掌骨重建钢板模拟单节段固定修复寰椎骨折：体外三维运动生物力学分析

1、www.CRTER.org李小峰，等. 掌骨重建钢板模拟单节段固定修复寰椎骨折：体外三维运动生物力学分析掌骨重建钢板模拟单节段固定修复寰椎骨折：体外三维运动生物力学分析李小峰1，覃俊杰2，李 强2，杨 渊1(1广西骨伤医院，广西壮族自治区南宁市 530012；2广西医科大学，广西壮族自治区南宁市 530021)引用本文：李小峰，覃俊杰，李强，杨渊. 掌骨重建钢板模拟单节段固定修复寰椎骨折：体外三维运动生物力学分析J.中国组织工程研究，2016，20(39):5819-5824.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.007 ORCID: 0000-0003-

2、3988-6681(李小峰)文章快速阅读：掌骨重建钢板单节段内固定修复寰椎骨折的生物力学分析李小峰，男，硕士，主治医师。通讯作者：杨渊，主任医师，教授，广西骨伤医院，广西壮族自治区南宁市 530012中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)39-05819-06稿件接受：2016-07-08将标本造成寰椎前弓双骨折模型，并以掌骨重建钢板系统模拟进行单节段复位固定。使用新鲜上颈椎标本(C0-C5)6例。观察指标颈椎标本骨折状态与正常状态的运动中性区、三维运动范围差异均有显著性意义(P均< 0.05)；而内固定状态与正常状态的运动中性区、三维运动范围差异均无

3、显著性意义(P均> 0.05)。实验结论：掌骨重建钢板单节段内固定不稳定性寰椎骨折可以获得良好的稳定性，在恢复上颈椎稳定性的同时可充分避免融合术的不良影响。比较骨折状态、内固定状态、正常状态的运动中性区及三维运动范围与正常状态的差异。文题释义：寰椎：呈环形结构，围绕延颈髓和齿突，其侧块呈内薄外厚的楔形“嵌”在枕骨和枢椎间，与枕骨髁和枢椎上关节面形成对称的两个侧方关节，侧块不仅在载荷传递中起“衬垫”功能即将枕部载荷传向前后弓及枢椎，还维持着枕骨、枢椎间的垂直距离。不稳定性寰椎骨折固定：国内研究表明，Halo Vest牵引固定耗时较长，难以获得对寰椎侧块满意而持久的复位，从而造成骨不愈合或愈

4、合不良，临床疗效欠佳，有学者认为可能使原有的脱位发生不当固定进而引发进行性颈痛；针对寰枢(C1-2)或枕颈(C0-2)固定融合，但无论C1-2 还是C0-2 融合都将牺牲上颈椎的运动功能，尤其是旋转功能。摘要背景：为了实现骨折复位的稳定以及尽量保留颈椎活动度的完整，国内外多学者均开展了有关单节段有限内固定的临床与实验研究，均取得了良好的临床疗效，未见明显的寰枢关节失稳而引起的不适症状。目的：采用体外三维运动法对掌骨重建钢板单节段固定不稳定性寰椎骨折进行生物力学分析。方法：使用新鲜上颈椎标本(C0-C5)6例，将标本造成寰椎前弓双骨折模型，并以掌骨重建钢板系统模拟进行单节段复位固定。测量每例标本

5、的正常状态、骨折状态及内固定状态3组数据。比较骨折状态、内固定状态、正常状态的运动中性区及三维运动范围与正常状态的差异。结果与结论：颈椎标本骨折状态与正常状态的运动中性区、三维运动范围差异均有显著性意义(P均< 0.05)；而内固定状态与正常状态的运动中性区、三维运动范围差异均无显著性意义(P均> 0.05)；结果表明，掌骨重建钢板系统模拟单节段固定不稳定性寰椎骨折可以获得良好的稳定性，在恢复上颈椎稳定性的同时，可充分避免融合术的不良影响。关键词：骨科植入物；脊柱植入物；寰椎骨折；单节段固定；生物力学主题词：颈椎；生物力学；内固定器；组织工程基金资助：广西卫生厅重点资助项目(重20

