Ⅰ代系统的生物力学特点

颅颈交界疾患引起的寰枢椎脱位在临床上较为常见，由于该区延脊髓内含有生命中枢，因而对患者具有较大的危害性。但是，由于其位置深在、解剖结构复杂，故对该区疾患的外科治疗也较为复杂，尤其在难复性寰枢椎脱位合并延髓、颈髓受压时，治疗非常棘手。经口入路可直达颅颈交界的损伤部位，直接从前路切除寰椎前弓、齿突和其他致压物，解除颈髓腹侧的压迫；亦可采用更为简单有效的方法，不切除寰椎前弓和枢椎齿突，仅行经口的松解手术，再行前路或后路的复位和内固定手术。但为了达到寰枢椎融合的目的，经口减压后应采取何种固定方法才更为优越，目前仍然存在很大争议。针对这种情况，我们将自行设计的Ⅰ代TARP与现在较为常用的几种前后路寰枢关节融合术进行生物力学三维运动稳定性的实验对照研究，并进行了Ⅰ代TARP固定螺钉的拔出力实验。

（一）材料与方法

1.实验材料　12具年龄23-38岁（平均30.3岁）、意外死亡的男性新鲜冷冻尸体颈椎标本（南方医科大学解剖研究所提供），经检查排除颈椎外伤、变性疾病、肿瘤和骨质增生等，6具用于三维运动范围实验，另6具用于螺钉拔出力实验。三维运动实验标本截取其枕骨至第3颈椎，去除椎旁的肌肉、脂肪和结缔组织等软组织，保留骨、所有韧带和关节囊完整，制成颈椎完整状态的实验模型。用聚甲基丙烯酸甲酯（自凝型，上海齿科材料厂提供）将枕骨和C3椎体分别包埋后，密封保存于-20℃低温冰箱中冷冻，试验前将标本置于室温下自然解冻12～18 h备用。拔出力实验标本实验前分解为单个椎体，取寰椎、枢椎和C3椎体，去除所有的韧带和关节囊，仅保留骨性结构，将椎板分别包埋后备用。

2.固定材料、方法及分组 三维运动范围实验分为7组。

（1）对照组（完整标本）。

（2）损伤组：去除C1前弓、C2齿突，破坏关节囊和横韧带等。

（3）TARP组（图2-11）：寰椎螺钉的进钉点位于寰椎两侧侧块前表面的中心点，进钉方向为寰椎侧块的长轴方向，即向后外侧偏斜10°～15°；枢椎螺钉的进钉点位于椎体前表面中部两侧旁开约5 mm的位置，进钉方向垂直于椎体表面，即向后内侧略偏斜5°～10°。螺钉为3.5 mm骨皮质螺钉，单皮质固定，钢板厚2 mm，板钉均采用医用钛铝钒合金（Ti6Al4V）。

（4）后路Brooks钢丝组（图2-12）：后路寰枢椎后弓之间双侧楔形髂骨块植骨双股医用钢丝固定。

（5）Magerl经关节螺钉组（图2-13）：C2下关节突内下缘为进钉点，螺钉在靠近峡部后内侧进入枢椎侧块，然后进入寰椎侧块，冠状面方向为向内侧偏0°～10°，矢状面方向瞄向寰椎前弓前上缘，左右2枚螺钉固定。

（6）Magerl＋Brooks组（图2-14）：为前述（4）和（5）两种方法的结合。

（7）前路经枢椎体寰椎侧块螺钉组（图2-15）：螺钉由C2椎体底部中点偏外约2 mm处向寰椎侧块方向钻入，正位观螺钉的走向应对准寰椎侧块的外上角，侧位观螺钉应沿枢椎椎体的纵轴进入，穿入寰椎侧块中部，左右2枚螺钉固定。

前路经枢椎体寰椎侧块螺钉和Magerl螺钉均使用枢法模－丹历公司（Sofomar-Danek）提供的4.0 mm UCSS钛合金中空螺钉。

图2-11　TARP

图2-12　Brooks钢丝

图2-13　Magerl经关节螺钉

图2-14　Magerl+Brooks

图2-15　经枢椎体寰椎侧块螺钉

每个标本均分别进行上述7项实验，每个标本内固定的实验顺序随机化，因几种内固定的钉道彼此互不影响，故每次实验后，标本在非破坏性的三维运动测试实验中可以恢复到实验前的状态。每个标本的7次实验作为一个配伍组，共6个配伍组。6个标本的实验顺序同样依照随机化的原则确定。

螺钉拔出力实验分3组：寰椎组、枢椎组和C3组（对照组）。每组12侧（双侧），实验前对标本进行随机化处理，每一个标本的左右两侧作为两个不同的数字参与随机化，每次按随机结果置入螺钉。寰椎和枢椎螺钉置入方法与前述TARP螺钉的固定相同，C3螺钉固定于椎体前表面中部两侧旁开5 mm，垂直进钉，单皮质固定。寰椎螺钉进入寰椎侧块长轴的大部，进钉深度不超过寰椎上后方的椎动脉沟。

