前路枕颈内固定术的解剖学和生物力学研究

发布时间：2019-08-06 07:59

【摘要】：研究背景：枕颈区的稳定性由枕骨、寰椎、枢椎的骨性结构以及周围的韧带、肌肉、关节囊、筋膜等共同维系。各种原因所致的枕颈区结构破坏或功能减退可进一步导致枕颈不稳,表现出相关临床症状。枕颈不稳的病因学较复杂,可分为：1、先天性不稳,例如齿状突发育不良或缺如、齿状突游离小骨畸形、寰椎枕骨化、Klippel-Fei短颈畸形、颅底凹陷和染色体异常等；2、创伤性不稳,包括枕骨髁骨折、寰枢椎骨折、寰枕关节脱位或寰枢关节脱位以及寰椎横韧带损伤等；3、病理性不稳,由炎症、结核、肿瘤等破坏引起;4、医源性不稳,如枕颈后路减压后寰椎后弓缺如或枕骨瓣去除而失稳。枕颈不稳宜早期外科干预治疗,以坚强内固定为目的的枕颈融合术可以解除脊髓神经压迫或刺激、恢复枕颈区正常曲度并重建其稳定性。然而,枕颈区解剖结构复杂、周围交错有重要的神经和血管,手术实施难度大、风险高。后路枕颈内固定术是目前临床上治疗枕颈区疾患的主要手段。然而,临床上存在一部分患者因先天性或医源性后方骨性结构缺损而无法行后路手术。另外,后路内固定手术翻修时,钉道局部骨质已被破坏,再次置钉易出现螺钉松动,导致后路手术再次失败。采用前路枕颈固定方式将能解决以上问题。其次,严重的颅底凹陷伴寰椎枕骨化、寰枢椎脱位、齿突上移进入枕骨大孔等致脊髓腹侧受压时,目前手术治疗多采用先经前路松解、减压、复位,再把患者翻过来行后路枕颈固定。近年来,有学者采用经斜坡或枕骨髁锚定行前路枕颈固定方法一次性完成减压、复位和固定,减少了手术时间,降低了手术风险。然而,目前临床上并没有适合颅颈区腹侧解剖结构的前路枕颈内固定器械,现有的固定方式不够优化,其稳定性也不足。因此,需要设计发明一种符合该解剖区域的内固定器械,并从增强前路固定的稳定性或微创等方面改进。我们前期进行了颅颈区域的解剖学和影像学研究,表明行斜坡置钉是安全可行的。本课题在此基础上研制了一种枕颈腹侧缺损重建的斜坡重建钢板系统,以及一种适用于枕颈畸形或不稳的斜坡固定钢板,重建颅颈区的稳定性。由此,本课题提出了三种前路枕颈固定术式,包括斜坡重建钢板系统枕颈固定术、斜坡固定钢板枕颈固定术和前路经寰枕关节螺钉枕颈固定术,研究三种固定方式的应用解剖学,评价其重建枕颈区的生物力学稳定性,为今后的临床应用提供依据。研究目的：1.研制一种枕颈腹侧缺损斜坡重建钢板系统,评价其生物力学稳定性。2.研制一种枕颈畸形或不稳的斜坡固定钢板,评价其生物力学稳定性。3.研究经口咽及其扩大入路行斜坡置钉的枕颈内固定术的应用解剖学,量化不同入路下斜坡显露范围及置钉可行性,为前路枕颈内固定术提供解剖学依据。4.研究前路经寰枕关节螺钉固定的应用解剖学,评价其生物力学稳定性,为寰枕关节不稳提供一种可选的前路固定方法。研究方法：1.斜坡重建钢板系统的研制和生物力学研究1)斜坡重建钢板系统的研制采用40具国人成年完整的颅颈段干骨及30例健康志愿者的颅颈段CT扫描图像进行斜坡重建钢板相关参数测量,设计斜坡重建钢板系统,研制样品。2)斜坡重建钢板系统的稳定性评价本部分实验采用7具新鲜成人颈椎(Oc-C4节段)进行测试,模拟以下固定状态：①完整状态；②异形钛笼+后路枕颈固定状态;③斜坡重建钢板系统+后路枕颈固定状态；④单纯斜坡重建钢板系统固定状态。前路均行斜坡至C3固定,后路行枕骨板钉、C1椎弓根螺钉、C3和C4侧块螺钉固定。采用重复测量的实验设计,在完整和不同的固定状态下,通过脊柱试验机对标本分别施加1.5Nm的前屈／后伸、左／右侧弯和左／右轴向旋转的纯力偶矩。在枕骨、C3、C4椎体上通过克氏针连接固定4枚红外线标志点,采用Optotrak三维运动测量系统连续采集标志点运动,分析Oc-C3节段间角度运动范围(Range of motion, ROM)和中性区(Neutral zone, NZ)。2.