6、120206)；广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻1355005-6-4)3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083Metacarpal bone reconstruction plate single-segment fixation in the repair of atlas fracture: biomechanical analysis of in vitro three-dimensional motionLi Xiao-feng1, Qin Jun-jie2, Li Qiang2, Yang Yuan1 (1Guangxi Orthop

7、edics and Traumatology Hospital, Nanning 530012, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; 2Guangxi Medical University, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China)AbstractBACKGROUND: To achieve the stability of the fracture reduction and try to keep the integrity of the cervical vertebra

8、 activity, domestic and foreign scholars have carried out the clinical and experimental research on the limited internal fixation of single segment, and achieved good clinical curative effect. There was no obvious discomfort symptoms caused by the instability of the atlantoaxial joint. OBJECTIVE: To

9、 perform biomechanical analysis of fixed atlas fractures by single phase with three-dimensional motion experiment. METHODS: Six fresh upper cervical spine specimens (C0-C5) were used, and made into models of double fracture of the anterior arch of the atlas. Single segment fixation was conducted wit

10、h metacarpal bone reconstruction plate system simulation. Data of each specimen in intact state, fracture state and internal fixation state were measured. The neutral zones in fracture state, internal fixation state and intact state were compared, and the difference of three-dimensional motion range

11、 and intact state were compared. RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was statistically significant difference between the neutral zones and range of motion with those of fracture status and intact status (all P < 0.05). No significant difference was found between the result of fixation status and i

12、ntact status (all P > 0.05). (2) Results verify that simulation of single-segment fixation of unstable atlas fractures with metacarpal bone reconstruction plate system can obtain good stability, restore the stability of the upper cervical spine, and simultaneously fully avoid adverse effects of f

13、usion. Subject headings: Cervical Vertebrae; Biomechanics; Internal Fixators; Tissue EngineeringFunding: the Key Fund Project of Health Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region, No. 20120206; the Science Research and Technology Development Project of Guangxi Zhuang Autonomous Region, No. 13550

14、05-6-4Cite this article: Li XF, Qin JJ, Li Q, Yang Y. Metacarpal bone reconstruction plate single-segment fixation in the repair of atlas fracture: biomechanical analysis of in vitro three-dimensional motion. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(39):5819-5824.Li Xiao-feng, Master, Attending phys

15、ician, Guangxi Orthopedics and Traumatology Hospital, Nanning 530012, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China Corresponding author: Yang Yuan, Chief physician, Professor, Guangxi Orthopedics and Traumatology Hospital, Nanning 530012, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China5821ISSN 2095-4344 CN 21-15

16、81/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction对于不稳定性寰椎骨折，以往在国外多选用Halo Vest牵引架固定，部分病例涉及枕颈融合术、寰枢融合术。国内研究表明，Halo Vest牵引固定耗时较长，难以获得对寰椎侧块满意而持久的复位，从而造成骨不愈合或愈合不良，临床疗效欠佳，有学者认为可能使原有的脱位发生不当固定进而引发进行性颈痛1；寰枢(C1-2)或枕颈(C0-2)固定融合，但无论C1-2还是C0-2融合都将牺牲上颈椎的运动功能，尤其是旋转功能2-3。为了实现骨折复位的稳定以及尽量保留颈椎活动度的完整，国内外许多学者均开展了有关单节段有限内固定治疗的临床与实验研究4

17、-5，均取得了良好的临床疗效，未见明显的寰枢关节失稳而引起的不适症状。尽管如此，随着内固定技术的飞速发展以及对不稳定性寰椎骨折后稳定性重视的加深，在考虑坚强内固定、减轻手术创伤的同时，术者越来越注重提高患者的生活质量；所以保留上颈椎活动功能，避免了保守治疗诸多不便及并发症的单节段固定技术治疗寰椎骨折受到极大关注。胡勇6、焦云龙等7分别研制了各具特色的经口咽钢板复位系统，并分别进行了固定后疗效评价，证实具有良好的固定效果。近7年来广西骨伤医院采用掌骨重建钢板单节段修复不稳定性寰椎骨折18例，创伤小，置钉相对容易，便于操作，临床疗效确切。为了阐述该项技术的安全性，文章选用颈椎新鲜标本6例，成功制备