3.生物力学测试　三维运动测试在非破坏方式下用脊柱三维运动试验机（图2-16）进行测量，标本定标后，对颈椎施加2.0 Nm纯力偶矩，测量不同状态下C1、C2节段间前屈/后伸、左/右侧屈、左/右轴向旋转6种生理运动，由两个摄像头拍摄上颈段在零载荷及最大载荷状态下的运动，由微机图像处理和分析系统测量C1-C2节段间角位移的ROM。每次测试重复3次加载/卸载循环，在第3次循环时进行运动学测量，以减小标本黏弹性作用的影响。如果任何一个方向上的ROM显著增加，则说明该节段不稳定，反之则表明该节段稳定。测试结果将前屈/后伸、左/右侧屈和左/右轴向旋转6种生理运动合并为屈伸、侧屈和轴向旋转三维运动并统计分析ROM值。

拔出力实验使用MTS858 Mini Bionix生物力学实验机，传感器型号为662.20D-03。依预实验结果设置试验机速度1 mm/ min，最大拉力1 000 N，最大位移5 mm。实验中使用专门的夹具夹住螺钉头部，加载后通过软件可以直接得出拔出过程中的拔出力变化，从而得出最大拔出力。最大拔出力与零拔出力之间螺钉变化的长度为屈服长度。用电子游标卡尺（精度0.01 mm）测量实际进钉深度，即钉道长度。

图2-16　三维运动实验

4.统计分析　所得数据利用SPSS 10.0软件进行统计和分析。三维运动范围测试结果采用随机区组设计资料的方差分析，最大拔出力测试结果运用完全随机设计资料的方差分析（Oneway ANOVA）。三维运动实验和最大拔出力实验均采用SNK检验法进行组间统计学比较。对最大拔出力和钉道长度以及最大拔出力和屈服长度之间进行相关性分析（pearson correlation）。统计检验的显著性水准α= 0.05，P < 0.05，认为差异有统计学意义。

（二）实验结果

1.三维运动范围　实验结果，见表2-1。损伤组的屈伸、侧屈和轴向旋转ROM值较正常状态显著增大（P < 0.05），5种内固定术后ROM较正常状态和损伤后均显著减小（P < 0.05）。TARP组和Magerl+Brooks组在各个方向上差异无统计学意义（P > 0.05），ROM值略大于后者，二者抗屈伸、侧屈和旋转均强于其他三种内固定方法（P < 0.05）。

2.最大拔出力　实验结果，见表2-2，寰椎与枢椎、寰椎与C3椎体的最大拔出力之间差异均有统计学意义（P < 0.05），枢椎和C3椎体最大拔出力之间差异无统计学意义（P > 0.05）。寰椎与枢椎、寰椎与C3椎体的钉道长度之间差异均有统计学意义（P < 0.05），枢椎和C3椎体钉道长度之间差异无统计学意义（P > 0.05）。C1～C3三组的屈服长度之间差异无统计学意义（P > 0.05）。

此外，表2-2还说明C1-C3的螺钉最大拔出力与钉道长度呈显著正相关（P < 0.05），相关系数r1 = 0.810；最大拔出力与屈服长度亦呈显著正相关（P < 0.05），相关系数r2 = 0.652。但最大拔出力与钉道长度的相关性更高，差异有统计学意义（r1 > r2, P < 0.05）。

（三）Ⅰ代TARP的生物力学性能

1.TARP的三维运动稳定性　实验结果表明，TARP固定牢靠，与目前临床应用最为坚固的后路Magerl+Brooks术式等效，与其他3种术式（前路经枢椎体寰椎侧块螺钉、后路Magerl经关节螺钉和后路Brooks钢丝）比较具有更坚强的固定作用。Kandziora等的生物力学实验表明，Harms钢板需要联合后路Brooks钢丝才能获得较好的生物力学性能。如果应用枢椎关节面下固定的带锁钉寰枢钢板，则比Harms等设计的其他经口咽钢板具有更好的生物力学固定强度。因TARP亦应用了锁钉技术，所以固定效果同样良好。固定坚强是骨性融合的前提条件，虽然没有长期随访的临床资料佐证，但可以想见，固定越坚强，获得寰枢关节融合的概率也就越大。

2.TARP螺钉的抗拔出力性能　目前，C3以下的下颈椎前路钢板已得到广泛的临床应用，并取得了较好的效果，松钉和脱钉的概率已大为降低。从本实验与C3的对比结果可以看出，寰椎螺钉的拔出力最大，显著高于枢椎和C3，而枢椎和C3椎体螺钉的拔出力之间差异无统计学意义，这说明寰枢椎的螺钉固定是比较安全的。由于寰枢固定螺钉具有较好的抗拔出力性能，因此可以耐受术中复位及术后固定时抗拔出力的需要。

3.影响螺钉拔出力的因素　既往研究指出，影响螺钉拔出力的因素主要包括骨矿物质密度、进钉深度、螺钉的直径、螺钉的外形（圆柱或锥形）以及是否行双皮质固定等。从我们的实验结果可以看出，钉道长度即进钉深度是影响螺钉抗拔出力的主要因素，而屈服长度是影响螺钉拔出力的次要因素。寰椎侧块的长度明显大于枢椎及C3椎体的前后径，因而寰椎螺钉的固定强度也是最高的。同时提示我们在术中进钉时应尽量深，但寰椎螺钉以不超过寰椎后上的椎动脉沟为限，以免损伤椎动脉。屈服长度主要受螺钉本身设计的螺距影响，因实验中使用的螺钉螺距相同，所以各椎体间的拔出力差异无统计学意义，但可以通过改善螺钉设计、加大螺距来增强抗拔出力，提高螺钉的固定强度。