27.35±0.93)°；内固定方式的稳定性从大到小分别为 B2>A2>B1>A1，相对于完整状态下的活动度，分别减少96.8%，95.7%，93.4%及92.4%；B2 和 A2 组间相比，差异无显著性意义(P > 0.05)。A1组和B1组相比较，差异同样无显著性意义(P > 0.05)。而B2、A2组与A1、B1组间相比较，差异均有显著性意义(P < 0.05)，见图9。

在右旋转方向上，C1-2完整状态下的平均活动度为(26.67±1.10)°。内固定方式的稳定性从大到小分别为 B2>A2> B1>A1，相对于完整状态下的活动度，分别减少97.0%，95.9%，93.8%及92.1%。B2 和 A2 组间比较，差异无显著性意义(P > 0.05)；A1和B1组间比较，差异同样无显著性意义(P > 0.05)。但是，B2、A2组与A1、B1组间相比较，差异均有显著性意义(P < 0.05)。因此，在旋转方向上，B2、A2组的稳定性强于B1、A1组，见图9。
2.4 交叉棒与平行棒固定方式活动度比较对于C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎板螺钉组，交叉棒和平行棒固定方式在前屈稳定性相当；而在后伸、侧屈和旋转方向上，交叉棒固定的稳定性强于平行棒固定。
对于C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎弓根螺钉组，交叉棒固定方式在旋转方向上的稳定性强于平行棒固定方式；而在前屈、后伸、侧屈方向，两种固定方式的稳定性相当。

