新型寰樞椎后路動態(tài)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)評價

蔣偉宇,于 亮,馬維虎,趙劉軍,徐榮明

寰樞椎復(fù)合體是人體頸椎重要結(jié)構(gòu)之一，其活動度大，解剖復(fù)雜，寰樞椎固定手術(shù)一直被認(rèn)為是脊柱外科的一大挑戰(zhàn)。隨著各種寰樞融合術(shù)和枕頸融合術(shù)不斷出現(xiàn)和發(fā)展，大大提高了療效，降低了傷殘率。對于寰樞椎骨質(zhì)明顯損傷的患者，固定與融合是目前有效的辦法，但是對于骨質(zhì)相對完整而軟組織、韌帶損傷的寰樞椎不穩(wěn)的患者，如寰樞椎旋轉(zhuǎn)半脫位、單純橫韌帶損傷等，若采用現(xiàn)行各種固定融合術(shù)式會嚴(yán)重地限制頸椎旋轉(zhuǎn)功能，并且未融合頸椎節(jié)段為代償融合節(jié)段所喪失的運動功能和維持姿勢的平衡，加速退變，導(dǎo)致未融合頸椎節(jié)段失穩(wěn)甚至脫位等鄰椎病，對下頸椎造成不利影響[1-2]。

隨著非融合技術(shù)的廣泛應(yīng)用于臨床，于是有學(xué)者提出人工寰齒關(guān)節(jié)置換[3-4]，試圖保留寰樞關(guān)節(jié)的活動度，但由于受到材料學(xué)及人工關(guān)節(jié)本身設(shè)計的限制，目前仍停留在實驗階段，存在較大的技術(shù)難題。鑒于此，本研究設(shè)計一種新型寰樞椎后路動態(tài)固定系統(tǒng)，并進(jìn)行生物力學(xué)評價，為完善新型后路寰樞椎動態(tài)固定系統(tǒng)的設(shè)計與臨床應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮的成人枕頸標(biāo)本(C0-4)8例，使用多層螺旋CT掃描機(jī)對標(biāo)本進(jìn)行掃描，排除任何骨折、畸形等結(jié)構(gòu)異常，并測定其骨密度，骨密度平均值為0.848(ρ值為0.712～0.914)，排除骨質(zhì)疏松。隨后將標(biāo)本逐個仔細(xì)剔除頸椎所附肌肉等軟組織，保留并避免損傷頸椎主要韌帶及后關(guān)節(jié)突的完整性，隨機(jī)取樣，上下用聚甲基丙烯酸甲脂包埋，制成完整的頸椎實驗標(biāo)本，并貼上相應(yīng)標(biāo)簽。在-30℃冰箱中保存標(biāo)本，實驗前在室溫下解凍。

1.2 實驗?zāi)Ｐ椭谱髋c分組

8具標(biāo)本被隨機(jī)分成以下4組：完整狀態(tài)組(intact組)，將標(biāo)本在室溫條件下自然解凍8 h，為生理狀態(tài)的頸椎標(biāo)本，不做任何結(jié)構(gòu)破壞及內(nèi)固定處理。寰樞椎不穩(wěn)狀態(tài)組(unstable組)，將頸椎寰樞橫韌帶切斷，前縱韌帶、翼狀韌帶和齒突尖韌帶一并切斷，保留骨、關(guān)節(jié)等其他組織的完整性。寰樞椎后路動態(tài)固定狀態(tài)組(dynamic fix組)，在寰樞椎不穩(wěn)狀態(tài)組基礎(chǔ)上行寰樞椎后路動態(tài)固定。寰樞椎后路椎弓根螺釘固定狀態(tài)組(pedicle fix組)，在寰樞椎不穩(wěn)狀態(tài)組基礎(chǔ)上行常規(guī)寰樞椎后路椎弓根螺釘固定。

1.3 生物力學(xué)測試

所有生物力學(xué)測試在非破壞方式下進(jìn)行測量。加載按照人體頸部承受的重量，以150 N為最大生理載荷，最大力矩為1.50 N·m，不致出現(xiàn)過伸或過屈位。頸椎運動以前屈/后伸，左/右側(cè)彎和左/右旋轉(zhuǎn)等6種生理運動方式，加載速率為1.50 mm/min，并實行分極加載。測試標(biāo)本時，首先標(biāo)定實驗機(jī)臺空間XYZ三維坐標(biāo)。然后將標(biāo)本下端包埋塊固定在實驗機(jī)臺基座上，上端與加載盤相連，通過懸吊于加載盤上的砝碼，對頸椎施加1.50 N·m純力偶矩。每種運動先進(jìn)行3次最大載荷下的加載/卸載循環(huán)，將頸椎的黏彈性消除到最小。每次加載和卸載后停留30 s左右，以允許頸椎蠕變運動，得到穩(wěn)定的實驗結(jié)果。所有標(biāo)本測試時施加力偶按前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左/右軸向旋轉(zhuǎn)的順序進(jìn)行，取均值表達(dá)。將測量得到的數(shù)據(jù)整理后，得到4組模型運動范圍(range of movement, ROM)結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理