斜坡固定钢板的研制和生物力学研究1)斜坡固定钢板的研制斜坡固定钢板相关解剖学参数测量同斜坡重建钢板设计测量部分,设计斜坡固定钢板,研制样品。2)斜坡固定钢板行枕骨固定的稳定性评价本部分实验采用8具新鲜成人颈椎(Oc-C3节段)进行测试,模拟以下手术固定状态：①完整状态；②完整状态+斜坡固定钢板；③损伤状态：枢椎齿状突Ⅱ型骨折并切断寰枕前膜、齿突尖韧带、翼状韧带；④损伤+斜坡固定钢板；⑤损伤+后路枕颈固定。前路均行斜坡至C2固定,后路行枕骨板钉、C1和C2椎弓根螺钉固定。采用重复测量的实验设计,在完整、损伤和不同的固定状态下,通过脊柱试验机对标本分别施加1.5Nm的前屈／后伸、左／右侧弯和左／右轴向旋转的纯力偶矩。在枕骨、C1、C2椎体上通过克氏针连接固定4枚红外线标志点,采用Optotrak三维运动测量系统连续采集标志点运动,分析Oc-C2节段间角度ROM和NZ。比较不同的固定方式对枕颈区各节段ROM分布的影响。3.前路枕颈内固定术入路的应用解剖学研究在7例新鲜人颅颈段标本上采用经口咽及其扩大入路分别行经斜坡置钉枕颈固定：单纯经口咽入路、切开软腭、磨除部分硬腭水平板、下颌骨切开入路以及下颌骨-舌体切开入路。在行每一步入路过程中观察测量咽后壁软组织分布情况及其厚度,椎动脉走形及其至中线距离,测量斜坡的显露范围、斜坡置钉角度范围(下切牙或下颌骨中线基底处至斜坡显露端连线与斜坡骨面切线夹角)及椎体显露范围。4.前路经寰枕关节螺钉枕颈固定的解剖学和生物力学研究1)前路经寰枕关节螺钉固定的解剖学研究对30例纳入标准的患者行头颈部CT平扫,在PACS系统中测量前路经寰枕关节螺钉固定的进钉点、进钉角度以及螺钉长度。在8具新鲜人体颅颈段标本上采用高位颈前咽后入路行双侧前路经寰枕关节螺钉固定(螺钉直径为4.0mm),术后行x光检查和局部解剖,观察分析钉道与椎动脉、脊髓及舌下神经管的比邻及损伤情况。2)前路经寰枕关节螺钉固定的稳定性评价在6具骨密度正常的新鲜标本(Oc-C4节段)上评价螺钉固定的稳定性。每例标本按以下顺序进行试验：①完整状态;②损伤状态(寰枕间韧带损伤模型)：③损伤+前路经寰枕关节螺钉固定；④损伤+后路寰枕固定,后路固定采用枕骨板钉系统和寰椎椎弓根钉固定。采用重复测量的实验设计,在完整、损伤和不同的固定状态下,通过脊柱试验机对标本分别施加1.5Nm的前屈／后伸、左／右侧弯和左／右轴向旋转的纯力偶矩。在枕骨、C1椎体上通过克氏针连接固定4枚红外线标志点,采用Optotrak三维运动测量系统连续采集标志点运动,分析Oc-C1节段间ROM和NZ。5.数据统计分析实验结果统计分析采用SPSS 13.0统计软件。解剖学数据均测3次取平均值,所得数据采用均数±标准差(x±s)形式表示,左、右两侧的解剖数据采用配对t检验比较。ROM和NZ均采用重复测量方差分析进行统计学处理,组间比较采用SNK法(Student-Newman-Keuls)。统计学检验的显著性设定为P0.05。研究结果：1.斜坡重建钢板系统的研制和生物力学研究1)斜坡重建钢板系统的研制颅颈段干骨测量显示斜坡长度为25.8±2.6 mm,斜坡顶、底宽分别为18.9±1.5mm和32.6±2.1 mm,寰椎侧块高度和宽度分别为15.7±2.9 mm和26.4±2.9mm,寰椎侧块螺钉置钉角度为外展10.4°±2.5°；CT图像参数测量显示斜坡至寰椎前结节和C3椎体的距离分别为16.1±1.7mm和59.1± 3.2mm,斜坡颈椎角为130.2°±8.00,斜坡螺钉长度介于4.3～16.0 mm。斜坡重建钢板的设计(专利号：201420441488.7)：整体呈十字架形,由头端斜坡固定部、椎体固定部以及两侧的翼板组成。斜坡固定部均匀设置三个螺孔呈三角形排列,通过斜坡螺钉固定于颅底斜坡。斜坡固定部与椎体固定部形成一定的前倾角度(即斜坡颈椎角)使钢板更贴服于颅颈区腹侧骨面。椎体固定部的中央设置上下排列的两个长椭圆形锁定螺孔,通过锁定钉与后方的钛笼连接固定。椎体固定部下端有成对螺孔,通过螺钉固定于C3椎体。