后路内固定系统修复寰枢椎不稳的生物力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.48.019

摘要/Abstract

摘要：

背景：随着对寰枢椎结构形态学、应用解剖学和生物力学的研究日趋深入，寰枢椎不稳的发生机制以及诊治越来越受到关注。但对寰枢椎不稳定性疾病的有效内固定治疗开展相对较晚，为此国内、外的学者进行了大量的研究。
目的：比较寰枢椎后路内固定修复中几种不同内固定方式的生物力学性能，评价其各自的稳定性。
方法：通过检索近年来关于不同后路内固定方式修复寰枢椎不稳定的对比性生物力学评价及其初步临床应用研究的相关文献，通过对正常人体的寰枢椎复合体、寰枢椎不稳模型的三维运动范围的测量等相关研究成果作回顾性分析，评价不同内固定方案在正常枕寰枢三维运动下的稳定性，为临床合理选择内固定提供生物力学基础。
结果与结论：寰枢椎后路固定包括Gallie钢丝固定、Brooks固定、Apofix和Halifax固定椎板钩内固定、经关节螺钉内固定以及寰枢椎椎弓根钉棒系统内固定等。Gallie技术有利于前方半脱位的复位，但力学稳定性较差。Brooks技术有很强的旋转和牵张力。Apofix和Halifix椎板钩装置提供更强的抗旋转与抗前移强度，力学上较Gallie技术稳定，经关节螺钉固定生物力学优于钢丝技术和Halifax，避免了枕颈融合固定，对于安装技术有较高要求。在选择内固定时, 既要注意应能提供即刻的颈椎稳定，以保护脊髓功能，又要尽可能保留上颈段的功能，达到枕骨、寰椎、枢椎间的解剖复位和维持，应根据每例患者的具体情况，选择合适的内固定方法。

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: 骨科植入物, 脊柱植入物, 寰枢椎, 脱位, 内固定, 经关节螺钉固定, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: With the development of atlantoaxial morphology, applied anatomy and biomechanics, pathogenesis, diagnosis and treatment of atlantoaxial instability have attracted more and more attention. However, the development of effective fixation for atlantoaxial instability is relatively late, so scholars all over the world have made numerous studies.
OBJECTIVE: To compare biomechanical functions of different fixations through atlantoaxial posterior approach, and to assess its stability.
METHODS: We retrieved recent studies on comparative biomechanical evaluation and its primary clinical application of different posterior approaches in repair of atlantoaxial instability, and conducted a retrospective analysis by measuring the three-dimensional range of movement in normal atlantoaxial complex and atlantoaxial instability models. This analysis evaluated the stability of different fixations under normal three-dimensional atlantoaxial movement, and provided a biomechanical basis for reasonable fixator selection.

RESULTS AND CONCLUSION: Atlantoaxial posterior fixation included Gallie wire fixation, Brooks fixation, Apofix and Halifax vertebral plate hook fixation, screw fixation through joint and atlantoaxial pedicle nail/rod fixation. Gallie technique contributes to the reduction of anterior semiluxation, but its mechanical stability is poor. Brooks technique has strong rotation and stretch forces. Apofix and Halifix vertebral plate hook device provides strong anti-rotation and anti-antelocation strength, and is more stable than Gallie technique in mechanics. The biomechanics of screw fixation through joint was better than wire technique and Halifax. The screw fixation avoids occipitocervical fusion, and has a high requirement to installation. When an internal fixator was selected, immediate cervical vertebra stability should be provided to protect spinal cord functions. Upper neck functions should be maintained to reach reduction and maintenance of occipital bone, atlas and axis. A suitable fixation method should be selected for each patient.

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

中图分类号:

R318

王诗军，李钰婷，李淳德. 后路内固定系统修复寰枢椎不稳的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(48): 7819-7824.

Wang Shi-jun,Li Yu-ting, Li Chun-de. Biomechanical characteristics of posterior fixation for repairing atlantoaxial instability[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(48): 7819-7824.