18、不稳定性寰椎骨折模型后，采用掌骨重建钢板单节段固定，并进行生物力学检测以阐述其稳定性与安全性。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 生物力学实验。1.2 时间及地点 于2013年3月在南方医科大学医学生物力学实验室完成。1.3 材料 收集新鲜上颈椎标本(C0-C5)共6例，年龄18-72岁；性别未区分，生前无骨骼疾患，均排除枕颈图2 颈椎标本的三维运动范围测量Figure 2 Measurement of range of three-dimensional motion of cervical specimens部的损伤、畸形和其他相关肿瘤病变。每具标本头

19、颅保留枕骨部分，颈椎保留至第4颈椎水平以便固定。各标本用双层塑料袋密封，-20 保存。测试前将标本4 下解冻。剔除周边多余软组织，注意保持韧带、各关节囊、椎间盘和骨结构完整8。修整后，标本首、末两节椎体分别多角度、多平面置入数枚普通螺钉用以加强包埋。保持标本中立、C3椎体水平，头端和尾端的半个椎体用聚甲基丙烯酸甲酯(上海新世纪齿科材料有限公司)包埋。包埋时保证包埋块尽量薄，上下表面平整，头端预留2枚螺钉连接特制的加载盘。将Motion- Analysis动作捕捉系统(美国Motion-Analysis公司)配套的、用以收集运动坐标的marker，分别插入C0，1，2椎体前方、侧方以及棘突，并确

20、保加载过程中标志互不干扰。实验所用内固定器材为由枢法模医疗器械公司提供的4，5孔掌骨重建钢板及配套螺钉、器械。1.4 实验方法 所有测试在6 h内完成。将包埋后的标本用测试台的夹钳固定。通过改变标本与头端加载盘的连接、利用滑轮组系统实现不同平面加载应力，模拟生理运动。砝码质量通过滑轮及加载盘形成1.53 Nm轴向纯力矩，预加载两个循环以减小标本黏滞性对结果的影响，允许30 s蠕变，从第3个加载循环开始记录各标志球传出的三维运动数据，整个实验过程始终用生理盐水保持标本软组织的湿润9。测量正常状态数据后，将标本不稳定性寰椎骨折模型(双前弓骨折)测量数据，随后采用掌骨重建钢板进行单节段复位固定再次测

21、量数据。每例标本分别生成正常状态、骨折状态(寰椎前弓双骨折)、内固定状态3组数据。实验重复3次，测试值取平均值10，见图1，2。1.5 主要观察指标 比较正常组、骨折组及内固定组的运动中性区、运动范围。1.6 统计学分析 实验设计采用单因素多水平方差分析方法，计算时间因素的重复效应。采用SPSS 16.0 统计软件进行分析。正常组、骨折组及内固定组的运动中性区、运动范围采用最小显著差异(least significance图1 实验标本的制备Figure 1 Preparation of test specimensdifference)及Games-Howell (方差不齐时使用)法行组内多

22、重两两比较，显著水准设为0.05。2 结果 Results 2.1 颈椎标本三维运动中性区分析结果 中性区组间比较结果详见表1及图3。骨折状态下三维运动中性区与正常状态相比差异有显著性意义(P < 0.05)，提示骨折状态比正常状态的各运动中性区增大；内固定状态下三维运动中性区与正常状态的差异均无显著性意义(P > 0.05)。2.2 颈椎标本三维运动范围分析结果 3种状态的运动范围比较结果详见表2及图4，从中可以看出，骨折状态标本矢状面、冠状面、水平面上的运动范围与正常状态测得的对应值相比，差异有显著性意义(P均< 0.05，分别为0.000，0.001和0.000)，且均

23、值均大于正常状态下3个对应均值，推断骨折状态比正常状态的运动范围增大；内固定状态3个平面(矢状面、冠状面、水平面)的运动范围与正常状态差异均无显著性意义(P均> 0.05)。3 讨论 Discussion寰椎呈环形结构，围绕延颈髓和齿突，其侧块呈内薄外厚的楔形“嵌”在枕骨和枢椎间，与枕骨髁和枢椎表1 颈椎标本各状态下运动中性区比较 (±s，n=6，°)Table 1 Comparison of neutral zones in different status of cervical specimens运动正常组骨折组内固定组P1P2F屈伸运动2.010±0