計算所得數(shù)據(jù)均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，對不同狀態(tài)下各組之間數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(ANOVA)、Fish最小二乘法差異分析(LSD)及TambaneT進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，設(shè)P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 C1/C2、C2/C3節(jié)段的三維運動測量結(jié)果

C1/C2ROM測試結(jié)果顯示：①完整狀態(tài)與失穩(wěn)狀態(tài)比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；②動態(tài)固定系統(tǒng)與正常完整標(biāo)本相比較，差異無明顯統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。③常規(guī)椎弓根螺釘固定固定與正常完整標(biāo)本相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)；與動態(tài)固定法相比差異也有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。

C2/C3ROM測試結(jié)果顯示：①失穩(wěn)狀態(tài)時ROM增加特別明顯，同正常完整狀態(tài)相比，屈伸狀態(tài)增加39%，側(cè)屈狀態(tài)增加40%，軸向旋轉(zhuǎn)增加23%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。②動態(tài)固定系統(tǒng)與完整標(biāo)本相比，屈伸狀態(tài)、側(cè)屈狀態(tài)和軸向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)兩者分別相差9%、7%、10%，動態(tài)固定系統(tǒng)基本上接近正常標(biāo)本，唯在軸向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)有一定差異，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。③常規(guī)椎弓根螺釘固定后使毗鄰節(jié)段的ROM發(fā)生了變化，由于寰樞椎固定太堅固，使C2/C3節(jié)段椎間盤運動范圍反而增加了，屈/伸增大70%，側(cè)屈增大78%，軸向旋轉(zhuǎn)增大19%，差異有顯著統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。④C2/C3節(jié)段分別采用動態(tài)固定和椎弓根螺釘固定后的ROM相比，兩者依次相差30%、34%、22%，差異有顯著統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001，見表1)

2.2 C1/C2、C2/C3節(jié)段三維運動穩(wěn)定性指數(shù)(stability index,SI)比較

為更加直觀評價各種固定方法的穩(wěn)定性，進(jìn)行三維運動SI比較。設(shè)完整標(biāo)本各方向運動范圍的穩(wěn)定性為100%，實驗測得的節(jié)段運動與脊柱的穩(wěn)定性成反比，假設(shè)其節(jié)段運動范圍越大，其穩(wěn)定性性越差，將各種狀態(tài)的運動范圍(Rf)按照各自完整標(biāo)本的運動范圍(Ri)公式計算：SI = Ri / Rf×100%。

C1/C2測試結(jié)果表明：①寰樞椎三維運動SI完整時為100%，而失穩(wěn)時屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)只有59%、56%和90%，而采用動態(tài)固定系統(tǒng)固定，SI上升，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。②采用椎弓根螺釘固定，則運動SI增加得非常明顯，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。

分組Groups屈曲/后伸Flexion/extensionC1/C2C2/C3左右側(cè)屈Left/right lateral bendingC1/C2C2/C3左右旋轉(zhuǎn)Left/right rotationC1/C2C2/C3完整Intact21.86±2.2136.24±3.5711.54±1.6120.18±2.4671.96±7.9877.19±8.18失穩(wěn)Unstable37.16±3.3859.85±5.7020.78±2.2333.76±3.6979.16±7.8499.88±9.22動態(tài)固定Dynamic fixation20.12±2.1033.15±3.5510.51±1.1118.78±1.7965.44±6.5569.17±6.33椎弓根螺釘固定Pedicle fixation14.12±0.1647.14±5.226.24±0.6128.26±3.1330.48±3.1288.80±8.96

C2/C3測試結(jié)果表明：①完整標(biāo)本的屈/伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)SI均為100%，而失穩(wěn)時下降到分別為61%、60%和77%，動態(tài)固定時SI分別上升為109%、107%和112%。②若采用椎弓根螺釘固定，SI反而分別下降77%、71%和87%，比動態(tài)固定SI分別低29%、34%和22%，統(tǒng)計顯示具有非常顯著性差異(P<0.001，見表2)

3 討 論

新型寰樞椎后路動態(tài)固定系統(tǒng)的研制，借鑒非融合技術(shù)的普遍性原則和要求，結(jié)合樞椎椎弓根技術(shù)。同時應(yīng)用三維運動測試系統(tǒng)測定該固定系統(tǒng)對失穩(wěn)寰樞椎間ROM的影響，并與現(xiàn)有固定(寰樞椎弓根固定)方法進(jìn)行比較，以完整狀態(tài)的節(jié)段運動為對照組，對在維持局部穩(wěn)定性、保存運動功能以及對下位椎間ROM的影響等方面進(jìn)行生物力學(xué)評價，為完善設(shè)計和臨床應(yīng)用提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

