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上颈椎后路内固定治疗的基础研究

尹东  
【摘要】:研究背景 上颈椎疾患是临床常见、且在治疗上比较棘手的问题。1939年Gallie采用寰椎后弓下钢丝和枢椎棘突钢丝及大植骨块内固定,1977年Fielding-Brooks采用椎板下双股钢丝及大植骨块内固定,1979年Magerl等首次采用经后路寰枢椎关节螺钉内固定,1984年报道Halifax椎板夹或Apofix椎板夹内固定,1994年Goel采用寰椎侧块螺钉及枢椎椎弓根螺钉内固定。目前,后路寰枢椎融合术是治疗寰枢椎不稳最常用的方法之一,其优势是容易显露且暴露的手术范围广,便于安置内固定和术中植骨。Gallie技术和Brooks技术这两种手术方法均需在椎板下穿钢丝和固定在寰椎后弓上,其危险性较高,特别是在脊髓受压的情况下风险更大,且钢丝对于阻止旋转和侧方移位的效果不够理想,不能获得寰枢椎之间足够的稳定。Halifax椎板夹和Apofix椎板钩的主要特点是应用简单,操作方便,但和钢丝固定技术一样,虽然有良好的前后方向的稳定性,仍然存在抗旋转移位和抗侧方移位强度不够的缺点,导致植骨融合的比率仅在80%左右。Magerl经侧块关节螺钉技术克服了上述不足,其固定强度牢靠,具有优异的三维稳定性,疗效满意,植骨融合率高达95%以上。但Magerl技术要求螺钉固定前必须达到解剖复位,而且手术全过程要求在X线透视机下进行,特别是螺钉的上倾角度过大,造成操作困难,使该技术的应用在一定程度上受到限制。近年来,上颈椎因创伤、严重的退行性变以及肿瘤切除术后所致不稳采用寰枢椎后路椎弓根螺钉系统固定治疗已经开展,该固定技术是将螺钉固定于寰椎和枢椎的椎弓根,利用钛合金板或棒连接构成短节段固定系统,螺钉进钉角度小,固定前不须达到解剖复位,而且无须持续在X线透视下进行操作,在技术和性能上具有明显的优越性。但是由于局部解剖形态复杂以及结构功能的重要性,手术难度大,并发症严重,特别是椎动脉损伤。而国内有关上颈椎的应用解剖学研究及生物力学研究甚少。本研究对寰椎侧块、枢椎椎弓根的有关解剖学特征做较为详细的测量,并对寰枢椎后路椎弓根螺钉固定术式进行生物力学测试,建立寰枢椎后路椎弓根螺钉固定术式的有限元模型,为临床寰枢椎后路椎弓根螺钉固定提供理论依据,评价其应用前景。 研究目的 1.通过对寰椎侧块和枢椎椎弓根的解剖学测量,了解寰枢椎的解剖学特征,分析寰枢椎后路椎弓根螺钉固定的可行性。 2.对寰枢椎后路椎弓根螺钉固定系统进行生物力学测试,与正常状态和不稳状态进行比较,同时与Apofix固定和Magerl固定两种术式进行比较,分析寰枢椎后路椎弓根螺钉系统内固定的稳定性,评价其临床应用前景。 3.建立寰枢椎后路椎弓根螺钉内固定系统的有限元模型,分析寰枢椎不稳后路椎弓根螺钉固定后在不同运动状态下其内部结构的应力分布。 材料与方法 1.成人寰椎新鲜标本30例及枢椎干标本55例,用电子游标卡尺(Type YATO Pro-Cal, Tokyo, Japan,精确度0.01mm)对寰椎侧块的宽度、厚度、高度、侧块外缘到中线的距离,寰枢关节面的横径,寰枢关节面的纵径,寰枢关节面在冠状面上的角度及枢椎椎弓根的宽度和高度进行定量测量。分别对55例枢椎干标本拍摄上下位和侧位DR片(Digital Roentgenogram, GM),测量并计算枢椎椎弓根在矢状面上的上倾角度和横断面上的内斜角度。 2.8例新鲜成人上颈椎标本(C0-C4),分别制作成正常状态、寰枢椎不稳状态、Apofix固定状态、Magerl固定状态及后路椎弓根螺钉固定状态5组。