图/表（结果） 1

2.1 寰枢椎临床应用解剖学及生物力学分析对寰枢椎进行解剖学研究，尤其是结合不同人群特点统计寰枢椎解剖学特征可以提高寰枢椎不稳治愈率^[17]。寰椎的结构在颈椎中最为特殊，它是一个环形的骨块，没有椎体和棘突，是由前弓、后弓、两侧的侧块部分围成。齿状突是其主要特征，齿状突呈圆形，基底较薄弱，为易骨折部位。寰枢椎间无椎间盘组织，寰椎前后弓与侧块相连处较细，骨质较疏松，是寰椎的薄弱部位^[18-19]。国内外多位学者曾对干燥的寰枢椎标本进行大量的解剖学测量研究^[20]。曹正霖等[21]测量了150例中国成年人干燥寰枢椎标本，对具有临床意义的数据进行解剖学测量，得出的结论为寰枢椎侧方结构的解剖学形态与其损伤机制及内固定方法密切相关。研究人员经解剖学研究发现，在寰椎后弓下方与枢椎峡部上方具有丰富的、粗大的、球团状的静脉丛。该静脉丛由4条静脉组成，上面为寰椎椎静脉的降支，内侧为寰椎的后弓下静脉，外侧为寰枢椎椎静脉的分支，下面为枢椎的椎板下静脉^[22-23] 。
寰枢椎的稳定性包括前后稳定性、侧向稳定性及轴向稳定性。寰枢椎脱位固定包括后路固定，前路固定和前后路固定^[24]。后路固定包括Halo-vest架固定后路寰枢椎骨泥融合、Gallie钢丝固定、单纯后路Magerl固定、Magerl+Brooks固定、Apofix固定以及枕颈CD环棒或Cervifix板棍系统。前路固定包括前路直接齿突UCSS螺钉固定以及经口咽前路减压后再双向牵引缓慢复位后石膏固定。前后路固定如采用经口咽前路减压，二期后路枕颈减压内固定，或后路减压枕颈内固定，二期前路减压。以及采用前后路一期减压内固定。杨双石等^[25]通过实验探讨寰枢关节内固定不同方法的生物力学评价及临床意义。就目前寰枢关节内固定中最具代表性后路寰枢椎经关节螺钉内固定与其他4种内固定方法的进行生物力学评价，实验证实经后路寰枢椎经关节螺钉内固定有良好的生物力学稳定性以及较好的复位作用，是5种内固定方法中被认为最牢固的一种，在稳定寰枢关节以及骨性融合效果方面有明显的优越性，且可最大限度的保留头颈部的活动功能。也有研究显示寰枢椎经关节螺钉内固定在抗扭转方面表现出明显的优势，而Brooks法钢丝内固定及Haliafx椎板夹固定之间相差不明显，但均优于Gallie法钢丝内固定^[26]。
2.2 寰枢椎不稳后路内固定的选择
2.2.1 钢丝内固定的临床应用与生物力学分析寰枢椎不稳的标准固定是后路钢丝^[27-28]。滕文臣等^[29]研究寰椎水平骨与脊髓的应用解剖学关系，为寰枢椎不稳后路钢丝内固定术的安全操作提供参考依据。统一摄取103例寰椎标本侧位X射线片，根据寰椎后结节形态分类，并分别测量寰椎后结节正中矢状面的高度和厚度。测量189例枕颈部磁共振影像资料寰椎水平的脊髓安全间隙，按性别和年龄分别统计结果。结果发现后路钢丝内固定治疗寰枢椎不稳，将钢丝根据寰椎后结节前缘形态预弯，紧贴寰椎后结节前缘由上向下穿过椎管，安全性较高。
但钢丝需从寰椎后弓及枢椎椎板下穿过，后弓、椎板不完整或者因枢椎椎板切除、创伤、肿瘤、感染以及类风湿关节炎等导致寰椎后弓完整性破坏时，钢丝穿经后弓或椎板下可能造成脊髓损伤^[30]。且钢丝内固定具有操作困难、在椎管内穿钢丝有损伤脊髓的风险。钢丝固定作用较小，内固定后寰枢椎的稳定性有限，还需用头颈胸石膏、头环背心固定起到辅助外固定作用^[31-32]。此外钢丝松动、钢丝断裂、稳定性不足、内固定失效等均是后路钢丝固定的障碍，因此，钢丝内固定应用范围也相应较小。
刘铁龙等^[33]比较寰枢椎不稳后路钢丝及新型双向锁定式钛缆内固定系统抗扭转生物力学性能，结果显示新型双向锁定式钛缆在相同锁紧拉力条件下抗扭转强度最高，同钢丝固定内固定组与正常寰枢椎组相比差异有显著性意义(P < 0.05)，因此，认为新型钛缆因为锁紧方式的改变达到了比钢丝和进口钛缆更好的抗旋转固定效果。Weis等^[34]的研究证明了钢丝不但可能出现成角并突向椎管而损伤脊髓，而且钛缆与钢丝相比在生物力学上有多种优越性，其生物力学固定强度，特别是抗旋转强度强。曹锡文等^[35]认为后路钢丝虽然抗前后及屈伸移位力量较经关节突螺钉强，特别适合少儿患者，但由于钢丝强度有限，加上术后患儿不能配合，钢丝强度有限、钢丝质地较硬穿过时易损伤脊髓，要求后方结构完整和需要内固定后辅以坚强的外固定，且内固定后融合率相对较低。以上说明寰枢椎不稳后路钢丝内固定在生物力学稳定及适应证方面不具有优势，现在临床已很少使用。
