蔡 璇,王 杰,李浩鵬,賀西京

(西安交通大學第二附屬醫(yī)院骨二科,西安 710004;*通訊作者,E-mail:xijinghe@yahoo.com)

生物力學研究和臨床實踐表明,寰樞椎融合術盡管穩(wěn)定了手術節(jié)段,但卻喪失了寰樞椎之間的運動功能,特別是旋轉運動,很多患者術后頸部的旋轉運動明顯受限,嚴重影響患者生活質量,而且融合后的寰樞椎由于運動和彈性功能的喪失將會對頸椎的生理及生物力學特性產(chǎn)生長期的負面影響[1-5]。為解決這一問題,有學者設計出了人工寰椎齒狀突關節(jié),期望以此達到既穩(wěn)定寰樞關節(jié)又保留其運動功能的目的[6,7]。然而現(xiàn)有的技術只有部分單向運動,不符合正常人體運動規(guī)律,并且手術操作復雜,增加了創(chuàng)傷和出血量,限制了其進一步的應用。隨著脊柱非融合技術的發(fā)展,脊柱外科醫(yī)生開始尋求可以保留脊柱椎間活動的可動固定技術來取代傳統(tǒng)的融合固定技術,寰樞椎可動固定技術應運而生。本研究擬依據(jù)正常人體解剖學參數(shù)仿生設計并制造能夠保留寰樞椎各向運動的寰樞椎前路可動固定系統(tǒng),同時,在體外采用新鮮頸椎標本進行生物力學測試,評價該系統(tǒng)固定后寰樞椎的穩(wěn)定性和運動功能,為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 寰樞椎前路可動固定系統(tǒng)的設計制造

采用電子游標卡尺和附著式量角器測量60套正常成年人寰樞椎骨性標本的解剖學參數(shù)。根據(jù)測量結果確定假體的相應幾何參數(shù)及組成,并將其導入制圖軟件,對假體進行設計和動態(tài)仿真裝配。使用醫(yī)用鈦合金原料按預先的設計在高精度數(shù)控機床上加工成型。該系統(tǒng)包括寰椎部件、樞椎部件、關節(jié)部件和固定螺釘。寰椎部件由對稱的弧形固定板以及旋轉袖套組成(見圖1);樞椎部件由固定板、連接于固定板上方的底座和關節(jié)部件組成(見圖2),底座短圓柱形,底座上方有半球形的關節(jié)窩;關節(jié)部件由圓柱形的旋轉軸和位于旋轉軸下方的球形關節(jié)頭組成;寰椎部件采用側塊螺釘固定,樞椎部件采用椎體螺釘和椎弓根螺釘雙重固定(見圖1,2)。

圖1 由弧形固定板以及旋轉袖套組成的寰椎部件Figure 1 The atlas component of the motion-preserving atlanto-odontoid joint system

圖2 由固定板、底座和關節(jié)部件組成的樞椎部件Figure 2 The axis component of the motion-preserving atlanto-odontoid joint system

1.2 生物力學測試標本的制備

1.2.1 標本預處理及分組 12具正常成年男性新鮮頸椎標本,平均年齡42歲,經(jīng)大體觀察及X線證實無骨性結構異常,所有標本均由西安交通大學解剖教研室提供,實驗經(jīng)西安交通大學第二附屬醫(yī)院倫理委員會批準。截取枕骨基底部至樞椎下方節(jié)段(C0-C2),取材后標本用雙層塑料袋密封保存于-20 ℃?zhèn)溆?。生物力學測試前于常溫下將標本自然解凍后,將其表面的皮膚、皮下組織及肌肉剔除,盡可能保留寰樞椎周圍附著的韌帶和側塊關節(jié)囊。所有標本均作為自身對照并按如下順序進行生物力學測試:完整狀態(tài)(對照組)、寰椎前弓與齒狀突切除減壓術后(減壓組)、寰樞椎前路可動固定系統(tǒng)置換術后(假體置換組)及Harms鋼板融合內固定術后(Harms固定組)。