参考文献

[1] 陶春生,孙培锋,赵金柱,等.线缆内固定融合术治疗创伤性寰枢椎不稳的中远期疗效[J].脊柱外科杂志,2021,19(4):239-242.
[2] 屈巍,闫亮,宋宗让,等. 寰枢椎弓根螺钉置入单节段固定治疗Jefferson骨折合并不稳定齿状突骨折[J]. 中国组织工程研究,2017, 21(31):4957-4962.
[3] 王颖博,胡波,刘瑶瑶,等.后路寰枢固定融合术治疗齿状突畸形伴创伤后寰枢关节脱位的疗效观察[J].创伤外科杂志,2019,21(9): 663-666+682.
[4] 马维虎.寰枢椎后路钉棒固定融合技术的合理应用[J].中华医学杂志,2020,100(45):3562-3565.
[5] 陈凯,陈绪国,胡勇,等.3D打印导向模板辅助寰枢椎后路椎弓根螺钉固定治疗寰枢椎不稳症疗效分析[J]. 现代实用医学,2019,31(1): 70-72,封4.
[6] 王圣林,田英轮,许南方,等.颈椎后路“组合式”内固定治疗寰枢关节不稳或脱位的临床疗效[J].中国脊柱脊髓杂志,2020,30(4): 338-345.
[7] 马向阳,杨进城,邱锋,等. 枕颈交叉棒临床固定技术的建立与临床应用[J].中国骨与关节损伤杂志,2015,30(11):1121-1123.
[8] 邱锋,许喜林,马向阳,等.枕骨板联合C_2双侧椎板螺钉交叉棒固定稳定性的生物力学研究[J].中国修复重建外科杂志,2020, 34(12):1545-1549.
[9] 邱锋,许喜林,马向阳,等.C2椎板螺钉短节段钉棒固定系统中交叉棒与平行棒固定的生物力学比较[J].中国组织工程研究,2021, 25(12):1805-1809.
[10] CHEN J, ZHOU F, NI B, et al. New Posterior Atlantoaxial Restricted Non-Fusion Fixation for Atlantoaxial Instability: A Biomechanical Study. Neurosurgery. 2016;78(5):735-741.
[11] LIU S, SONG Z, LIU L, et al. Biomechanical evaluation of C1 lateral mass and C2 translaminar bicortical screws in atlantoaxial fixation: an in vitro human cadaveric study. Spine J. 2018;18(4):674-681.
[12] WILKE HJ, WENGER K, CLAES L. Testing criteria for spinal implants: recommendations for the standardization of in vitro stability testing of spinal implants. Eur Spine J. 1988;7(2):148-154.
[13] 王正雷,王海斌,刘建辉,等.采用椎弓根螺钉内固定治疗寰枢椎骨折脱位[J].中国矫形外科杂志,2020,28(10):933-935.
[14] 郑建章,吴宏,胡世平,等.寰枢椎椎弓根钉内固定术治疗寰枢椎不稳疗效分析[J].中国骨与关节损伤杂志,2020,35(3):252-254.
[15] CHUN DH, YOON DH, KIM KN, et al. Biomechanical Comparison of Four Different Atlantoaxial Posterior Fixation Constructs in Adults: A Finite Element Study. Spine (Phila Pa 1976). 2018;43(15):E891-E897.
[16] 李小峰,赵朵,李炜峰,等.后路椎弓根螺钉单节段内固定治疗寰椎骨折[J].脊柱外科杂志,2019,17(6):379-382.
[17] 卢奕霖,朱健,孙凯强,等.新型C_1侧块-C_2椎弓根螺钉置钉导向器的临床应用[J].脊柱外科杂志,2021,19(4):233-238.
[18] 赵文龙,王洋,孙姣,等.寰椎椎弓根螺钉与侧块螺钉有限元分析比较[J].中国矫形外科杂志,2021,29(6):526-530.
[19] 马向阳,尹庆水,刘景发,等.寰椎侧块螺钉与寰椎椎弓根螺钉的解剖与生物力学对比研究[J]. 中国骨与关节损伤杂志,2005,20(6): 361-363.
[20] 陈毅,王利民,赵亮.红外导航辅助下枢椎椎弓根拉力螺钉微创内固定治疗Hangman骨折的疗效观察[J].颈腰痛杂志,2020,41(6): 650-653.
[21] 李健,彭剑,胡伟文.侧块螺钉技术与椎弓根螺钉技术治疗寰枢椎失稳的临床研究[J].临床军医杂志,2015,43(7):704-706.
[22] 江伟,张仕涛,方园,等. 后路寰枢椎钉棒固定融合术治疗类风湿性寰枢椎脱位的临床效果[J]. 临床医学研究与实践,2021,6(17): 90-92.
[23] 马向阳,尹庆水,吴增晖,等.枢椎椎板螺钉与椎弓根螺钉抗拔出强度的比较[J]. 中国脊柱脊髓杂志,2007,17(2):137-139.
[24] PARK JS, CHO DC, SUNG JK. Feasibility of C2 translaminar screw as an alternative or salvage of C2 pedicle screws in atlantoaxial instability. J Spinal Disord Tech. 2012;25(5):254-258.
[25] 马向阳,尹庆水,吴增晖,等.寰枢椎后路四种钉棒固定技术的三维稳定性评价[J].中国脊柱脊髓杂志,2008,18(6):464-468.
[26] PARK J, SCHEER JK, LIM TJ, et al. Biomechanical analysis of Goel technique for C1-2 fusion. J Neurosurg Spine. 2011;14(5):639-646.
[27] DIMITRIEV AE,LEHMAN RA,HELGESON MD, et al. Acute and long-term stability of atlantoaxial fixation methods. Spine. 2009;34(4):365-370.
[28] LEHMAN RA JR, DMITRIEV AE, WILSON KW. Biomechanical analysis of the C2 intralaminar fixation technique using a cross-link and offset connector for an unstable atlantoaxial joint. Spine. 2012;12:151-156.
[29] GABRIEL JP, MUZUMDAR AM, KHALIL S, et al. A novel crossed rod configuration incorporating translaminar screws for occipitocervical internal fixation: an in vitro biomechanical study. Spine. 2011;11:30-35.
[30] SHEN K, DENG Z, YANG J, et al. Biomechanical study of novel unilateral C1 posterior arch screws and C2 laminar screws combined with an ipsilateral crossed C1-C2 pedicle screw-rod fixation for atlantoaxial instability. Arch Orthop Trauma Surg. 2017;137(10):1349-1355.