翼板为椎体固定部向两侧延伸形成,翼板的每一侧分别设置一个侧螺孔,通过螺钉将翼板固定于寰椎左、右侧块。斜坡重建钢板制作材料为钛合金(Ti6Al4V),钢板厚度为1.6mm。斜坡重建钢板系统由斜坡重建钢板与其后方的钛网通过锁定螺钉连接固定组成。2)斜坡重建钢板系统的稳定性评价完整状态下Oc-C3节段前屈方向上ROM为22.4°,后伸方向上为19.5°,侧弯方向上为10.50,轴向旋转方向上为47.3°。与完整状态比较,异形钛笼、斜坡重建钢板系统固定状态及单纯斜坡重建钢板系统固定状态在所有方向上的ROM或NZ均明显减少(P0.05)。斜坡重建钢板系统固定后Oc-C3节段前屈方向上ROM为0.10,后伸方向上为0.2°,侧弯方向上为0.3°,轴向旋转方向上为0.6°。与异形钛笼固定状态比较,斜坡重建钢板系统状态在前屈、侧弯及旋转方向上ROM均有显著减少(P0.05),在后伸方向上也有减少但差异没有显著性(P0.05)。异形钛笼固定与斜坡重建钢板系统固定的NZ在所有方向上的差异均没有显著性(P0.05)。而单纯斜坡重建钢板系统固定状态较异形钛笼固定或斜坡重建钢板系统固定在ROM和NZ的差异均有显著性(P0.05)。2.斜坡固定钢板的研制和生物力学研究1)斜坡固定钢板的研制斜坡固定钢板相关参数测量同斜坡重建钢板系统测量部分。斜坡固定钢板设计外形为一体成型结构(专利号：201520753712.0),包括：上部前倾的斜坡固定部,其上开设呈三角形布局的斜坡固定螺孔,通过螺钉固定于斜坡骨面；中部的寰椎固定部,可分为斜坡部向下延伸的颈段,颈段向下延伸为肩段呈倒T形,肩段左右两侧分别开设固定螺孔,通过螺钉固定于寰椎左、右侧块,肩段基底中央处形成向下的开槽；下部的枢椎固定部,是由寰椎固定部肩段开槽向下延伸,寰枢椎固定部移形处有一向后下方走形的斜面阶梯,以更好贴服于寰枢椎骨面,两侧移形部向下走形为两对枢椎固定孔,通过螺钉牢靠固定于颈2椎体。斜坡固定钢板的具体尺寸可因不同患者的个体差异而具体设计。螺钉设计为直径3.5mm锁定螺钉,防止螺钉退出。斜坡固定钢板制作材料为钛合金(Ti6A14V),钢板厚度为1.6mm。2)斜坡固定钢板的稳定性评价与完整状态比较,枕-寰-枢损伤不稳状态在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著增加了Oc-C2节段的ROM和NZ(P0.05)。完整+斜坡固定钢板状态,损伤+斜坡固定钢板状态与损伤+后路枕颈固定状态,均较完整状态在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上显著减小了固定节段的ROM和NZ(P0.05)。损伤+斜坡固定钢板状态下Oc-C2节段的前屈ROM为1.7°,后伸方向为1.2°,侧弯方向为2.8°,旋转方向为4.3°,均较完整+斜坡固定钢板状态在各方向上的ROM显著增大(P0.05)。损伤+后路枕颈固定状态下Oc-C2节段的前屈ROM为1.0°,后伸方向为1.3°,侧弯方向为1.4°,旋转方向为1.1°,较损伤+斜坡固定钢板状态在旋转方向ROM显著减小(P0.05),而在前屈、后伸及侧弯方向两者ROM差异没有显著性(P0.05)。在各个方向上三种固定状态间的NZ差异均没有显著性(P0.05)。不同的固定方式对枕颈区各节段ROM分布的影响如下：在轴向旋转方向上,斜坡固定钢板状态及后路枕颈固定状态均使Oc-C1节段ROM占总体ROM比例增大,三种固定状态下Oc-C1与C1-C2节段ROM占比基本相当；在前屈、后伸、侧弯方向上,斜坡固定钢板状态使Oc-C1节段ROM占总体ROM比例增大,而损伤状态及后路枕颈固定状态均使C1-C2节段ROM占比增大。3.前路枕颈固定术入路的应用解剖学研究单纯经口入路的前路枕颈固定术的斜坡置钉率为0%,经口复合软腭切开入路的斜坡置钉率为71%(5/7例),经口复合软硬腭切开入路的斜坡置钉率为86%(6/7例),而经口复合下颌骨切开入路的斜坡置钉率为100%。