寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng)的研制及生物力學(xué)研究

蔡 璇,王 杰,李浩鵬,賀西京

(西安交通大學(xué)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(xué)研究和臨床實(shí)踐表明,寰樞椎融合術(shù)盡管穩(wěn)定了手術(shù)節(jié)段,但卻喪失了寰樞椎之間的運(yùn)動(dòng)功能,特別是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),很多患者術(shù)后頸部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)明顯受限,嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量,而且融合后的寰樞椎由于運(yùn)動(dòng)和彈性功能的喪失將會(huì)對(duì)頸椎的生理及生物力學(xué)特性產(chǎn)生長(zhǎng)期的負(fù)面影響[1-5]。為解決這一問(wèn)題,有學(xué)者設(shè)計(jì)出了人工寰椎齒狀突關(guān)節(jié),期望以此達(dá)到既穩(wěn)定寰樞關(guān)節(jié)又保留其運(yùn)動(dòng)功能的目的[6,7]。然而現(xiàn)有的技術(shù)只有部分單向運(yùn)動(dòng),不符合正常人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并且手術(shù)操作復(fù)雜,增加了創(chuàng)傷和出血量,限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。隨著脊柱非融合技術(shù)的發(fā)展,脊柱外科醫(yī)生開(kāi)始尋求可以保留脊柱椎間活動(dòng)的可動(dòng)固定技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)的融合固定技術(shù),寰樞椎可動(dòng)固定技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本研究擬依據(jù)正常人體解剖學(xué)參數(shù)仿生設(shè)計(jì)并制造能夠保留寰樞椎各向運(yùn)動(dòng)的寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng),同時(shí),在體外采用新鮮頸椎標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試,評(píng)價(jià)該系統(tǒng)固定后寰樞椎的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)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(dòng)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造

采用電子游標(biāo)卡尺和附著式量角器測(cè)量60套正常成年人寰樞椎骨性標(biāo)本的解剖學(xué)參數(shù)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定假體的相應(yīng)幾何參數(shù)及組成,并將其導(dǎo)入制圖軟件,對(duì)假體進(jìn)行設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真裝配。使用醫(yī)用鈦合金原料按預(yù)先的設(shè)計(jì)在高精度數(shù)控機(jī)床上加工成型。該系統(tǒng)包括寰椎部件、樞椎部件、關(guān)節(jié)部件和固定螺釘。寰椎部件由對(duì)稱的弧形固定板以及旋轉(zhuǎn)袖套組成(見(jiàn)圖1);樞椎部件由固定板、連接于固定板上方的底座和關(guān)節(jié)部件組成(見(jiàn)圖2),底座短圓柱形,底座上方有半球形的關(guān)節(jié)窩;關(guān)節(jié)部件由圓柱形的旋轉(zhuǎn)軸和位于旋轉(zhuǎn)軸下方的球形關(guān)節(jié)頭組成;寰椎部件采用側(cè)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(jiàn)圖1,2)。

圖1 由弧形固定板以及旋轉(zhuǎn)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(guān)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(xué)測(cè)試標(biāo)本的制備

1.2.1 標(biāo)本預(yù)處理及分組 12具正常成年男性新鮮頸椎標(biāo)本,平均年齡42歲,經(jīng)大體觀察及X線證實(shí)無(wú)骨性結(jié)構(gòu)異常,所有標(biāo)本均由西安交通大學(xué)解剖教研室提供,實(shí)驗(yàn)經(jīng)西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。截取枕骨基底部至樞椎下方節(jié)段(C0-C2),取材后標(biāo)本用雙層塑料袋密封保存于-20 ℃?zhèn)溆?。生物力學(xué)測(cè)試前于常溫下將標(biāo)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?chē)街捻g帶和側(cè)塊關(guān)節(jié)囊。所有標(biāo)本均作為自身對(duì)照并按如下順序進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試:完整狀態(tài)(對(duì)照組)、寰椎前弓與齒狀突切除減壓術(shù)后(減壓組)、寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng)置換術(shù)后(假體置換組)及Harms鋼板融合內(nèi)固定術(shù)后(Harms固定組)。