引言

材料方法

1.1 设计生物力学实验，多组间比较采用方差分析，两两比较采用Bonferroni 检验法。
1.2 时间及地点实验于2019年8-9月在南方医科大学生物力学实验室完成。
1.3 材料
1.3.1 实验标本 4男2女共6具新鲜尸体，年龄40-65岁，平均54岁；体质量52-72 kg，平均体质量62.7 kg，均为意外死亡。所有标本截取C7以上部位，所有标本由南方医科大学解剖教研室提供。实验前先观察标本确保标本无损坏，然后经CT和X射线扫描确保实验部位的骨骼完整，没有骨骼发育畸形。采用双能X射线骨密度仪(DEXA，QDRA-010；Hologic Discovery，Waltham，MA，USA)定量测定腰骶部的骨密度，平均骨密度为(0.95±0.26) g/cm2，提示无骨质疏松。在颈椎前3 cm斜行平面取下颅骨前面部分及下颚骨，枕骨转子以下部分保留，制成完整状态下的寰枢椎实验模型。所有的颈椎标本进行编号，顺序为1-6号，标号后将标本放置在-20 ℃的深低温冰箱保存。所有的标本均在取后30 d内进行造模及生物力学测试。
该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和海南省中医院对研究的相关伦理要求，批准号：HNSZYY-2019-LL-007。
1.3.2 实验器械所有实验所需器械由北京富乐公司提供；手术操作器械：手术刀、开口锥、电钻、开路器、丝攻器、万向螺丝刀、对抗扳手、剪棒器、弯棒器；内固定材料：3.5 mm×28 mm多轴椎弓根螺钉和直径2.5 mm的钛棒。
1.3.3 实验仪器定制的六自由度脊柱模拟器、激光三维扫描系统(3D.digital corp.America)、Geomagic studio 11.0软件，由南方医科大学生物力学实验室提供；64层螺旋CT机、X射线机，由中国人民解放军南部战区总医院提供。
1.4 方法

1.4.1 模型包埋进行生物力学测试前将标本从冰箱中逐一取出，在25 ℃下完成逐级解冻，然后用手术刀剔除附标本上剩余的肌肉，确保韧带及关节囊保留完整。取4枚螺钉固定在枕骨上，保证4枚螺钉在同一平面上，将枕骨放置在底座中，旋转45°后倒入义齿基托树脂黏稠液，待其凝固后将标本取出。重新取2枚螺钉拧入C7椎体的前方，放置在标本底座后倒入义齿基托树脂黏稠液，待黏稠液完全凝固后取出，包埋完成，见图1。

1.4.2 内固定方式和测量序列
(1)正常状态：保留韧带及关节囊的完整；
(2)失稳状态：先用手术刀切断寰枢椎间的所有韧带，然后用磨钻磨除掉寰椎的前弓中央结节左右旁开各1 cm部分，在齿状突基底部切断齿状突。小心切除C1-2侧块关节囊的后半部分，保留C1-2侧块关节囊的前半部分，制成寰枢椎失稳的实验模型[10]，见图2。

(3)失稳模型制备完成后，按照顺序在每具标本上先后进行C1双侧椎弓根螺钉、C2双侧椎板螺钉、C2双侧椎弓根螺钉的置入，见图3。C1椎弓根螺钉取枢椎侧块中点纵垂线和寰椎后弓上缘下方至少3 mm处交点为进钉点，螺钉内斜10°，上仰5°，分别置入1枚3.5 mm×28 mm的多轴螺钉。枢椎椎板螺钉点一侧取距离棘突上缘5 mm，距离椎板上缘4 mm为进钉点，对侧取距离棘突上缘5 mm，距椎板上缘8 mm为进钉点，分别置入1枚3.5 mm×28 mm的多轴螺钉。完成C1联合C2椎板螺钉组生物力学测试后，将C2椎板螺钉取出，置入C2双侧椎弓螺钉。C2椎弓根螺钉取下关节突中点内上各2 mm为进钉点，内斜20°-25°，上倾30°-35°，置入3.5 mm×28 mm的多轴螺钉。每一标本螺钉置入完成后行CT扫描评估钉道情况，见图4。