采用脊椎三维运动试验机Spine2000对以上5组状态下的上颈椎运动范围进行测试,分析寰枢椎后路椎弓根螺钉固定的稳定性。采用生物材料力学试验机MTS 858 Bionix(Material Testing System, MTS, Minneapolis, MN)分别对Apofix固定组、Magerl固定组及后路椎弓根螺钉固定组进行抗疲劳试验,分析寰枢椎后路椎弓根螺钉固定的远期稳定性。利用生物材料力学试验机MTS 858 Bionix对寰枢椎后路椎弓根螺钉的拔出力进行测试,评价寰枢椎椎弓根螺钉的固定强度。 3.对寰枢椎不稳采用后路椎弓根螺钉固定标本进行螺旋CT扫描,获取骨性组织及内固定材料准确的三维空间结构信息,利用ANSYS 8.0软件建立寰枢椎不稳后路椎弓根螺钉固定的有限元(FFM)模型,进行有限元分析,模拟施加各种载荷条件下的内部结构变化以及后路椎弓根螺钉系统的应力分布。 4.试验结果统计分析分别采用SPSS10.0软件包(第一军医大学生物统计学教研室)配对t检验、One-Way ANOVA及重复测量的方差分析统计方法。 结果 1.寰椎的解剖学测量结果:寰椎侧块的宽度、厚度、高度、寰椎侧块外缘到中线的距离、寰枢关节面的横径、寰枢关节面的纵径以及寰枢关节在冠状面上的角度左右两侧在统计学上没有显著性差异。寰椎侧块宽度的左右两侧比较:t=0.775,P=0.445;寰椎侧块厚度的左右两侧比较:t=0.219,P=0.828;寰椎侧块高度的左右两侧比较:t=0.058,P=0.954;侧块外缘到中线距离的左右两侧比较:t=0.218,P=0.829;寰枢关节面横径的左右两侧比较:t=0.471,P=0.641;寰枢关节面纵径的左右两侧比较:t=1.347,P=0.188;寰枢关节面在冠状面上的角度的左右两侧比较:t=0.131,P=0.897。寰椎侧块的宽度为15.51±1.08 mm(12.82~17.54 mm),厚度为17.21±0.82 mm(15.51~18.75mm),高度为14.10±1.75 mm(11.77~18.45 mm),寰椎侧块外侧壁到中线的距离为22.02±1.16 mm(19.76~24.15mm),寰枢关节面的横径为17.91±1.04 mm(16.11~20.88 mm),寰枢关节面的纵径为15.70±0.84 mm(13.31~17.35 mm),寰枢关节在冠状面上的角度为34.74~(?)±2.90~(?)(28.76~(?)~41.48~(?))。 2.枢椎的解剖学测量结果:枢椎椎弓根的宽度、高度以及枢椎椎弓根在横断面上的内斜角度左右两侧在统计学上无显著性差异。枢椎椎弓根的宽度左右两侧比较:t=1.250,P=0.217;枢椎椎弓根的高度左右两侧比较:t=0.565,P=0.574;枢椎椎弓根在横断面上的内斜角度左右两侧比较:t=0.501,P=0.618。枢椎椎弓根的宽度为8.22±1.48 mm(4.96~12.58 mm),高度为8.24±0.86 mm(5.56~10.28 mm),枢椎椎弓根在横断面上内斜角为36.57°±3.18°(28.30°~48.21°),在矢状面上的上倾角为26.79°±2.10°(23.05°~35.29°)。 3.生物力学测试结果:寰枢椎不稳采用后路椎弓根螺钉固定的屈伸运动范围为1.68~(?)±0.37~(?),侧弯运动范围为0.33~(?)±0.09~(?),旋转运动范围为1.74~(?)±0.16~(?)。与正常状态组和寰枢椎不稳状态组统计比较有显著性差异,具有良好的术后即时稳定性;与Apofix固定组和Magerl固定组统计比较亦有显著性差异,其固定作用明显优于Apofix和Magerl两种固定术式(F=2319.236,P=0.000)。