Development and biomechanical properties of occipital atlantoaxial complex in 0-6-year-old children: a finite element analysis

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0309

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: All types of severe trauma, malformations, tumors, tuberculosis, and inflammation in 0-6 years old children can easily cause damage to the occipital atlantoaxial complex. When the injury compresses the medulla oblongata, the upper cervical cord, nerves, and blood vessels, surgical correction is needed to restore the mechanical stability of the area. Given that this period of children have different development characteristics from adolescents and adults, the design of internal fixators through anterior, posterior or lateral approaches, orthopedic fixation and mechanical mechanism have not been studied in-depth and unified at home and abroad.

OBJECTIVE: To analyze the morphological development and mechanical mechanism of occipital atlantoaxial complex morphological characteristics in children aged 0-6 years, and to enrich the database of developmental morphological, imaging, and microstructural mechanics of Chinese, and to provide reference for prevention, diagnosis of the disease and treatment and internal fixation device design, research and development.

METHODS: A computer-based retrieval of PubMed, CNKI and WanFang databases was performed for the articles published between January 2004 and December 2017. The keywords were “0-6 years old, pediatric, occipital atlantoaxial complex, anatomy, biomechanical” in English and Chinese, respectively. Eighty-two articles were retrieved, and 58 articles were eligible for the inclusion criteria.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The complex anatomy of the vertebral and skull bases in Children aged 0-6 years is more subtle and highly variable, and the adjacent relationship is complex. Therefore, the adult or juvenile screw-related technical data cannot be applied in developing children, and the surgical risk is very high. Thus, improving the accuracy of nail placement and reducing the error rate have become the key for whether internal fixation can be widely utilized in the occipital atlantoaxial complex surgeries. (2) The severe injury of occipital atlantoaxial complex in 0-6 years old children should be treated with internal fixation, and posterior internal fixation is a commonly used method. Because accompanied with a variety of deformities, and the bone structure is different among children, internal fixation becomes very difficult.

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

Key words: Finite Element Analysis, Atlanto-Axial Joint, Atlanto-Occipital Joint, Child, Biomechanics, Tissue Engineering

CLC Number:

R318

Feng Hui-mei, Wang Xing, Zhang Shao-jie, Xu Yang-yang, Su Bao-ke, Li Kun, Wang Hai-yan, Li Xiao-he, Li Zhi-jun. Development and biomechanical properties of occipital atlantoaxial complex in 0-6-year-old children: a finite element analysis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(23): 3710-3715.