24、.1386.697±1.0302.020±0.0550.0000.985121.270侧屈运动2.500±0.6508.075±1.4102.763±0.6160.0000.64363.753旋运动39.010±2.09351.197±6.30040.843±1.9840.0090.30816.189表注：P1为正常组和骨折组的差异比较；P2为正常组和内固定组的差异比较。表2 颈椎标本各状态下的三维运动范围比较 (±s，n=6，°)Table 2 Comparison of range of t

25、hree-dimensional motion of cervical specimens in different status 表注：P1为正常组和骨折组的差异比较；P2为正常组和内固定组的差异比较。运动平面正常组骨折组内固定组P1P2F矢状面12.731±4.54425.267±4.15113.563±3.1210.0000.72318.570冠状面10.922±0.68821.958±3.20711.083±0.9190.0010.93762.072水平面58.230±3.8873.973±4.35759.

26、751±3.0570.0000.51731.145屈伸运动 侧屈运动 旋转运动矢状面 冠状面 水平面a6050403020100运动中性区(°)正常组 骨折组 内固定组正常组 骨折组 内固定组图4 各状态下颈椎标本运动范围比较Figure 4 Comparison of ranges of motion for cervical specimens in different status图注：骨折状态比正常状态的运动范围增大。与正常组比较， aP < 0.05。图3 各状态下颈椎标本运动中性区比较Figure 3 Comparison of neutral zones

27、 for cervical specimens in different status图注：骨折状态比正常状态的各运动中性区增大。与正常组比较，aP < 0.05。80706050403020100三维运动范围(°)aaaaa上关节面形成对称的两个侧方关节，侧块不仅在载荷传递中起“衬垫”功能即将枕部载荷传向前后弓及枢椎，还维持着枕骨、枢椎间的垂直距离11。研究结果显示，环形结构连续性破坏后施加垂直加载，侧块除出现分离移位还合并前后、上下方向的移位，实际是复杂的空间旋转移位，具体移位方式和关节面角度、韧带、外部载荷等因素有关，研究结果初步推断前弓完整性可能对限制侧块移位更重要12

28、。发现无论头部处于什么位置，应力最大点集中在前弓13。作者在实验中同样发现，骨折状态下三维中性区运动与正常状态相比差异有显著性意义(P < 0.05)，推断骨折状态比正常状态的各运动中性区增大。而当前弓存在游离骨块时，前路手术重建前弓完整性是必要的，因为前弓对C1-2后伸稳定性有重要的限制作用；单纯C1复位固定可以重建寰椎的环形结构，恢复C1-2关节排列吻合，同时也恢复了纵行韧带的张力，纵行韧带起张力带的作用，或许能够维持生理载荷下C1-2的稳定性，如同漂浮在水面上的浮标，随着水位升高，缆绳被拉紧，浮标被固定在水面上，变得不再随波逐流，即浮标理论14。同样在实验中证实，内固定状态3个平面

29、(矢状面、冠状面，水平面)的运动范围均值与正常状态的差异均无显著性意义(P均 > 0.05)，各运动中性区未见明显的异常。尸体研究及有限元分析均提示寰椎环形结构连续性对限制侧块分离移位非常重要11。鉴于人体的骨骼肌肉系统在冠状面是对称的，所以针对脊柱三维运动的描述，必须建立合适的参照坐标系。本次实验对于寰枢椎节段间的运动描述就采用了右手卡森思(Cartesian)三维坐标系统。用节段间的角度变化或节段间位移变化来表示，通常称为脊柱的三维运动范围。这种脊柱运动的描述方法在脊柱生物力学研究中得到广泛的应用。本次实验就是选择了这种方法。在实验顺序及模拟手术方法时，有文献报道该测试顺序能最大程度