寰枢椎后路椎弓根螺钉固定组疲劳前与疲劳后的脊柱三维运动范围无显著性差异(P=0.598),具有良好的术后远期固定作用,能够保证术后远期稳定性。寰枢椎椎弓根螺钉的拔出力左右两侧在统计学上均没有显著性差异,寰椎椎弓根螺钉拔出力左右两侧比较:t=0.590,P=0.574;枢椎椎弓根螺钉拔出力左右两侧比较:t=0.238,P=0.819。寰椎椎弓根螺钉的拔出力为1502.39±73.89 N,枢椎椎弓根螺钉的拔出力为2385.79±15.13 N。 4.有限元分析结果:寰枢椎前屈运动时应力主要集中在寰枢关节面上,其强度为0.289×10~7Pa,钛板的应力主要集中在中部,为0.519×10~8 Pa,椎弓根螺钉的应力主要集中在根部,为0.350×10~9 Pa,前屈角度为0.7~(?)。寰枢椎后伸运动时应力主要集中在寰椎侧块与后弓的连接部,其强度为0.123×10~7 Pa,钛板的应力主要集中在中部,为0.691×10~8Pa,椎弓根螺钉的应力主要集中在根部,为0.427×10~9Pa,后伸角度为1.2~(?)。寰枢椎侧弯运动时应力主要集中在枢椎椎弓根螺钉钉道部位,其强度为0.146×10~9 Pa,钛板的应力主要集中在中部,为0.713×10~8 Pa,椎弓根螺钉的应力主要集中在根部,为0.295×10~9 Pa,侧弯角度为0.3~(?)。寰枢椎旋转运动时应力主要集中在枢椎椎弓根螺钉的钉道部位,其强度为0.146×10~9Pa,钛板的应力主要集中在中部,为0.909×10~8Pa,椎弓根螺钉的应力主要集中在根部,为0.635×10~9 Pa,旋转角度为0.8~(?)。 结论 1.寰椎侧块较为宽大,在理论上有侧块螺钉固定和椎弓根螺钉固定的足够空间,寰枢关节面在矢状面上有一上倾角度,故在寰椎侧块螺钉及椎弓根螺钉固定时,其进钉方向应保持向上一定的角度。 2.枢椎椎弓根螺钉固定方式的选择取决于横突孔处的椎弓高度和宽度,要求大于5.0mm。本组测量显示绝大多数可以满足要求,具有椎弓根螺钉固定的空间。但枢椎椎弓根变异较多,术前应拍摄X光片或CT扫描,明确是否有特殊变异。通过对55例枢椎标本拍摄上下位和侧位DR片,显示枢椎椎弓根在横断面上有一定的内斜角度,在矢状面上有一定的上倾角度。脊柱外科医师术中置钉时,要在C臂机或者G臂机透视下操作,通过放射影像仪器辅助完成,故在DR片上测量枢椎椎弓根的上倾角和内斜角,一方面可以减少对标本直接测量的误差,使测量结果更加准确,另一方面也具有为手术医师提供更直观的参考价值。 3.通过对寰枢椎标本正常状态、不稳状态、Apofix固定状态、Magerl固定状态和后路椎弓根螺钉固定状态5组的三维运动范围进行生物力学测试,显示后路椎弓根螺钉系统固定具有良好的术后即时稳定性,明显由于Apofix和Magerl两种固定方式。疲劳试验显示后路椎弓根螺钉固定系统具有良好的抗疲劳性,能够保证术后远期稳定性。寰枢椎椎弓根螺钉的拔出力明显大于侧块螺钉的拔出力,故采用椎弓根螺钉固定手术时选用单皮质螺钉固定即可,其强度与双皮质侧块螺钉固定强度相当,可以避免造成穿破咽后壁和损伤舌下神经的风险的可能性,具有良好的固定性能,保证固定的稳定性。 4.通过对寰枢椎不稳后路椎弓根螺钉固定三维有限元模型的分析,我们发现椎弓根螺钉固定后寰枢椎在前屈、后伸、侧弯及旋转等不同运动状态下其结构的不同部位应力大小不同,但无论在哪种运动状态下,最大应力均在椎弓根螺钉的根部,即椎弓根螺钉的根部承受的应力最大。椎弓根螺钉固定后的寰枢椎前屈、后伸、侧弯及旋转的运动范围均较小,明显小于正常状态及寰枢椎不稳状态的三维运动范围,具有良好的固定作用。


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