在本生物力學(xué)實驗中新型寰樞椎后路動態(tài)固定系統(tǒng)在C1/C2節(jié)段的ROM與正常完整標(biāo)本相比較，屈伸狀態(tài)、側(cè)屈狀態(tài)和軸向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)兩者ROM分別相差8%、9%、9%，說明新型寰樞椎后路動態(tài)固定系統(tǒng)固定后，可達(dá)到既恢復(fù)寰樞關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性又保留其運動功能的目的。采用常規(guī)椎弓根螺釘固定寰樞椎，其固定后的ROM與正常完整標(biāo)本相比較，屈伸狀態(tài)、側(cè)屈狀態(tài)、軸向旋轉(zhuǎn)狀者ROM分別相差達(dá)35%、46%、58%，雖然固定堅強(qiáng)、牢固，但嚴(yán)重限制了頸椎的正常運動。與寰樞椎后路動態(tài)固定法ROM相比，兩者分別相差30%、41%、53%。同樣在C2/C3節(jié)段動態(tài)固定系統(tǒng)ROM與完整標(biāo)本相比較，屈伸狀態(tài)、側(cè)屈狀態(tài)和軸向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)兩者分別相差9%、7%、10%，基本上接近正常標(biāo)本。而常規(guī)椎弓根螺釘固定后使毗鄰節(jié)段的ROM發(fā)生了變化，由于寰樞椎固定太堅強(qiáng)，使C2/C3節(jié)段椎間盤運動范圍反而增加了，屈/伸增大70%，側(cè)屈增大78%，軸向旋轉(zhuǎn)增大19%。C2/C3節(jié)段分別采用動態(tài)固定和椎弓根螺釘固定后ROM相比，兩者依次相差30%、34%、22%。因椎弓根固定節(jié)段內(nèi)在剛度增加，活動幅度明顯下降或消失，因而頸椎節(jié)段ROM將發(fā)生重分配，活動度會轉(zhuǎn)移到剩余運動節(jié)段，會使鄰近節(jié)段加速發(fā)生椎間盤退變或者引起椎管狹窄，關(guān)節(jié)突肥大性骨關(guān)節(jié)炎的危險性也增加。本實驗證明采用動態(tài)固定的可靠性、靈活性和穩(wěn)定性，理論上可降低對鄰近節(jié)段椎間盤的影響。

分組Groups屈曲/后伸Flexion/extensionC1/C2C2/C3左右側(cè)屈Left/right lateral bendingC1/C2C2/C3左右旋轉(zhuǎn)Left/right rotationC1/C2C2/C3完整Intact100100100100100100失穩(wěn)Unstable58.8260.5555.5359.7790.0777.28動態(tài)固定Dynamic fixation108.65109.32109.8107.45109.96111.59椎弓根螺釘固定Pedicle fixation154.8276.67184.9471.41236.0986.93

同時，本實驗結(jié)果顯示寰樞椎C1/C2失穩(wěn)狀態(tài)的SI值屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)分別只有59%、56%和90%，而若采用動態(tài)固定系統(tǒng)固定，SI分別上升到109%、110%和110%，頸椎穩(wěn)定性分別增加46%、49%和18%。而后路椎弓根螺釘固定，SI增加得非常明顯，分別增加為155%、185%和236%，比動態(tài)固定分別高30%、41%和53%。失穩(wěn)狀態(tài)下的C2/C3節(jié)段三維運動的穩(wěn)定性指數(shù)SI，下降到分別為61%、60%和77%，動態(tài)固定時SI分別上升為109%、107%和112%，接近正常標(biāo)本并超過正常標(biāo)本,穩(wěn)定度更好，動態(tài)固定有其明顯的優(yōu)越性。若采用椎弓根螺釘固定，SI反而分別下降77%、71%和87%，比動態(tài)固定分別低29%、34%和22%。這一結(jié)果顯示，椎弓根螺釘固定非常堅強(qiáng)，限制了節(jié)段的運動非常明顯，穩(wěn)定性雖好，但不足的是常常會使鄰近節(jié)段運動發(fā)生代償性變化，增加了鄰近節(jié)段的ROM，可能會發(fā)生鄰近節(jié)段椎間盤的退變現(xiàn)象。而采用寰樞椎后路動態(tài)固定，SI接近完整標(biāo)本，既有效保證了頸椎的正常運動，又維系了頸椎的穩(wěn)定性。

本生物力學(xué)測試結(jié)果表明，全新寰樞椎后路動態(tài)固定系統(tǒng)，能使寰樞椎運動功能得以一定的保留，既能恢復(fù)寰樞椎關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性又保留其運動功能。由于本實驗僅僅作了初步設(shè)計和生物力學(xué)測試，作為一種動態(tài)固定方法，其需要長期的穩(wěn)定性、耐用性，運用于臨床還需在材料學(xué)等各個方面進(jìn)行更深入的研究。因此，課題下一步將進(jìn)行疲勞實驗，并將對正常寰樞椎活動軌跡進(jìn)行CT研究和三維有限元的研究，使用該動態(tài)固定系統(tǒng)更加完善。

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