2.2.2 经关节螺钉内固定的临床应用与生物力学分析1987年Magerl等首先报道寰枢椎后方经关节螺钉内固定^[36]。经关节螺钉内固定的技术要求明显高于后路钢丝内固定。同时其适应范围较椎板下钢丝内固定广泛，尤其是寰椎后弓或枢椎椎板缺如无法采用后路钢丝固定的患者，仍可实施经关节螺钉内固定。傅捷^[37]评价后路经关节螺钉内同定治疗寰枢椎不稳的临床价值，43例寰枢椎不稳定患者采用后路经关节螺钉内同定治疗，内固定后进行系统随访，结果共置入枢椎椎弓根螺钉43枚，内固定过程中无并发症发生。内固定后X射线片示寰枢椎获解剖复位39例，旋转脱位大部分矫正4例，所有内同定位置良好。因此，认为后路经关节螺钉内固定治疗寰枢椎不稳定，疗效可靠、并发症少，可作为其有效的常规治疗方法。
经关节螺钉内固定的进钉点及进钉方向有许多不同的提法^[38]。有研究采用以枢椎下关节突下缘中点为进钉点的后路改良经关节螺钉内固定治疗寰枢椎不稳定20例患者，双侧螺钉内固定20例，加后路钢丝固定3例，寰枢椎获解剖复位19例，大部分矫正1例，内固定位置均良好。随访16-64个月，寰枢椎于内固定后两至三个月均获得骨性融合，临床症状缓解，无并发症发生。因此，认为后路改良经关节螺钉内固定，操作简便，疗效可靠，可作为治疗寰枢椎不稳定的有效治疗方式^[39]。但寰枢椎后方经关节螺钉内固定需广泛剥离周围软组织，创伤较大，还存在着螺钉进钉点解剖标志不明显、临床定位不易等不足，因此，不能完全替代后路钢丝内固定^[40-42]。关于与后路椎板下钢丝联合内固定的问题，目前尚有分歧^[43] 。
2.2.3 寰枢椎椎弓根螺钉内固定的临床应用与生物力学分析 2002年Resnick等^[44]于首次报道寰椎椎弓根螺钉用于治疗齿状突骨折引起的寰枢椎不稳，并提出了寰椎椎弓根螺钉内固定这一概念。随着对寰枢椎的解剖学特点的认识不断提高，寰枢椎椎弓根螺钉内固定是近年来新出现的治疗方式与研究热点，国内外有较多的寰枢椎椎弓根内同定基础及临床研究的文献报道，使寰枢椎椎弓根螺钉内固定已被广泛用于各种原因引起的寰枢椎不稳^[45-46] 。
曾周景等^[47]对17例齿状突骨折合并寰枢椎脱位的患者，采用后路椎弓根螺钉，行寰枢椎复位、固定及植骨融合，对其疗效进行随访探讨后路寰枢椎椎弓根螺钉内固定治疗齿状突骨折合并寰枢椎脱位的临床疗效。平均随访18个月，无神经症状加重、硬膜破裂、椎动脉损伤、伤口感染及断钉等并发症。因此，后路寰枢椎椎弓根螺钉系统可为齿状突骨折合并寰枢椎脱位患者提供牢固的三维固定，是一种有效的治疗方法。窦维新等[48]收治寰枢椎半脱位或不稳定患者24例，采用寰枢椎经后路椎弓根螺钉内固定治疗，共置入螺钉96枚。分析经后路寰枢椎椎弓根螺钉内固定治疗寰枢椎不稳效果确切，不良反应少。马维虎等^[49]为探讨经后路寰枢椎椎弓根螺钉内固定治疗寰枢椎不稳的临床疗效。采用寰枢椎经后路椎弓根螺钉内固定治疗C1-2不稳患者27例，随访时间6-42个月未发生与螺钉相关的神经血管并发症，无内固定松动或断钉现象，22例植骨者术后随访时均已达到骨性融合，5例未行植骨患者1年后拆除内固定，寰枢关节旋转功能良好，寰枢椎后路椎弓根螺钉技术是治疗寰枢椎不稳的有效方法。
寰椎椎弓根螺钉内固定具有显露范围小，内固定时间短，简化了操作程序等优势。现在大多学者认为在设计内固定方案时，应优先考虑椎弓根螺钉内固定，而侧块螺钉内固定可以作为一种补充^[50]。有关寰椎椎弓根螺钉的生物力学的研究，结果显示骨质厚度越大、骨质密度越大的椎骨，其螺钉的拔出力越大(P < 0.05)；然而螺钉在不同骨密质的椎骨中所发挥的作用相同，不会压迫血管及影响椎体的活动现象。提示寰椎椎弓根螺钉置入安全性较好，无不良反应，不会影响患者的正常工作及生活。目前的结果表明，该内固定方式操作简单、安全，尚未见到严重并发症报道。该内固定方式生物力学稳定性良好，无需辅助外固定，植骨融合率高^[51] 。