(4) C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎板螺钉+平行棒固定方式(A1组)；
(5) C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎板螺钉+交叉棒固定方式(A2组 )；
(6) C2双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎弓根螺钉+平行棒固定方式(B1组)；
(7) C2双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎弓根螺钉+交叉棒固定方式(B2组)。
1.4.3 生物力学测试在C1和C2前、后、左、右分别置入1根直径为2 mm的克氏针固定，克氏针上分别置入计算机标识点(测量同一关节运动的4枚针不在同一条轴线上)，测试过程中注意点与点间的距离，必须保证4个点不会互相触碰，避免对实验造成干扰[11]。纯模型测试在实验组之前完成，包括完整状态组和失稳组。将每个标本按照既定顺序固定在定制的六自由度脊柱模拟器的负载架上，并使用缆绳和滑轮测试系统对颈椎标本施加2.0 N•m的纯力偶矩[12]，见图5。每个实验结构在6个方向上分别进行3次加载-卸载循环，产生屈曲-伸展、侧向弯曲和轴向旋转运动，加载时间保持在2.0 N•m，持续30 s，以减少黏弹性的影响。激光三维扫描系统(3D.digital corp)用于处理图像，以识别、定位和计算空间中C1和C2位置的标记，并重建脊柱节段的三维运动。所有坐标均运用逆向工程软件Geomagic进行处理，计算出C1-2节段的运动范围参数。在测试每个固定平均值后，通过X射线片评估每个样本的固定情况，见图6。

1.5 主要观察指标不同固定状态下，C1-2在后伸、前屈、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6 个方向上的活动度。
1.6 统计学分析文章统计学方法已经中国人民解放军南部战区总医院生物统计学专家审核。所有数据均服从基于K-S的正态分布检验，以均值和标准差表示。全部数据采用软件SPSS 20.0进行统计分析运算。多组间比较采用方差分析，两两比较采用Bonferroni 检验法。检验显著性设定在P < 0.05。

