1、www.CRTER.org李小峰，等. 掌骨重建鋼板模擬單節段固定修復寰椎骨折：體外三維運動生物力學分析掌骨重建鋼板模擬單節段固定修復寰椎骨折：體外三維運動生物力學分析李小峰1，覃俊杰2，李 強2，楊 淵1(1廣西骨傷醫院，廣西壯族自治區南寧市 530012；2廣西醫科大學，廣西壯族自治區南寧市 530021)引用本文：李小峰，覃俊杰，李強，楊淵. 掌骨重建鋼板模擬單節段固定修復寰椎骨折：體外三維運動生物力學分析J.中國組織工程研究，2016，20(39):5819-5824.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.007 ORCID: 0000-0003-

2、3988-6681(李小峰)文章快速閱讀：掌骨重建鋼板單節段內固定修復寰椎骨折的生物力學分析李小峰，男，碩士，主治醫師。通訊作者：楊淵，主任醫師，教授，廣西骨傷醫院，廣西壯族自治區南寧市 530012中圖分類號:R318文獻標識碼:A文章編號:2095-4344(2016)39-05819-06稿件接受：2016-07-08將標本造成寰椎前弓雙骨折模型，并以掌骨重建鋼板系統模擬進行單節段復位固定。使用新鮮上頸椎標本(C0-C5)6例。觀察指標頸椎標本骨折狀態與正常狀態的運動中性區、三維運動范圍差異均有顯著性意義(P均< 0.05)；而內固定狀態與正常狀態的運動中性區、三維運動范圍差異均無

3、顯著性意義(P均> 0.05)。實驗結論：掌骨重建鋼板單節段內固定不穩定性寰椎骨折可以獲得良好的穩定性，在恢復上頸椎穩定性的同時可充分避免融合術的不良影響。比較骨折狀態、內固定狀態、正常狀態的運動中性區及三維運動范圍與正常狀態的差異。文題釋義：寰椎：呈環形結構，圍繞延頸髓和齒突，其側塊呈內薄外厚的楔形“嵌”在枕骨和樞椎間，與枕骨髁和樞椎上關節面形成對稱的兩個側方關節，側塊不僅在載荷傳遞中起“襯墊”功能即將枕部載荷傳向前后弓及樞椎，還維持著枕骨、樞椎間的垂直距離。不穩定性寰椎骨折固定：國內研究表明，Halo Vest牽引固定耗時較長，難以獲得對寰椎側塊滿意而持久的復位，從而造成骨不愈合或愈

4、合不良，臨床療效欠佳，有學者認為可能使原有的脫位發生不當固定進而引發進行性頸痛；針對寰樞(C1-2)或枕頸(C0-2)固定融合，但無論C1-2 還是C0-2 融合都將犧牲上頸椎的運動功能，尤其是旋轉功能。摘要背景：為了實現骨折復位的穩定以及盡量保留頸椎活動度的完整，國內外多學者均開展了有關單節段有限內固定的臨床與實驗研究，均取得了良好的臨床療效，未見明顯的寰樞關節失穩而引起的不適癥狀。目的：采用體外三維運動法對掌骨重建鋼板單節段固定不穩定性寰椎骨折進行生物力學分析。方法：使用新鮮上頸椎標本(C0-C5)6例，將標本造成寰椎前弓雙骨折模型，并以掌骨重建鋼板系統模擬進行單節段復位固定。測量每例標本

5、的正常狀態、骨折狀態及內固定狀態3組數據。比較骨折狀態、內固定狀態、正常狀態的運動中性區及三維運動范圍與正常狀態的差異。結果與結論：頸椎標本骨折狀態與正常狀態的運動中性區、三維運動范圍差異均有顯著性意義(P均< 0.05)；而內固定狀態與正常狀態的運動中性區、三維運動范圍差異均無顯著性意義(P均> 0.05)；結果表明，掌骨重建鋼板系統模擬單節段固定不穩定性寰椎骨折可以獲得良好的穩定性，在恢復上頸椎穩定性的同時，可充分避免融合術的不良影響。關鍵詞：骨科植入物；脊柱植入物；寰椎骨折；單節段固定；生物力學主題詞：頸椎；生物力學；內固定器；組織工程基金資助：廣西衛生廳重點資助項目(重20