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

1.2.3 可動(dòng)固定系統(tǒng)置換組標(biāo)本制備 安裝寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng),使之位于減壓后標(biāo)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(yīng)進(jìn)釘點(diǎn)置釘。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),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(nèi)10°夾角。樞椎椎弓根螺釘進(jìn)釘點(diǎn)為上關(guān)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(dòng)固定系統(tǒng)的裝配關(guān)系見(jiàn)圖3,旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)袖套組成的車(chē)軸關(guān)節(jié)能夠保證寰樞椎之間不受限制的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩所組成的球窩關(guān)節(jié)能夠使寰樞椎產(chǎn)生屈伸和側(cè)屈運(yùn)動(dòng),車(chē)軸關(guān)節(jié)和球窩關(guān)節(jié)配合則能允許寰樞椎之間的多軸運(yùn)動(dòng),所有接觸面均拋光為關(guān)節(jié)面光潔度。假體在尸體標(biāo)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(yù)先設(shè)計(jì)好的釘?shù)纼?nèi)見(jiàn)圖4。

圖3 可動(dòng)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(nèi)固定組標(biāo)本制備 在行寰椎前弓與齒狀突切除減壓術(shù)后,將Harms鋼板置于減壓處正中,確定進(jìn)釘點(diǎn),鉆孔后分別擰入寰椎側(cè)塊螺釘和樞椎椎體螺釘,進(jìn)釘方法與關(guān)節(jié)置換組相同。

A.正位 B.側(cè)位圖4 尸體標(biāo)本安裝后正側(cè)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(xué)測(cè)試

將標(biāo)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(guān)節(jié)和寰樞關(guān)節(jié)處于自然狀態(tài)。將2個(gè)marker分別剛性附著于C1和C2椎體,每個(gè)marker上均含有4個(gè)不共線的紅外線發(fā)光二極管,利用光電運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)識(shí)別每個(gè)marker的空間位置。采用MTS 858生物材料試驗(yàn)機(jī)在非破壞方式下對(duì)各標(biāo)本的三維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)多通道脊柱測(cè)試裝備對(duì)標(biāo)本進(jìn)行連續(xù)力矩加載直至1.5 Nm,加載速度為0.5°/s,使標(biāo)本產(chǎn)生屈伸、左右側(cè)屈及軸向旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),在每次測(cè)試前先行預(yù)加載3次,消除標(biāo)本的黏滯性,采用第4次加載時(shí)獲得的數(shù)據(jù)作為測(cè)試結(jié)果。使用Optotrak 3020光電運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)以20 Hz的速率采集加載過(guò)程中各marker的空間位置。標(biāo)本的三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量結(jié)果使用運(yùn)動(dòng)范圍(range of motion,ROM)和中性區(qū)(neural zone,NZ)來(lái)描述。ROM表示該關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動(dòng)范圍,NZ是指從中立位到彈性位移的起點(diǎn),該區(qū)為無(wú)阻抗運(yùn)動(dòng)區(qū)即施加較小的力就能獲得較大的運(yùn)動(dòng)幅度。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

不同組間寰樞椎在屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)和中性區(qū)(NZ)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1及圖5、圖6。在完整狀態(tài)下,寰樞椎的運(yùn)動(dòng)形式以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主,同時(shí)伴有部分的側(cè)屈和屈伸運(yùn)動(dòng);與對(duì)照組相比,減壓組寰樞椎在屈伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下的ROM與NZ均顯著增加,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);假體置換組寰樞椎在屈伸、側(cè)屈下的ROM和NZ與對(duì)照組相似,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),但軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與對(duì)照組相比顯著增加,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);同時(shí),與對(duì)照組、減壓組及假體置換組相比,Harms固定術(shù)組寰樞椎在各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)下的ROM和NZ均減小,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表1四組不同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)范圍及中性區(qū)

Table1ROMandNZanglesofthespecimensinintactstate,unstablestate,afterthemotion-preservingatlanto-odontoidjointsystemimplantation,andafterHarmsrigidfixation

方向?qū)φ战M減壓組假體置換組Harms固定組運(yùn)動(dòng)范圍 前屈1224±1752136±218?1199±156#△278±133?# 后伸1189±0831887±198?1068±188#△368±125?# 側(cè)屈951±1661553±182?922±135#△244±038?# 旋轉(zhuǎn)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(cè)屈301±107577±083?375±123#△085±021?# 旋轉(zhuǎn)2258±2393834±206?2796±267?#△269±068?#

