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

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3777

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (12): 1805-1809.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3777

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

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

邱锋1，许喜林1，马向阳2，方周群1，江伟城1，田树钊1，郑泽龙1

1普宁华侨医院骨科，广东省普宁市 515300；2中国人民解放军南部战区总医院骨科医院脊柱外科，广东省广州市 510010

收稿日期:2020-05-21 修回日期:2020-05-23 接受日期:2020-06-17 出版日期:2021-04-28 发布日期:2020-12-25
通讯作者: 马向阳，主任医师，博士生导师，中国人民解放军南部战区总医院骨科医院脊柱外科，广东省广州市 510010
作者简介:邱锋，男，1988年生，广东省汕头市人，汉族，硕士，主治医师，主要从事脊柱外科方面的研究。

Biomechanical comparison of atlantoaxial crossed rod and parallel rod fixation technique for C₂ unilateral lamina screws

Qiu Feng1, Xu Xilin1, Ma Xiangyang2, Fang Zhouqun1, Jiang Weicheng1, Tian Shuzhao1, Zheng Zelong1

1Department of Orthopedics, Puning Overseas Chinese Hospital, Puning 515300, Guangdong Province, China; 2Department of Spinal Surgery, Orthopaedics Hospital, General Hospital of Southern Theater Command, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China

Received:2020-05-21 Revised:2020-05-23 Accepted:2020-06-17 Online:2021-04-28 Published:2020-12-25
Contact: Ma Xiangyang, Chief physician, Doctoral supervisor, Department of Spinal Surgery, Orthopaedics Hospital, General Hospital of Southern Theater Command, Guangzhou 510010, Guangdong Province, Chin
About author:Qiu Feng, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Puning Overseas Chinese Hospital, Puning 515300, Guangdong Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
寰枢椎不稳：创伤、感染、肿瘤、先天及后天畸形均可导致寰枢椎不稳，可进一步导致脊髓损伤，临床上常需要予以外科手术治疗，后路钉棒固定融合是最常用的手术方式。
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：C1双侧椎弓根螺钉联合C2椎板螺钉组成的短节段钉棒固定系统的生物力学稳定性稍显不足。目前寰枢椎后路钉棒固定通过连接棒的连接形成近似于“Ⅱ”形的固定结构，或为了增强稳定性增加横联形成近似“H”的固形结构。而交叉棒固定方式呈“X”型，由多个三角形结构构成，三角形结构的稳定性最好，有望进一步增强短节段钉棒固定系统的生物力学稳定性。
目的：评价C1双侧椎弓根螺钉联合C2一侧椎板螺钉一侧椎弓根螺钉采用交叉棒固定和平行棒固定的三维生物力学稳定性。
方法：6例新鲜寰枢椎脱位标本，每一例标本均置入C1双侧椎弓根螺钉及C2右侧椎板螺钉、C2左侧椎弓根螺钉。分为3组依次进行观察，不稳组不进行固定，平行棒组采用平行棒连接固定，交叉棒组采用交叉棒连接固定。分别在脊柱三维运动实验机上测量枕枢椎的三维运动范围。
结果与结论：①在屈伸、侧屈、轴向旋转上，交叉棒组及平行棒两种内固定方式均优于不稳组(P < 0.05)；②在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈方向上，交叉棒组稳定性与平行棒组相当(P > 0.05)；③在左旋、右旋方向上，交叉棒组稳定性大于平行棒组(P < 0.05)；④提示应用C1双侧椎弓根螺钉联合C2一侧椎板螺钉一侧椎弓根螺钉固定时，采用交叉棒方式固定可进一步增强其轴向旋转稳定性。

https://orcid.org/0000-0001-9873-7833 (邱锋)