咽后壁软组织厚度于斜坡咽结节以上最小为3.5mm,椎前厚度介于4～5mm。双侧椎动脉距中线在C1/2水平达最大20mm,C2/3至C4/5水平为14mm左右。单纯经口入路斜坡显露纵径为8 mm,下切牙至斜坡显露上缘、斜坡下缘、寰椎前弓、枢椎体及第3颈椎距离分别为105 mm、99 mm、81 mm、75 mm及69mm；斜坡置钉角介于98°～100°；6例标本颈椎显露达第3颈椎体,1例显露至枢椎体。切开软腭入路斜坡显露纵径为19mm,下切牙至斜坡显露上缘、咽结节距离分别为108 mm、105 mm;斜坡置钉角介于88°～1000°。磨除部分硬腭入路斜坡显露纵径为其全长26 mm,下切牙至斜坡显露上缘距离为112 mm；斜坡置钉角介于80°-100°。下颌骨劈开保留或切开舌体入路均显露斜坡全长,下颌骨正中基底处至斜坡上下缘及咽结节距离分别为142 mm、131 mm、及121mm;斜坡置钉角介于67°～83°；颈椎显露最下缘可达颈5/6椎间隙。4.前路经寰枕关节螺钉枕颈固定术的解剖学和生物力学研究1)前路经寰枕关节螺钉固定的解剖学研究30例患者行CT图像参数测量显示,矢状面上后倾角均值为41.70±8.5°,冠状面外展角为11.6°±3.5°,螺钉长度为30.4±±4.0 mm;其中3例受下颌骨下缘阻挡而无法行前路寰枕关节置钉,两例患者舌下神经管位于枕髁中后部行前路置钉存在损伤舌下神经的风险。8例新鲜颅颈标本模拟前路经寰枕关节螺钉置钉后,解剖观察及影像学检查显示均无螺钉穿出骨质,进入椎管或颅内,也没有发现血管或舌下神经管损伤。2)前路经寰枕关节螺钉固定的稳定性评价完整状态下Oc-C1节段前屈方向上ROM为12.00,后伸方向上为10.10,侧弯方向上为6.5°,轴向旋转方向上为7.8°。与完整状态比较,寰枕损伤不稳状态在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著增加了Oc-C1节段的ROM和NZ(P0.05)。前路经寰枕关节螺钉固定Oc-C1节段前屈方向ROM为0.4°,后伸方向为0.4°,侧弯方向为1.0°,轴向旋转方向为0.7°,均较后路枕颈固定在各个方向上ROM差异没有显著性(P0.05)。前后路两种寰枕固定状态在各个方向的NZ比较差异均没有显著性(P0.05)。两者均较完整状态或损伤状态在各个方向的ROM或NZ显著减小(P0.05)。研究结论：1.研制了一种斜坡重建钢板系统,可以优化地在斜坡上置三枚直径为3.5mm的螺钉,并锚定寰椎侧块,分化了钢板的张力带作用和钛网的轴向支撑作用。生物力学研究证实斜坡重建钢板系统较异形钛笼固定方式有更好的枕颈区稳定性,为枕颈区腹侧病灶切除后的缺损重建提供了一种专门的前路内固定器械。2.研制了一种斜坡固定钢板,其生物力学稳定性与目后路枕颈钉棒固定在前屈、后伸及侧弯方向上相当,但在旋转方向上稍弱于后路枕颈固定。本研究结果表明斜坡固定钢板是枕颈区不稳可以选择的前路固定方法。3.研究表明单纯经口入路不适用于前路枕颈固定术的斜坡置钉,经口复合软腭切开入路的斜坡置钉率为71%,进一步切开硬腭入路为86%,经口复合下颌骨切开入路为100%。对于口裂较小或张口受限的患者、颅底扁平或颅底凹陷患者所导致斜坡倾斜角度较小以及需要行下颈椎固定重建的情况,需采用经口复合下颌骨劈开入路来完成前路枕颈固定术的斜坡置钉。4.前路经寰枕关节螺钉固定术是安全可行的,其进钉角度为在矢状面上后倾41.70,在冠状面上外展11.60,钉道长度为30.4mm。前路经寰枕关节螺钉固定与后路寰枕钉棒固定稳定性相当。本研究结果提示寰枕关节不稳的外科治疗可采用前路经寰枕关节螺钉固定术。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R687;R322.7

【参考文献】