1.2.2 減壓組標本制備 采用高速磨鉆仔細磨除C1前弓及齒狀突,切除寰椎橫韌帶,注意保留寰枕關節(jié)和寰樞側塊關節(jié)的完整性。

1.2.3 可動固定系統(tǒng)置換組標本制備 安裝寰樞椎前路可動固定系統(tǒng),使之位于減壓后標本正中,適度縱向加壓使寰椎部件與樞椎部件緊密配合,1.5 mm克氏針鉆孔后在寰樞椎相應進釘點置釘。根據(jù)系統(tǒng)的設計特點,寰椎固定螺釘與矢狀面向外10°夾角。樞椎椎體螺釘與矢狀面向內10°夾角。樞椎椎弓根螺釘進釘點為上關節(jié)面下5 mm與前正中矢狀面旁6 mm交匯處,螺釘與矢狀面呈向外25°夾角,與水平面呈向下25°夾角。寰樞椎前路可動固定系統(tǒng)的裝配關系見圖3,旋轉軸與旋轉袖套組成的車軸關節(jié)能夠保證寰樞椎之間不受限制的旋轉運動,關節(jié)頭與關節(jié)窩所組成的球窩關節(jié)能夠使寰樞椎產(chǎn)生屈伸和側屈運動,車軸關節(jié)和球窩關節(jié)配合則能允許寰樞椎之間的多軸運動,所有接觸面均拋光為關節(jié)面光潔度。假體在尸體標本安裝后X線透視圖像,顯示假體位置正確,各固定螺釘均位于預先設計好的釘?shù)纼纫妶D4。

圖3 可動固定系統(tǒng)裝配示意圖Figure 3 Schematic illustration of the motion-preserving atlanto-odontoid joint system on the specimen

1.2.4 Harms鋼板內固定組標本制備 在行寰椎前弓與齒狀突切除減壓術后,將Harms鋼板置于減壓處正中,確定進釘點,鉆孔后分別擰入寰椎側塊螺釘和樞椎椎體螺釘,進釘方法與關節(jié)置換組相同。

A.正位 B.側位圖4 尸體標本安裝后正側位X線Figure 4 X ray images of motion-preserving atlanto-odon-toid joint system implanted onto a cadaveric specimen

1.3 生物力學測試

將標本上下端包埋于盛有聚甲基丙烯酸甲酯(PAAM)的特制金屬模具中。保持C2椎體底部與水平方向平行,使寰枕關節(jié)和寰樞關節(jié)處于自然狀態(tài)。將2個marker分別剛性附著于C1和C2椎體,每個marker上均含有4個不共線的紅外線發(fā)光二極管,利用光電運動捕捉系統(tǒng)識別每個marker的空間位置。采用MTS 858生物材料試驗機在非破壞方式下對各標本的三維運動進行測試。通過多通道脊柱測試裝備對標本進行連續(xù)力矩加載直至1.5 Nm,加載速度為0.5°/s,使標本產(chǎn)生屈伸、左右側屈及軸向旋轉6個方向的運動,在每次測試前先行預加載3次,消除標本的黏滯性,采用第4次加載時獲得的數(shù)據(jù)作為測試結果。使用Optotrak 3020光電運動捕捉系統(tǒng)以20 Hz的速率采集加載過程中各marker的空間位置。標本的三維運動測量結果使用運動范圍(range of motion,ROM)和中性區(qū)(neural zone,NZ)來描述。ROM表示該關節(jié)的最大運動范圍,NZ是指從中立位到彈性位移的起點,該區(qū)為無阻抗運動區(qū)即施加較小的力就能獲得較大的運動幅度。

1.4 統(tǒng)計學分析

2 結果

不同組間寰樞椎在屈伸、側屈和旋轉運動時相對運動范圍(ROM)和中性區(qū)(NZ)的測量結果見表1及圖5、圖6。在完整狀態(tài)下,寰樞椎的運動形式以旋轉運動為主,同時伴有部分的側屈和屈伸運動;與對照組相比,減壓組寰樞椎在屈伸、側屈及旋轉運動下的ROM與NZ均顯著增加,差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05);假體置換組寰樞椎在屈伸、側屈下的ROM和NZ與對照組相似,差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05),但軸向旋轉運動與對照組相比顯著增加,差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05);同時,與對照組、減壓組及假體置換組相比,Harms固定術組寰樞椎在各個方向運動下的ROM和NZ均減小,差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

表1四組不同狀態(tài)下的運動范圍及中性區(qū)

Table1ROMandNZanglesofthespecimensinintactstate,unstablestate,afterthemotion-preservingatlanto-odontoidjointsystemimplantation,andafterHarmsrigidfixation

方向對照組減壓組假體置換組Harms固定組運動范圍 前屈1224±1752136±218?1199±156#△278±133?# 后伸1189±0831887±198?1068±188#△368±125?# 側屈951±1661553±182?922±135#△244±038?# 旋轉4094±3685942±432?5127±314?#△662±182?#中性區(qū) 后伸525±086975±081?582±071#△112±025?# 屈曲597±054766±113?638±092#△098±034?# 側屈301±107577±083?375±123#△085±021?# 旋轉2258±2393834±206?2796±267?#△269±068?#