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, 寰枢椎, 寰枢椎不稳, 内固定, 交叉棒, 平行棒, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: The biomechanical stability of the screw-rod fixation system by C1 bilateral pedicle screws and C2 lamina screws was slightly insufficient. Posterior atlantoaxial fixation with screw-rod forms an approximate “II” shape or “H” increasing transverse-link for better stability. Crossed rod, constituted by connecting rods to the contralateral screws, forms an approximate “X” shape. This fixed construct just likes multi-triangles, whose stability is best, may further enhance the stability.
OBJECTIVE: To evaluate the three-dimensional biomechanical stability of the fixation technique for the crossed rod and parallel rod by the C1 bilateral pedicle screws combined with C2 one pedicle screw and the other lamina screw.
METHODS: Six fresh adult craniocervical specimens were used to test the biomechanical stability. All the specimens were fixed using C1 bilateral pedicle screws and C2 left pedicle screw and right lamina screw. The specimens were observed sequentially in three groups. The unstable group was not fixed. The parallel rod group was fixed by parallel rod connection. The crossed rod group was fixed by the crossed bar connection. The three-dimensional range of motion of the occipital axis was measured on a three-dimensional spinal motion testing machine.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The two internal fixation methods were better in the crossed rod and parallel rod groups than in the unstable group on flexion-extension, lateral bending and left and right axial rotation (P < 0.05). (2) The stability of the crossed rod group was equal to that of the parallel rod group on flexion-extension and lateral bending (P > 0.05). (3) The stability of the crossed rod group was better than that in the parallel rod group on left and right axial rotation (P < 0.05). (4) When the fixation with C1 bilateral pedicle screws and one C2 pedicle screw and the other lamina screw is used, crossed rod fixation can further enhance the axial rotation stability.

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

中图分类号:

邱锋, 许喜林, 马向阳, 方周群, 江伟城, 田树钊, 郑泽龙. 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.

Qiu Feng, Xu Xilin, Ma Xiangyang, Fang Zhouqun, Jiang Weicheng, Tian Shuzhao, Zheng Zelong. Biomechanical comparison of atlantoaxial crossed rod and parallel rod fixation technique for C₂ unilateral lamina screws[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(12): 1805-1809.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计三维稳定性生物力学实验。
1.2 时间及地点于2019年8至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 6具意外死亡的新鲜标本(均由南方医科大学解剖教研室提供)，截取其C7以上部位，4男2女，年龄、死因不详。所有标本经大体观察均无损坏，CT扫描及X射线摄片证实骨骼完整，未见骨发育异常及严重的骨质疏松。在颈椎前3 cm斜行平面取下颅骨前面部分及下颚骨，取出脑组织，保留枕骨转子以下部分，制成完整状态下的颅脊交界区模型。所有标本按1-6编号并各自放入双层塑料袋中，置入-20 ℃的深低温冰箱保存，使用前在室温下逐级解冻。所有标本获取后在1个月内进行生物力学实验。
1.3.2 内固定器实验械所有内固定材料、实验器材均由北京富乐公司提供；内固定材料：直径3.5 mm多轴椎弓根螺钉、直径3.5 mm钛棒。手术操作器械：手术刀、弯钳、万向螺丝刀、开口椎、电钻、开路器、丝攻器、对抗扳手、剪棒器、弯棒器。
1.3.3 实验仪器生物力学测试仪(MTS858，Bionix)，南方医科大学生物力学实验室提供；64层螺旋CT、X射线机，南部战区南方总医院提供；Geomanic软件，南方医科大学生物力学实验室提供。
1.4 方法
1.4.1 模型制备测试前常温下解冻，仔细剔除附着肌肉，保留韧带及关节囊的完整，备用。磨钻切除C1前弓中央结节左右旁开各1 cm部分，于齿状突基底部切断齿状突，离段寰枢椎间所有韧带。大刀小心切除C1-2侧块关节关节囊的后半部分，保留C1-2侧块关节的关节囊的前半部分，制成寰枢椎失稳的实验模型[8-9](图1)。

进一步剔除C7下方及枕骨附着肌肉后于C7椎体前方置入固定钉2枚。将标本底座放入固定模型中间正中央，倒入适量义齿基托树脂液与义齿基托树脂混合黏液于底座中，液体没过固定钉，等待20 min义齿基托树脂完全凝固后取出。取4枚固定螺钉置入枕骨，注意保证4枚螺钉于同一平面。将枕骨旋转45°后倒置于底座模具中，加入适量义齿基托树脂黏稠液，液体没过固定钉，等待20 min义齿基托树脂完全凝固后取出，包埋完成(图2)。

1.4.2 内固定方式每具标本上先后进行C1双侧椎弓根螺钉、C2右侧椎弓根螺钉及C2左侧椎板螺钉置入。寰椎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°，置入2枚3.5 mm×28 mm多轴螺钉。枢椎左侧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1枚3.5 mm× 28 mm多轴螺钉。枢椎右侧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，置入1枚3.5 mm置入右侧椎板多轴螺钉。每一标本螺钉置入完成后行CT扫描评估钉道情况(图3)。在此基础上标本分3组进行观察，不稳组不进行固定，平行棒组采用平行棒连接固定，交叉棒组采用交叉棒连接固定。