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引言

寰枢椎也被称为上颈椎，是连接颅骨和颈椎的重要结构，解剖形态复杂，紧邻延髓及脊髓交界处，由于具有独特的解剖结构，寰枢椎是颈椎中活动度最大的节段，在整个脊柱中其活动范围最大，决定着整个颈椎旋转活动度的50%以上的活动功能^[1-2]。寰枢椎不稳是由炎症、发育畸形、创伤、先天性疾病、肿瘤、感染或退变等因素所诱发的脊柱生物力学异常改变而导致的生理关系破坏和运动功能异常^[3]。寰枢椎解剖位置险要，且由于寰枢椎解剖学的特殊性，易导致延髓、上颈髓的受压，严重会造成患者四肢瘫痪^[4-5]。因此，其潜在危险性较大应积极治疗，常需内固定治疗来解除颈脊髓的压迫，恢复寰枢椎的正常解剖关系，重建其稳定性及恢复上颈椎的旋转功能[6]。
早在1910年，Mixter等^[7]就成功地进行了1例用丝线固定寰椎后弓和枢椎棘突治疗寰枢椎不稳，开创了寰枢椎内固定技术的先河，其后学者们对寰枢椎内固定的方法不断进行探索和改进。寰枢椎不稳的内固定选择原则对其治疗的安全性和颈椎功能的保留具有重要意义^[8-9]。寰枢椎不稳内固定的方法较多，各种内固定方法均有其优缺点^[10]。并且此处解剖结构复杂、生理功能重要，这对外科医生通过内固定而获得寰枢椎的稳定是个难点。
寰枢椎不稳的内固定治疗按入路主要分为前路和后路，前路直接接触前方压迫、但减压后内固定及植骨均较困难，经口入路的技术要求比较高，常需辅助后路固定或外固定，且可能并发灾难性的医源性上颈髓损伤、咽后间隙感染的概率较大^[11]。侧路的方法使用较少，其中后路内固定由于具有视野好、显露容易，在临床上的操作相对安全简便，便于安置内固定，并发症少，对患者损伤、干扰少，并且后路内固定方法也多种多样^[12-13]。目前寰枢椎后路内固定方式主要有以Brooks钢丝固定、Gallie钢丝内固定、Goel侧块螺钉内固定、Halifax椎板夹固定、Apofix椎板钩内固定、经关节螺钉内固定、Tan经寰椎后弓侧块螺钉内固定以及寰枢椎椎弓根钉棒系统内固定等，前两者均要求寰椎后弓完整^[14] 。
寰枢椎不稳使颈脊髓处于高危状态，为避免脊髓神经受到刺激与损伤甚至危及生命，寰枢椎不稳需要早期诊断及时治疗^[15-16]。上述几种内固定方式在生物力学稳定性、抗伸屈移位等方面各有优缺点。文章从解剖学、生物力学等方面对寰枢椎不稳后路内固定技术做一综述，以期为寰枢椎内固定临床应用提供解剖学依据。