側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為雙側(cè)相加的平均值;與對(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)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(shù)限制了頭頸部的活動(dòng),尤其是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),會(huì)對(duì)患者術(shù)后的生活質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響;同時(shí),未融合的下頸椎為代償寰樞椎融合術(shù)后喪失的運(yùn)動(dòng)功能需承受更大應(yīng)力、從而可能發(fā)生加速退變。因此,如何在充分減壓的基礎(chǔ)上維持枕寰樞復(fù)合體的穩(wěn)定性,并且最大限度地保留其運(yùn)動(dòng)功能將是今后該部位內(nèi)固定技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[8]。

圖6 四組不同運(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)有部分學(xué)者設(shè)計(jì)了人工寰椎齒狀突關(guān)節(jié),期望以此達(dá)到既穩(wěn)定寰樞關(guān)節(jié)又保留其運(yùn)動(dòng)功能的目的。然而現(xiàn)有的假體都不同程度存在缺陷,無(wú)法模擬生理狀態(tài)下的寰樞椎運(yùn)動(dòng)過(guò)程,限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用[6,7]。筆者依據(jù)人體解剖參數(shù)仿生設(shè)計(jì)的寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng)能夠獲得寰樞椎在各個(gè)方向上的活動(dòng),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(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),它的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸位于齒狀突,當(dāng)寰椎前弓及齒狀突切除后,其瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸將后移至雙側(cè)側(cè)塊關(guān)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(shù)后寰樞椎在屈伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下的ROM和NZ均顯著增加(P<0.05)。盡管寰樞椎主要承擔(dān)了頭頸部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),但其屈伸和側(cè)屈活動(dòng)范圍十分有限,頭頸部的屈伸和側(cè)屈運(yùn)動(dòng)主要由寰枕關(guān)節(jié)和下頸椎的椎間關(guān)節(jié)來(lái)完成,但若完全限制側(cè)屈和屈伸運(yùn)動(dòng)則有可能會(huì)增加固定螺釘?shù)膽?yīng)力,導(dǎo)致假體松動(dòng)。因此,通過(guò)球窩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)保證了部分的屈伸和側(cè)屈運(yùn)動(dòng),球窩和車(chē)軸關(guān)節(jié)結(jié)合的設(shè)計(jì)保證了不受限制的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本研究發(fā)現(xiàn),寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng)植入后,寰樞椎在屈伸、側(cè)屈及運(yùn)動(dòng)下的ROM和NZ與完整狀態(tài)相似,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),但軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與完整狀態(tài)相比有顯著增加。分析造成此結(jié)果的原因可能有2個(gè)方面:①寰樞椎前路可動(dòng)固定手術(shù)進(jìn)行前路減壓時(shí)切除了翼狀韌帶和齒突尖韌帶,從而喪失了對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的限制,因此可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下不穩(wěn)的情況;②該系統(tǒng)球窩和車(chē)軸雙重關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)使得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不受限制,結(jié)果導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下可能會(huì)有寰樞椎的過(guò)度活動(dòng)。同時(shí),與完整狀態(tài)、減壓術(shù)后及可動(dòng)固定術(shù)后相比,Harms鋼板融合內(nèi)固定術(shù)后寰樞椎在屈伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下的ROM和NZ均減小,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),與已發(fā)表的生物力學(xué)研究結(jié)果類(lèi)似[12]。

上述研究結(jié)果表明,我們所設(shè)計(jì)的寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng)能夠從結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)寰樞椎進(jìn)行仿生模擬,達(dá)到了兼顧寰樞椎穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)功能的雙重目的,為寰樞椎疾患的手術(shù)治療提供了一種全新的選擇,符合頸椎非融合固定技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì);然而體外實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全模擬活體內(nèi)的生理狀態(tài),該系統(tǒng)在體內(nèi)長(zhǎng)期放置的安全性和有效性,以及其在體內(nèi)的生物衰竭等目前依然未知。因此,需要進(jìn)一步的體外實(shí)驗(yàn)和活體實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)寰樞椎前路可動(dòng)固定系統(tǒng)進(jìn)行深入的評(píng)價(jià)。

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