讨论

创伤、感染、肿瘤、先天性和后天性的畸形都会导致寰枢椎不稳，使患者出现剧烈疼痛，严重者出现神经、脊髓损伤，甚至死亡，及时对寰枢椎施加有效坚强的内固定是治疗的关键[13-14]。生物力学及临床研究均表明由寰枢椎螺钉与连接棒组成的钉-棒系统可提供良好的稳定性，而被广泛应用于临床[15]。目前，对于C1螺钉固定方式，主要包括C1椎弓根螺钉[16]、C1侧块螺钉[17]，由于寰椎椎弓根螺钉拔出力较侧块螺钉强，进钉点在C1后弓上，置钉时无需特别显露静脉丛，不容易造成出血，逐渐成为C1固定的主要方式[18-19]。枢椎后路固定的螺钉主要有C2椎弓根螺钉、椎板螺钉、侧块螺钉等固定方式[20-22]，生物力学表明，椎弓根螺钉和椎板螺钉的拔出力相似，两者均强于侧块螺钉[23]；而三者中，由C2椎弓根螺钉组成的后路寰枢椎钉-棒系统的生物力学稳定性最佳，故临床上首选C2椎弓根螺钉作为C2的固定方式[24]。但是多项研究表明，枢椎在解剖上椎弓根容易出现发育细小、椎动脉高跨等情况，此时如勉强置入椎弓根螺钉风险过高，可选择C2椎板螺钉作为替代固定方式[25]。生物力学研究已表明C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎弓根螺钉组成的短节段钉-棒系统的三维稳定性牢靠，而C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎板螺钉组成钉-棒系统的稳定性相对不足，如在此基础上增加寰枢椎间的横联可以进一步提升其稳定性[26]。DIMITRIEV等[27]比较了C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎弓根螺钉与C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎板螺钉两种内固定系统的稳定性，结果提示，在寰枢椎完整状态下，两种内固定系统的稳定性相当，而在失稳状态下，C1双侧椎弓根螺钉+C2双侧椎板螺钉的稳定性较前者差。而LEHMAN等[28]证明，在原有内固定结构基础上，增加寰枢椎间的横联可以弥补其稳定性方面的不足。但是由于C1-2间结构空间较小，且棒的弯曲弧度较大，使得横联的放置较为困难，并且在原有狭小的空间增加内固定，容易造成空间进一步缩小，从而导致植骨不充分，进而导致植骨不融合。
针对以上问题，国内外学者提出交叉棒的连接方式，希望在不延长固定节段、不增加费用的基础上，同时解决放置横联难度大以及植骨空间不足的问题，进一步增强后路短节段钉-棒系统的生物力学稳定性。交叉棒是通过改变连接棒的连接方式，由传统的左钉联左钉、右钉连右钉改为左钉连右钉、右钉连左钉，通过交叉棒的连接，形成多个三角形的结构，而三角形结构最稳定，从而有望进一步增强寰枢椎后路钉-棒系统固定方式的稳定性。初步研究表明，在由枕骨板与C2双侧椎板螺钉组成的板-钉系统中，交叉棒固定连接方式相对于传统平行棒的连接方式，可增强其在屈伸和轴向旋转方面的稳定性[29]。而SHEN等[30]已经证明，在由C1一侧后弓螺钉/同侧椎弓根螺钉+C2一侧椎弓根螺钉/同侧椎板螺钉组成的钉棒系统中，交叉棒固定方式的生物力学稳定性强于传统的平行棒固定方式。作者前期的研究亦表明，C2双侧的椎弓根螺钉固定方式与C2单侧椎板螺钉单侧椎弓根螺钉组成的交叉棒固定方式，以及枕骨板与C2双侧椎板螺钉组成的交叉棒固定方式，与传统的平行棒固定方式相比均可增加其轴向旋转的稳定性[8-9]。但是，对于C2不同螺钉联合C1双侧椎弓根螺钉所组成的各种不同钉-棒系统的生物力学稳定性差异，尚未见系统研究。因而，此次研究通过对临床上C2常用的螺钉固定方式(椎弓根螺钉和椎板螺钉)联合C1双侧椎弓根螺钉组成的钉-棒短节段固定系统，通过不同连接棒的连接方式，比较不同组合方式下交叉棒和平行棒固定的生物力学稳定性。此次研究对6例寰枢椎不稳的标本分别进行C1双侧椎弓根螺钉联合C2双侧椎板螺钉，以及C1双侧椎弓根螺钉联合C2双侧椎弓根螺钉固定，两组连接棒分别进行平行棒固定和交叉棒固定。利用生物力学三维测试仪，分别测试4种连接方式在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种状态下的运动范围，并与寰枢椎完整和失稳状态无固定组进行比较，分析平行棒固定组与交叉棒固定组的生物力学稳定性，全面评价各种螺钉组合下交叉棒固定方式的生物力学稳定性能。研究结果表明，在4种内固定系统中，C1联合C2双侧椎板螺钉的平行棒固定方式稳定性最差，而C1联合C2双侧椎弓根螺钉的交叉棒固定的稳定性最佳；无论是交叉棒固定还是平行棒固定，C1双侧椎弓根螺钉联合C2双侧椎弓根螺钉的稳定性均强于C1双侧椎弓根螺钉联合C2双侧椎板螺钉。因此，在不需要改变螺钉固定方式的前提下，通过改变连接棒的连接方式，将传统的平行棒固定方式改为交叉棒的固定方式，可进一步增强钉-棒系统的生物力学稳定性。此外，此次研究在新鲜人体标本上进行，实验过程均按照手术过程进行模拟，交叉棒的放置顺利无阻挡，这与寰椎无棘突的特殊结构有关，在完成生物力学测试验证其稳定性后可直接应用于临床。
在此项研究中，使用了人体尸体的枕骨-颈椎标本进行实验，可最大程度还原生物力学测试的真实条件。虽然此次生物力学测试的结果是满意的，但是仍存在一定的局限性：首先，是在理想条件下进行体外重建和生物力学测试，但是忽略了体内发生的肌肉和复杂运动的影响；其次，临床上可能会遇到由于解剖变异而无法采用交叉棒的固定连接方式；此外，标本数量较少，也缺乏交叉棒固定的临床证据。虽然这项研究已经证实了交叉棒的生物力学稳定性，但仍需临床研究进一步证明。
此次研究表明，在寰枢椎后路短节段钉-棒系统中，当C1置入双侧椎弓根螺钉，而C2置入双侧椎弓根螺钉时，无论是交叉棒的连接方式还是平行棒的连接方式，均较C2置入双侧椎板螺钉时的稳定性强。而将传统平行棒的连接方式改为交叉棒的连接方式，可增强选择C2双侧椎板螺钉时钉-棒系统在后伸、左/右侧屈、左/右旋转方向上的稳定性，以及选择C2双侧椎弓根螺钉时钉-棒系统在旋转方向上的稳定性。因此，交叉棒固定方式可在不同方向上进一步提升寰枢椎后路钉-棒系统的生物力学性能，可作为临床应用的选择。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