Figures/Tables 1

2.1 小儿OAC的研究意义迄今尚无比较可靠的相对共性化置钉解剖数据(置钉位置、深度、方向等)作为参考[3-11]。随着国内生育“二孩政策”的调整，已经出现婴幼儿出生高峰期，对0-6岁OAC各相关结构等随宫内发育转为出生及生后快速发育巨大变化的形态特征、力学变化规律等基础研究提出更多、更高的需求，但目前国内外缺乏对该年龄段系统化、大样本、数字化的应用基础研究[3-4，6-7，9-11]。故文章对0-6岁儿童OAC诸结构形态发育特征、力学变化规律、内固定技术标准、年龄界限及骨小梁显微结构增龄变化等系统化的交叉应用等进行综述具有重大现实意义。 2.2 小儿枕寰枢形态发育特征枕颈结合部畸形泛指枕骨大孔区及上颈段发育异常，包括扁平颅底、颅底凹陷、小脑扁桃体下疝畸形(Arnold-Chiari畸形)、后颅窝狭窄、枕颈部Chiar畸形、先天性枕颈管卡压综合征、延髓被盖发育异常、枕大孔畸形、寰椎前、后弓不连、缺失(单侧和/或双侧)、寰椎枕骨化、寰枕融合、寰枢椎旋转畸形、齿突发育畸形(齿突缺如、发育不良和齿突小骨)、颈椎分节不全(Klippel-Feil综合征)及椎-基底动脉瘤相关疾病等等[4-7]，这些畸形可单一或混合存在(图2)，绝大多数因胚胎异常生长发育所致，表现为枕颈不稳或寰枢椎不稳，常见的有短颈、斜颈、疼痛、活动受限和神经系统受压症状等多种临床表现[4，7]。随着现代儿童身体发育、出行模式、阅读姿势、活动性质等的改变，国内外儿童的枕颈部各类创伤骨折(含产伤、睡姿不当)、先天发育畸形、颅颈区后天畸形、结核、肿瘤、感染、炎症等并不少见[1，4，6-7]，加之婴幼儿不能自我保护，外伤发病率反呈明显上升趋势。0-6岁儿童OAC在出生后形态发育、生理特性和力学机制等均有其自身的特征和规律，如枕-寰-枢发育中的一次、二次骨化中心、颅/面比、各颅囟与颅缝骨化与闭合时间；骺板、骨骺、寰椎“椎体”、齿突下“盘状软骨板”、齿突尖软骨、神经弓中心软骨联合(即位于椎体和椎弓根交接处的一对三维结构软骨板、枢椎双侧椎弓板逐渐发育靠近等) [8]。而成人特有的颅-颈曲度及比例、寰齿正中关节与尚未确定的“寰齿侧关节”、寰枕与寰枢多个小关节及软骨、韧带、血管、神经等则多在0-6周岁期逐渐形成。 2.3 国内外研究现状及发展动态 Savage等[12]和国内张跃辉等[6]的小儿临床研究均报道外伤是最常见的导致上颈椎骨折伴脱位或不稳的原因。临床多为几种病变同时并存，因而临床治疗也采用多种方式并举的模式，但多以手术方式恢复上颈部的解剖功能；Fu等[13] (2013年)在4具成人尸体C2-7上进行了24枚椎弓根螺钉导板设计和三维打印，效果良好；而Mulroy等[14]认为临床易将儿童期颅底骨折与成人期等同视之，忽略了儿童期颅缝及其变异存在的可能，极易导致误诊误治，但其未进行三维CT影像重建测量儿童枕骨等的不同年龄段各部位厚度、内部骨小梁等发育指标。Adib等[4] (2016年)关于儿童颈椎X射线解剖、影像的综述中认为，通常小于8岁的儿童因脊柱未发育成熟及生物力学作用，损伤常发生在上颈椎；而年龄较大者其生物力学更接近成人，故损伤更易发生在下颈椎；儿童X射线平片颈椎外伤的解释必须考虑到年龄、损伤部位和损伤机制。儿童脊柱的特定解剖和生物力学的综合知识是怀疑颈椎损伤非常必要；识别任何可能的先天性异常，可能被误认为是损伤，由于误将正常的解剖结构及软骨结合(软骨的不完全骨化)诊断为外伤所致，小儿颈椎损伤在急诊中的诊断极具挑战性。鲍剑峰[15]、谭明生等[16]临床上颈椎病例研究认为儿童骨折类型与年龄、骨骼发育成熟度、软骨较多等有密切关系，压缩骨折多见而爆裂骨折较少，其可发生一些成人不可能发生的特殊型骨折。而国内外诸多相关研究都集中于成人寰枢椎、C3-7的单独研究及成人枕骨及头颈部标本或病例测量[13-14，17-19]。而儿童相关研究有CT影像资料比较分析小于16岁儿童颅骨骨缝愈合，但并未涉及0-6岁小儿[20]；另对儿童颈段增龄变化规律的研究仅为2例儿童(无明确年龄)与5例青年(21-30岁)标本[21]。贺盼盼[8](2014年)研究了15例胎儿及3例住院患儿胸椎和腰椎神经弓中心软骨联合的形态特征；认为神经弓中心软骨联合的闭合是年龄和椎体水平双重依赖，4岁前是完全开放的，随后神经弓中心软骨联合的闭合沿着脊柱节段性进行，4岁时腰椎远端椎体的神经弓中心软骨联合最早闭合，下一闭合节段是上胸段胸椎(T1-4)在5岁时闭合，接下来是中段及下段胸椎在5岁以后闭合；但其未研究小儿颈椎且仅为3例住院患儿；可能基于临床活体小儿该区影像扫描辐射、内固定技术难度大、功能复杂危险及尚在动态发育等诸多制约因素，尚未检索到对0-6岁儿童颅-颈结合区作为整体功能单元的增龄发育变化系统研究[4，6-7]。