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材料方法

讨论

寰椎容易发生脱位与其解剖结构密切相关，寰椎无椎体，寰椎横韧带附着于两侧侧块内面之结节上，防止枢椎齿状突后移以免压迫脊髓。寰、枢椎之前有4个关节，齿状突与寰椎前弓中部组成前关节，寰椎横韧带和齿状突组成后关节，寰椎外侧由两侧侧块下关节面和枢椎上关节面组成两个关节突关节。寰枢椎间无椎间盘组织，关节囊大而松弛，关节面平坦，活动范围较大，即局部的解剖结构不够坚固，稳定性较差，当颈部遭受急性外伤后，可发生枢椎齿状突骨折与寰椎横韧带断裂，同时多伴有寰枢脱位。寰枢关节脱位是上颈椎最常见的损伤，
寰枢椎脱位的原因有外伤性脱位，如齿突骨折，横韧带断裂。先天性畸形脱位，包括颅底凹陷，齿突畸形，短颈畸形，此外还有自发性脱位和病理性脱位。临床分型包括可复型，难复型和不可复型。内固定方式主要包括钢丝、钛缆、椎板钩、经关节突螺钉、侧块螺钉、椎弓根螺钉或其中几种方式的组合。应根据复位情况选择不同的固定方式，可复型不合并压迫者可以牵引复位和固定，固定方式包括后路Magerl固定、Brooks固定、Apofix固定、前路侧块固定和前路UCSS、Halo-vest。可复型合并压迫者可行复位，减压和寰枢固定。难复型经口前路松解后再经双向牵引能复位，减压固定，不可复型，前后路分期或一期减压枕颈融合固定，如枕颈CD、Cervifix固定。
寰枢椎脱位钢丝固定根据张力带固定的原理，操作简单，危险性较小，对于矢状位不稳较为理想，而对于以旋转性不稳为主的颈椎损伤其稳定作用不够理想。常用的钢丝固定如Gallie和Brooks技术。Gallie技术主要用于齿状突骨折伴前脱位或C1横韧断裂。植骨块牢固的固定在C1和C2两侧后纽之前，有利于前方半脱位的复位，但力学稳定性较差。Brooks技术有很强的旋转和牵张力，Apofix钩装置减少了穿钢丝引起的脊髓损伤，提供更强的抗旋转与抗前移强度，力学上较Gallie技术稳定，但椎板钩体积较大，要求更大的硬膜外空间，对复位要求较高，单侧挂钩缺乏抗旋转能力，对于安装技术有较高要求。经关节螺丝钉固定生物力学优于钢丝内固定，避免了枕颈融合固定，但技术要求较高。后跟寰椎椎弓根螺钉内固定对寰枢椎脱位提供牢固的三维固定，使寰枢关节具有良好的旋转功能，且安全性好。
寰枢椎后路内固定虽然是治疗寰枢椎不稳的常用方法，但因为寰椎后弓周围有大量神经、血管等重要结构，在内固定过程中还是存在较大的风险。治疗过程中应分清脱位的病理机制和病变程度，既要注意应能提供即刻的颈椎稳定，以保护脊髓功能，又要尽可能保留上颈段的功能，达到枕骨、寰椎、枢椎间的解剖复位和维持，根据其复位的可能性和难易程度分别采取不同的策略和内固定方法，使治疗方法和临床诊断相适应，达到理想的修复效果。

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