寰枢椎后路钉棒系统交叉棒固定及平行棒固定的生物力学稳定性

Biomechanical stability of crossed-rod fixation and parallel-rod fixation of atlantoaxial posterior screw-rod system

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 5

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王建平, 张晓辉, 余进伟, 魏绍亮, 张新民, 许幸新, 曲海军. 三维图像配准及坐标变换膝关节运动分析在机构学中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(在线): 1-5.
[2]	张玉芳, 吕蒙, 梅钊. 青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1351-1356.
[3]	张吉超, 董跃福, 牟志芳, 张震, 李冰言, 徐祥钧, 李佳意, 任梦, 董万鹏. 骨关节炎患者在不同步态角度下膝关节内部生物力学变化的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1357-1361.
[4]	白子兴, 曹旭含, 孙承颐, 杨艳军, 陈思, 温建民, 林新晓, 孙卫东. 步态周期中踝关节有限元模型的构建及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1362-1366.
[5]	刘峰, 冯毅. 步态周期下不同克氏针张力带治疗髌骨横行骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1367-1371.
[6]	肖豪, 刘静, 周君. 脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1266-1271.
[7]	温明韬, 梁学振, 李嘉程, 许波, 李刚 . 两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 838-842.
[8]	黄浩, 洪嵩, 瓦庆德. 全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 848-852.
[9]	郑永泽, 郑利钦, 何兴鹏, 陈心敏, 李木生, 李鹏飞, 林梓凌. 基于ABAQUS软件股骨颈骨折的扩展有限元建模分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 853-857.
[10]	刘宇航, 周建强, 徐雪彬, 曲星月, 李梓瑜, 李琨, 王星, 李志军, 李筱贺, 张少杰. 6岁儿童下颈椎有限元模型建立及有效性验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 870-874.
[11]	段超, 尚晓强, 段祥林, 杨平, 陶圣祥. 聚髌爪固定与袢钢板结合聚髌爪固定治疗髌骨下极粉碎性骨折的稳定性对比[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 934-937.
[12]	白布加甫·叶力思, 热娜古丽·买合木提, 艾孜买提江·赛依提, 王俊祥, 尼加提·吐尔逊. 上颌中切牙联冠种植修复体在不同咬合方式中的应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 567-572.
[13]	张建国, 陈晨, 胡凤玲, 黄道宇, 宋亮. 三维有限元分析牙种植体孔隙结构设计及生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 585-590.
[14]	李雁婷, 陈剑, 刘梦兰, 任蔓蔓, 仲卫红, 陈长兴. 倒盖金被手法在腰椎间盘生物力学中的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(3): 340-343.
[15]	陈金民, 陈穗生, 丁晶, 夏暴权, 罗晓嘉, 卢成海. 球囊扩张可注射硫酸钙骨水泥填充治疗胫骨平台塌陷骨折的稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(3): 414-418.