将棒适当折弯后，分别进行平行棒及交叉棒固定，平行棒固定即为C1左侧椎弓根螺钉连接C2左侧弓根螺钉，C1右侧椎弓根螺钉连接右侧C2椎板螺钉；交叉棒固定即为C1左侧椎弓根螺钉连接右侧C2椎板螺钉，C1右侧椎弓根螺钉连接左侧C2椎弓根螺钉(图4)。

1.4.3 生物力学测试所有标本生物力学测试均在同一生物力学测试仪上进行(MTS858，Bionix)，均采用非破坏方式进行测试。将标本取出室温解冻后，在枕骨和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距离，必须保证4个点不会互相触碰，避免对实验造成干扰。将标本按照内固定顺序固定好后置于生物力学三维测试仪上，对标本按照后伸、前屈、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转方向分别施加2 N•m纯力偶矩，记录寰枢失稳状态下的三维运动度[10-12]。然后按照上述两种不同的固定方式进行寰枢椎融合内固定，重复以上测试操作。每一具标本在测试过程中通过喷洒生理盐水来保持标本湿润，所有测试均在25 ℃室温下进行。所有标本均由摄像机按照坐标系方式记录脊柱在中立位置、卸载状态及加载状态时的运动坐标(图5)，所有坐标均运用逆向工程软件Geomagic进行处理，计算出枕枢椎节段的运动范围参数。测试完成后摄X射线片评估内固定情况(图6)。

1.5 主要观察指标不同固定状态下，枕枢椎在后伸、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 统计学分析实验对每例标本平行棒与交叉棒固定方式下前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转的运动方位进行分析，计算出不同固定方法的活动范围值(加载状态-卸载状态)的均数和标准差。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S-N-K(s)法，检验显著性设定在P < 0.05。