側屈及旋轉運動為雙側相加的平均值;與對照組相比,*P<0.05;與減壓組相比,#P<0.05;與Harms固定組相比,△P<0.05

圖5 四組不同運動狀態(tài)下的運動范圍Figure 5 Range of motion of the C1-C2 segment in all directions in four states

3 討論

臨床研究發(fā)現(xiàn),寰樞融合術限制了頭頸部的活動,尤其是旋轉運動,會對患者術后的生活質量產(chǎn)生嚴重影響;同時,未融合的下頸椎為代償寰樞椎融合術后喪失的運動功能需承受更大應力、從而可能發(fā)生加速退變。因此,如何在充分減壓的基礎上維持枕寰樞復合體的穩(wěn)定性,并且最大限度地保留其運動功能將是今后該部位內固定技術發(fā)展的趨勢[8]。

圖6 四組不同運動狀態(tài)下的中性區(qū)Figure 6 Neutral zone angles of the C1-C2 segment in all directions in four states

國內有部分學者設計了人工寰椎齒狀突關節(jié),期望以此達到既穩(wěn)定寰樞關節(jié)又保留其運動功能的目的。然而現(xiàn)有的假體都不同程度存在缺陷,無法模擬生理狀態(tài)下的寰樞椎運動過程,限制了其進一步的應用[6,7]。筆者依據(jù)人體解剖參數(shù)仿生設計的寰樞椎前路可動固定系統(tǒng)能夠獲得寰樞椎在各個方向上的活動,該假體適用于陳舊性齒狀突骨折不愈合、先天性游離齒狀突畸形、顱底凹陷等需要經(jīng)口行齒狀突切除減壓的病例。

在正常情況下,寰樞椎的主要運動為旋轉運動,它的瞬時旋轉軸位于齒狀突,當寰椎前弓及齒狀突切除后,其瞬時旋轉軸將后移至雙側側塊關節(jié)處[9-11]。本研究發(fā)現(xiàn),與正常完整狀態(tài)相比,寰椎前弓與齒狀突切除減壓術后寰樞椎在屈伸、側屈及旋轉運動下的ROM和NZ均顯著增加(P<0.05)。盡管寰樞椎主要承擔了頭頸部的旋轉運動,但其屈伸和側屈活動范圍十分有限,頭頸部的屈伸和側屈運動主要由寰枕關節(jié)和下頸椎的椎間關節(jié)來完成,但若完全限制側屈和屈伸運動則有可能會增加固定螺釘?shù)膽?導致假體松動。因此,通過球窩關節(jié)的設計保證了部分的屈伸和側屈運動,球窩和車軸關節(jié)結合的設計保證了不受限制的旋轉運動。本研究發(fā)現(xiàn),寰樞椎前路可動固定系統(tǒng)植入后,寰樞椎在屈伸、側屈及運動下的ROM和NZ與完整狀態(tài)相似,差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05),但軸向旋轉運動與完整狀態(tài)相比有顯著增加。分析造成此結果的原因可能有2個方面:①寰樞椎前路可動固定手術進行前路減壓時切除了翼狀韌帶和齒突尖韌帶,從而喪失了對旋轉運動的限制,因此可能產(chǎn)生旋轉運動下不穩(wěn)的情況;②該系統(tǒng)球窩和車軸雙重關節(jié)的設計使得旋轉運動不受限制,結果導致旋轉運動下可能會有寰樞椎的過度活動。同時,與完整狀態(tài)、減壓術后及可動固定術后相比,Harms鋼板融合內固定術后寰樞椎在屈伸、側屈及旋轉運動下的ROM和NZ均減小,差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),與已發(fā)表的生物力學研究結果類似[12]。

上述研究結果表明,我們所設計的寰樞椎前路可動固定系統(tǒng)能夠從結構和功能上對寰樞椎進行仿生模擬,達到了兼顧寰樞椎穩(wěn)定性和運動功能的雙重目的,為寰樞椎疾患的手術治療提供了一種全新的選擇,符合頸椎非融合固定技術的發(fā)展趨勢;然而體外實驗無法完全模擬活體內的生理狀態(tài),該系統(tǒng)在體內長期放置的安全性和有效性,以及其在體內的生物衰竭等目前依然未知。因此,需要進一步的體外實驗和活體實驗來對寰樞椎前路可動固定系統(tǒng)進行深入的評價。

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