但随着3D设计与打印技术迅速发展，近年已逐步应用于从1岁11个月到12岁不等的儿童枕颈区严重损伤及畸形的临床内固定中，且取得满意的临床疗效[1-4，6-7，22]，并均认为在详细的术前规划、选择恰当直径螺钉、精湛外科技术下行小儿螺钉内固定是安全可行的。临床虽已开展了钛合金钢板-螺钉内固定术(后路寰椎经侧块关节螺钉、枢椎经椎弓根-椎体、枢椎椎体-齿突、寰-枢联合、枕-寰-枢联合内固定及经口前路寰-枢联合内固定等[6-7，10-12，15-18，22])，且报道其具有多点固定、生物力学合理、相对稳定牢固等优点，但0-6岁儿童寰枢椎及颅底复杂解剖结构更加细小且变异大、毗邻关系复杂，无法以成人或青少年螺钉内技术相关数据简单地应用于“非成人等比例缩小”的快速发育中幼儿，加之手术风险极高，故提高置钉的准确性和降低失误率已成为曾经“生命禁区”内固定术能否普遍基层开展的关键所在[15-18，22]，但临床症状出现应手术治疗，后路螺钉内固定是常用术式，因常合并多种畸形，各患儿的骨质结构差异大，内固定置钉更为困难。迄今尚无比较可靠的共性化置钉解剖数据(置钉位置、深度、方向等)作为应用参考[3-4，7-11，22]。故对0-6岁儿童OAC诸结构形态发育特征、力学变化规律、内固定技术标准、年龄界限及骨小梁显微结构增龄变化等系统化的交叉应用研究具有重大现实意义。之前研究因X射线片仅能提供OAC区显影的二维结构，CT或MRI扫描也只能反映骨骼或软组织病变的断层信息，远无法满足临床三维应用需求，造成诸多极有价值信息的缺失。随着数字化技术应用于医学领域，传统医学正朝着以“精确化、个性化、微创化、远程化”为主要特征的现代医学方向发展。三维重建技术可将一系列二维图像重建三维数字化模型进行定性和定量测量分析，为医学研究、临床诊治提供清晰、直观、立体的三维影像信息，近年来亦应用于成人和儿童颅-颈交界的螺钉置入固定术中[9-11，22-25]；2014年刘忠军教授团队完成世界首例3D打印人工枢椎置换术(12岁颈椎尤文氏骨肉瘤患者)，而2016-02-23网报悉尼神经外科于2015年12月耗时15 h完成上颈椎脊索瘤切除后用3D打印内植物连接修复，也称“世界首次进行此手术”。 2.4 有限元分析和数字化应用 2.4.1 有限元分析法在小儿OAC发育中的应用计算机有限元分析法可对形状、结构、材料和载荷情况极其复杂的生物体构件进行应力、应变分析，具有实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复性强等突出优点；国外2013年Meyer等[26]开发了3岁儿童颈椎有限元模型，以椎骨建立为刚体，椎间盘为弹性材料，较之前有较大进步；国内董立强[27]、曹立波等[28]均使用有限元法模拟10岁儿童遭受汽车碰撞，探索颈部损伤的特点和机制，取得较好效果；作者所在课题组的研究生已完成10岁儿童OAC有限元模型并分析了在进行前屈、后伸、侧屈、旋转过度加载(颅底垂直加载30 N预压力， 5.0 N·m)，展示寰椎、枢椎、齿突及寰椎横韧带的应力云图及其应力分布的变化特点，分析了儿童上颈椎损伤的机制[24]；发表了经口寰枢椎前路钢板固定有限元分析及临床意义的论文[25]。经PubMed、Cochrane Library、Web of Science、CNKI、万方等数据库检索均未查到通过三维重建技术针对0-6周岁国人儿童OAC内固定器械计算机有限元模拟仿真和尸体标本置钉生物力学研究的报道。 2.4.2 Micro-CT断层扫描在小儿脊柱方面的应用深入了解椎骨内微结构，为研究者从形态学及组织学探索其功能开启了新途径，而运用Micro-CT可无损、直接地获得所测量标本的微结构，对于骨科领域基础研究，尤其生物力学相关研究意义重大，可对同一标本力学测试前后的微结构变化进行纵向比较，被广泛地应用于骨微结构的探索中[29]；Micro-CT是一种非破坏性的3D成像技术，可在不破坏标本的情况下清晰观测标本的内部显微结构。其与普通CT最大差别在于分辨率极高、辐射低、重建算法精确等优点，可达微米级。结构模型指数对于既有板状骨小梁又有棒状骨小梁的椎骨(寰枢椎标本而言，结构模型指数值决定于板状与棒状骨小梁的体积比，对骨内微结构的定量描述至关重要)。关于椎体微结构参数与年龄的动态变化研究证实，结构模型指数随着年龄的增长明显增长，说明随着年龄的增长，骨小梁会从板状向棒状转化，骨体积分数随着年龄明显降低，骨小梁厚度会随年龄的增大逐渐变小；但随月(年)龄发育的显微骨小梁结构及力学变化的基础及三维重建研究尚处于起步阶段[30]；Sinha等[31](2015年)报道了成人施行枢椎椎板螺钉内固定术患者术后随访，22%出现了椎板内侧皮质破裂；未检索到关于0-6岁儿童寰枢椎系统的相关研究[32-35]。 "