30、的缩小在相同标本上多次放置不同内固定15，从而导致局部解剖结构完整性的破坏所造成的实验误差。作者所采用的顺序为正常组(即对照组)、骨折组(寰枢椎不稳组)、内固定组(骨折后采用掌骨钢板经口咽内固定)。实验原理基于多向柔度测定法9。脊柱的生理活动为复合运动，验证各方向上的限制刚度意义不大，主要考虑各生理运动时的稳定性。轴向加载力矩为1.53 N/m，为双侧均匀加载。据报道能实现最大生理运动范围16。通过分析比较数据处理所得的中性区及运动范围可得出结论。划分中性区(零载荷位置和中立位之间的位移，表示标本最初的僵硬度)和弹性区(抗阻运动区、反映弹性阻力)，有利于正确认识韧带在稳定关节中的作用并判断关节

31、失稳的类型。很多学者进行了生物力学实验探讨各韧带在枕寰枢复合体的作用17，大部分认为创伤导致横韧带损伤后，C1/2关节在水平方向上不稳。Koller等18设计了生物力学实验，模拟有横韧带损伤的寰椎骨折并进行单节段固定，然后加载超过生理载荷的应力，并记录影像学上的寰齿间隙变化。他分析认为不管作用于头部和C1拉力来自于水平向还是侧向，都能被枕寰枢复合体中的软组织力耦抵消，从而使寰齿间隙变化不大。与 Puttlitz等19的有限元模型相互印证，他强调除横韧带外的次级稳定结构能很好地代偿也从而容易掩盖横韧带的损伤。结论是单节段固定能恢复枕寰枢复合体的对位关系，为复合体内除横韧带外的次级稳定结构发挥作用

32、创造条件，故而能应用于伴横韧带损伤的患者。同时寰椎横韧带特殊的解剖结构决定其损伤诊断较为困难。C1-2或C0-2固定融合具有很高的融合率，但其共同缺点是使患者失去较多的旋转活动度，应谨慎实施，除非寰枢椎间的稳定性经保守治疗恢复的可能性很小20。有研究报道寰椎不同程度损伤后，上颈椎的不稳主要发生在前屈后伸方向，其中性区及运动范围分别增加了90%和40%，而侧弯及旋转的中性区及运动范围仅分别增加了20%和10%9。前路内固定在前屈活动中起支撑、维持高度的作用，后伸时起张力带作用，针对地协同各韧带稳定寰椎。实验中作者观察到寰椎的活动主要体现在寰枢复合体的整体之中，肉眼很难体会各状态下的运动范围间的差

33、异。所以，精密仪器的使用及严谨的数据处理能对结果提供重大影响。本固定原理为恢复对位关系后，通过重建寰椎的环状结构，抵消结构变化导致的功能上机械负荷过大，使上颈椎的稳定性显著恢复。并为骨性愈合创造局部的稳定，减少术后颈托制动的必要性。另外，可避免取骨的创伤及相关并发症。如吕厚山教授所译脊柱内固定学书中所说，为发展出可行的非手术或手术治疗方案，必须对造成损伤的外力有彻底了解，并确认那些已丧失生物力学性质的结构21。寰椎骨折中除横韧带外的韧带及关节囊等通常能保持完整，只要恢复骨折对位目前的治疗争论主要还是单节段固定能否应用于横韧带损伤病例，特别是能否抵消轴位旋转不稳等22-25。但现有报道较少，缺少

34、有力证据。文章目前仅针对无横韧带损伤的不稳定寰椎骨折，从实验结果得出结论，掌骨重建钢板固定寰椎骨折是充分的；在恢复上颈椎稳定性的同时，充分地避免了融合术的不良影响。作者贡献：所有作者均参与文章的设计、实施和评估，均经过正规培训。利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。伦理问题：实验方案经广西骨伤医院伦理委员会批准。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享

35、和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 胡勇,徐荣明,马维虎,等.不稳性寰椎骨折的外科治疗策略J.中华创伤杂志,2011,27(2):115-120. 2 Sim HB, Lee JW, Park JT, et al. Biomechanical evaluations of various c1-c2 posterior fixation techniques. Spine. 2011;36(6): E401-407.3 Ringel F, Reinke A, Stuer C, et al. Posterior

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