讨论

3.1 C1-2后路内固定术式演变创伤、感染、肿瘤、先天及后天畸形均可导致颅脊交界区的不稳，可能进一步导致脊髓损伤，临床上常需要予以外科手术治疗。寰枢椎从最初的后路钢丝固定到螺钉、钢板内固定，上颈椎的固定融合技术取得了长足的进步，在此基础上发展的不同组合的联合内固定技术使其应用范围不断扩展，安全性不断提高。
对于寰枢固定的最早报道见于1910年MIXTER等利用牢固丝线线圈对寰枢椎进行捆绑固定治疗寰枢椎不稳[13]，1980年椎板夹被推广作为后路C1-2固定的替代方法[14]，但生物力学表明此两种技术的瞬时稳定性欠佳，需配带坚强外固定，故临床上现在已不单独使用，可作为其他术式的辅助治疗方式[15]。后路Magerl螺钉固定由于其生物力学稳定性较佳而被推崇，但是临床应用发现Magerl螺钉固定方式具有需在透视下进行、无法进行复位、易损伤神经及血管、置钉技术要求高等缺点[16]。寰枢椎后路钉-棒固定系统是近年发展而来的一种具有良好生物力学三维稳定性能的内固定方式[17-20]。C1螺钉主要包括C1椎弓根螺钉[21]、C1侧块螺钉以及C1部分椎弓根螺钉[22]，由于C1椎弓根螺钉拔出力较侧块螺钉强，且无需过度剥离静脉丛，近年来被广泛推崇[23]。C2螺钉主要有椎弓根螺钉、椎板螺钉、侧块螺钉等固定方式[24-26]。生物力学结果表明，椎弓根螺钉与椎板螺钉较侧块螺钉强，而从数值上看椎弓根螺钉最牢靠，且其组成的钉-棒系统表现出优越的三维稳定性能，故临床上首选C2椎弓根螺钉固定方式[27]。
有研究表明约20%的患者由于椎弓根发育异常、枢椎椎弓根过小、横突孔变异等原因无法行C2椎弓根螺钉固定，可选择C2椎板螺钉作为替代固定方式 [28]。生物力学研究已表明，C1双侧椎弓根螺钉联合C2双侧椎板螺钉固定弱于C1双侧椎弓根螺钉联合C2椎弓根螺钉固定系统，增加横向连接杆可能进一步提升其稳定性[29]。DIMITRIEV等[30]对两种方式进行了体外生物力学分析，证明在齿状突骨折中行C1椎弓根螺钉及C2椎板螺钉固定在侧屈及旋转方面无法提供足够的稳定性。而LEHMAN等[31]证明增加横向连接杆于连接棒可以弥补其在侧屈及旋转方面的不足。临床上为了进一步增强其稳定性，在原有“Ⅱ”结构上增加横向连杆连接于连接棒，构成“H”形的固定结构。有学者研究证明，增加横向连杆连接于连接棒以增强固定是一种可行的方案，但是由于连接棒预弯弧度大，使得横向连杆放置难度加大，同时由于枕颈部空间小，放置的横向连杆占据了较多的植骨空间，可能导致植骨不够充分[7]。
此次研究了建立交叉棒固定技术，通过交叉棒固定，形成多个三角形结构，有望进一步增强应用C2椎板螺钉的生物力学稳定性。此次研究直接在人体标本上进行，实验过程模拟手术过程，交叉棒的安放顺利提示交叉棒固定技术可行，在生物力学测试验证后应可直接过渡到临床应用。
3.2 C1-C2固定的屈伸稳定性文献研究表明，C1椎弓根螺钉联合C2椎板螺钉或椎弓根螺钉均可获得良好的抗屈伸功能[28]。研究结果表明，平行棒固定、交叉棒固定与失稳状态下的运动度比较差异均有显著性意义，提示两种固定方式均可显著增强寰枢椎的前后屈伸稳定性。此次研究结果提示交叉棒固定方式与平行棒固定方式在屈伸稳定性上并无差异，交叉棒固定方式相较于平行棒固定方式，在屈伸稳定性上并无裨益。
3.3 C1-C2固定的侧屈稳定性在侧屈方向上，两种内固定方式与寰枢椎失稳定状态下的三维运动度比较差异均有显著性意义，提示两种内固定方式均可显著增强寰枢椎的侧屈稳定性，均可作为临床选择。而此次研究结果提示交叉棒固定方式与平行棒固定方式在侧屈稳定性上并无差异；但早前生物力学研究表明C1椎弓根螺钉与C2双侧椎板螺钉组成的钉棒系统在侧屈方向上较C1椎弓根螺钉与C2椎弓根螺钉组成钉棒系统的稳定差，建议增加横联可增强其侧向稳定性[6]。在失稳状态下，左侧屈与右侧屈比较，两者活动度差异无显著性意义(F=1.030 5，P=0.974 5> 0.05)，可认为左侧屈与右侧屈运动度一致。从此次研究数值上看，C2为椎弓根一侧较C2为椎板一侧的活动度小，这提示当C2为椎弓根螺钉时固定可能更为牢靠。因此，临床上进行C2螺钉选择时，建议优先选择椎弓根螺钉固定。
3.4 C1-C2固定的轴向旋转稳定性寰枢关节对于颈椎的旋转至关重要，故评价寰枢椎固定方式优劣性能的主要指标为其抗旋转功能。对于寰枢椎失稳未上内固定模型的三维运动度，旋转运动度明显大于屈伸及侧屈的运动度。在轴向旋转上，两种内固定方式与寰枢椎失稳状态下的运动度比较差异均有显著性意义，提示两种内固定方式均可显著改善寰枢椎的轴向旋转功能。有学者指出C1椎弓根螺钉与C2双侧椎板螺钉组成的钉棒系统较C1椎弓根螺钉与C2椎弓根螺钉组成钉棒系统的稳定差，建议增加横联可增强其侧向稳定性[6]。虽然增加横向连杆是一种可行方案，但是寰枢椎间植骨区域较小，且部分寰椎存在变异缺损可能，增加横向连杆可能进一步减少植骨空间，造成植骨不融合。并且，由于连接棒预弯弧度大，使得横向连杆放置难度加大，有时难以放置横向连接杆。而此次研究表明，交叉棒固定方式在轴向旋转上的稳定性均优于平行棒固定方式。“X”形的交叉棒固定技术，构成了类似于由多个三角形组成的固定结构，而三角形结构的稳定性最好，从而可以无需增加横向连杆。
3.5 C1-C2固定的综合评价 C1双侧椎弓根螺钉联合C2一侧椎板螺钉一侧椎弓根组成的交叉棒固定在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈方向上与平行棒固定方式相当，而在左旋、右旋方向上，较平行棒固定稳定。临床上需对C2进行固定时，应优先选择C2椎弓根螺钉；但在临床上无法进行C2椎弓根螺钉固定，需采用一侧椎板螺钉固定时，采用交叉棒方式固定可进一步增强其轴向旋转稳定性。但是，交叉棒由于提拉复位能力较平行棒差，故临床上如寰枢椎不稳伴明显脱位时需使用平行棒固定以获得更好的复位效果。临床应用时可以根据患者的个体解剖结构情况和术者对不同手术技术的熟悉程度及不同手术目的进行选择。
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

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

Biomechanical comparison of atlantoaxial crossed rod and parallel rod fixation technique for C₂ unilateral lamina screws

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