References

[1] Menezes AH.Craniocervical developmental anatomy and its implications. Childs Nerv Syst. 2008;24(10):1109-1122.

[2] 杨明浩,高文雷,金乾坤,等.颅颈交界区畸形寰枢外侧关节生物力学稳定性的有限元分析[J].重庆医学,2015,44(2-9):4070-4073.

[3] 张少杰,王星,李志军,等.应用数字化技术对儿童寰枢椎椎弓根形态及其置钉方式的初步探讨[J].中华小儿外科杂志, 2015,36(5): 373-377.

[4] Adib O, Berthier E, Loisel D, et al. Pediatric cervical spine in emergency:Radiographic features of normal anat-omy,variants and pitfalls. Skeletal Radiol. 2016;45(12):1607-1617.

[5] 覃朝锋,彭国强,罗帝林,等.儿童颅骨后天畸形的病因及影像学表现[J].医学影像学杂志,2013,23(5):810-812.

[6] 张跃辉,邵将,宋佳,等.椎弓根螺钉技术在学龄前儿童寰枢椎脱位治疗中的应用[J].脊柱外科杂志,2016,14(4):211-215.

[7] 李浩,李承鑫,张学军,等.3D打印模型辅助后路内固定治疗儿童颈椎畸形[J].临床小儿外科杂志,2016,15(1):57-59.

[8] 贺盼盼.胎儿及婴幼儿脊柱神经弓中心软骨联合形态学研究[D].郑州大学, 2014.

[9] 李明,蔡贤华,黄卫兵,等.前路经寰枕寰枢关节锁定钛板螺钉内固定系统的匹配性研究[J].中国临床解剖学杂志, 2015,33(5):531-534.

[10] 裴国献.数字骨科学(2版)[M].北京:人民卫生出版社,2016:177-191.

[11] 张少杰,王星,张元智,等.个性化导航模板辅助儿童颈椎椎弓根螺钉置入与徒手置入准确性的对比研究[J].中国脊柱脊髓杂志,2014, 24(11):1020-1024.

[12] Savage JG,Fulkerson DH,Sen AN,et al. Fixation with C-2 laminar screws in occipitocervical or C1-2 constructs in children 5 years of age or younger:a series of 18 patients.J Neurosurg Pediatr. 2014; 14(1):87-93.

[13] Fu M,Lin L,Kong X,et al.Construction and accuracy assessment of patient-specific biocompatible drill template For cervical anterior transpedicular screw(ATPS) insertion an in vitro study. PLoS One. 2013;8(1):1-8.

[14] Mulroy MH,Loyd AM,Fresh DP,et al.Evaluation of pediatric skull fracture imaging techniques. Forensic Sci Int. 2012;214:167-172.

[15] 鲍剑峰,米明珊,梁小弟,等.前后联合入路治疗儿童颈椎重度骨折脱位[J].中国现代医学杂志,2014,24(35):84-87.

[16] 谭明生,唐向盛,王文军,等.寰枢椎椎弓根螺钉内固定术治疗儿童寰枢椎脱位的初步报告[J].中国脊柱脊髓杂志, 2012,22(2):263-266.

[17] 王莉,彭田红,王伟,等.枕骨螺钉内固定的应用解剖[J].南华大学学报:医学版,2006,34(2):172-175.

[18] Dhaliwal PP, Hurlbert RJ, Sutherland GS. Intraoperative magnetic resonance imaging and neuronavigation for transoral approaches to upper cervical pathology. Neurosurg. 2012; 78(1-2):164-169.

[19] 戴贵东,兰永树.上颈椎病变的影像学研究进展[J].国际医学放射学杂志,2013,36(3):232-236.

[20] 刘俊刚,李欣,王春祥,等.儿童枕骨鳞部正常解剖、解剖变异及骨折的三维CT特征[J].中华放射学杂志,2013,47(4):361-363.

[21] 刘伟聪,董炘,徐杰,等.脊柱颈段的年龄变化及其临床意义[J].解剖学研究,2004,26(2):134-138.

[22] 王建华,夏虹,吴增晖,等.经口前路复位内固定技术治疗儿童型颅底凹陷症[J].中国骨科临床与基础研究杂志,2014,6(3):133-138.

[23] 马立敏,张余,尹庆水,等.寰枢椎脱位手术镁合金与钛合金TARP内固定系统在屈伸状态下的三维有限元分析[J].中国数字医学, 2012, 7(11):48-51.

[24] 史斌.10岁儿童上颈椎有限元模型的建立及有限元分析[D].内蒙古医科大学,2015.

[25] 王海燕,李筱贺,张少杰,等.经口寰枢椎前路钢板固定有限元分析及临床意义[J].中国临床解剖学杂志,2015,33(5):568-572.

[26] Meyer F,Deck C,Willinger R,et al. Development of a 3-year-old child head-neck finite element model and derivation of novel head injury criterion. Int J Crashworth. 2013;19(3):233-243．

[27] 董立强.儿童颈部在汽车碰撞中的损伤研究[D].湖南大学,2014.

[28] 曹立波,周舟,蒋彬辉,等.10岁儿童头部有限元模型的建立及验证[J].中国生物医学工程学,2014,33(1):64-66.

[29] 李生鏊,范顺武,赵凤东.Micro-CT在椎体微结构扫描中的应用[J].中华骨科杂志,2016,36(4):241-247.

[30] Thomsen JS,Niklassen AS,Ebbesen EN,et al.Age-related changes of vertical and horizontallumbar vertebral trabecular 3D bone microstructure is different inwomen andmen. Bone. 2013; 57(1): 47-55.

[31] Sinha S,Jagetia A,Aher RB,et al. Occiput/C1-C2 fixations using intra-laminar screw of axis-A long-term follow-up. Br J Neurosurg. 2015;29(2):260-264.

[32] Ashton JR,West JL,Badea CT. In vivo small animal micro-CT using nanoparticle contrast agents. Front Pharmacol. 2015;6:1-22.

[33] Chin KE,Karamchedu NP,Patel TK,et al.Comparison of micro-CT post-processing methods for evaluating the trabecular bone volume fraction in a rat ACL-transection model.J Biomech. 2016; 49(14):3559-3563.

[34] Nobuhito Morotal, Pediatric Craniovertebral Junction Surgery. Neurol Med Chir (Tokyo). 2017;57(9):435-460.

[35] 廖穗祥.新型枕颈内固定系统的研制、生物力学分析及初步临床研究[D].南方医科大学,2017.

[36] 黄忍.Micro-CT扫描正常成人枢椎椎弓板的显微形态学研究[D].内蒙古医科大学,2017.

[37] 陶春生,倪斌,徐朋.小儿颈椎损伤62例临床分析[J].中华小儿外科杂志,2014,35(10):723-726.

[38] Henry M,Riesenburger RI,Kryzanski J,et al.A retrospective comparison of CT and MRI in detecting pediatric cervical spine injury.Childs Nerv Syst. 2013;29(8):13333-13338.

[39] Vaehhrajani S,Sen AN,Satyan K,et al.Estimation of normal computed tomography measurements for the upper cervical spine in the pediatric age group. J Neurosurg Pediatr. 2014;15(8):1-9.

[40] 谭明生,唐向盛,王文军,等.寰枢椎椎弓螺钉内固定术治疗儿童寰枢椎脱位的初步报告[J].中国脊柱脊髓杂,2012,22(2):131-136.

[41] 宋涛,辛涛,张振,等.颅底凹陷症合并寰枢椎脱位手术治疗体会(附8例报告)[J].山东大学学报(医学),2013,51(11):82-84.

[42] 夏虹,石林,赵卫东,等.前路TARP系统与后路钉棒系统对枢椎下拉力的生物力学研究[J]解放军医学杂志,2014,39(7):527-530.

[43] 朱海龙,王卫东,宋瑞鹏.枕骨枢椎临时固定寰枢融合治疗小儿创伤性寰枢不稳[J].河南医学研,2016,25(5):866-867.

[44] Pitzen T,Salman E,Ostrowski G,et al.Left-right axialrotation withinC1-2 after implant removal.J Neurosurg Spine. 2013;19(6): 688-693．

[45] 尹庆水,王建华.寰枢椎脱位的治疗进展[J].中华骨科杂志,2015,35(5): 586-594.