6、120206)；廣西科學研究與技術開發計劃項目(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對于不穩定性寰椎骨折，以往在國外多選用Halo Vest牽引架固定，部分病例涉及枕頸融合術、寰樞融合術。國內研究表明，Halo Vest牽引固定耗時較長，難以獲得對寰椎側塊滿意而持久的復位，從而造成骨不愈合或愈合不良，臨床療效欠佳，有學者認為可能使原有的脫位發生不當固定進而引發進行性頸痛1；寰樞(C1-2)或枕頸(C0-2)固定融合，但無論C1-2還是C0-2融合都將犧牲上頸椎的運動功能，尤其是旋轉功能2-3。為了實現骨折復位的穩定以及盡量保留頸椎活動度的完整，國內外許多學者均開展了有關單節段有限內固定治療的臨床與實驗研究4

17、-5，均取得了良好的臨床療效，未見明顯的寰樞關節失穩而引起的不適癥狀。盡管如此，隨著內固定技術的飛速發展以及對不穩定性寰椎骨折后穩定性重視的加深，在考慮堅強內固定、減輕手術創傷的同時，術者越來越注重提高患者的生活質量；所以保留上頸椎活動功能，避免了保守治療諸多不便及并發癥的單節段固定技術治療寰椎骨折受到極大關注。胡勇6、焦云龍等7分別研制了各具特色的經口咽鋼板復位系統，并分別進行了固定后療效評價，證實具有良好的固定效果。近7年來廣西骨傷醫院采用掌骨重建鋼板單節段修復不穩定性寰椎骨折18例，創傷小，置釘相對容易，便于操作，臨床療效確切。為了闡述該項技術的安全性，文章選用頸椎新鮮標本6例，成功制備

18、不穩定性寰椎骨折模型后，采用掌骨重建鋼板單節段固定，并進行生物力學檢測以闡述其穩定性與安全性。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 設計 生物力學實驗。1.2 時間及地點 于2013年3月在南方醫科大學醫學生物力學實驗室完成。1.3 材料 收集新鮮上頸椎標本(C0-C5)共6例，年齡18-72歲；性別未區分，生前無骨骼疾患，均排除枕頸圖2 頸椎標本的三維運動范圍測量Figure 2 Measurement of range of three-dimensional motion of cervical specimens部的損傷、畸形和其他相關腫瘤病變。每具標本頭

19、顱保留枕骨部分，頸椎保留至第4頸椎水平以便固定。各標本用雙層塑料袋密封，-20 保存。測試前將標本4 下解凍。剔除周邊多余軟組織，注意保持韌帶、各關節囊、椎間盤和骨結構完整8。修整后，標本首、末兩節椎體分別多角度、多平面置入數枚普通螺釘用以加強包埋。保持標本中立、C3椎體水平，頭端和尾端的半個椎體用聚甲基丙烯酸甲酯(上海新世紀齒科材料有限公司)包埋。包埋時保證包埋塊盡量薄，上下表面平整，頭端預留2枚螺釘連接特制的加載盤。將Motion- Analysis動作捕捉系統(美國Motion-Analysis公司)配套的、用以收集運動坐標的marker，分別插入C0，1，2椎體前方、側方以及棘突，并確

20、保加載過程中標志互不干擾。實驗所用內固定器材為由樞法模醫療器械公司提供的4，5孔掌骨重建鋼板及配套螺釘、器械。1.4 實驗方法 所有測試在6 h內完成。將包埋后的標本用測試臺的夾鉗固定。通過改變標本與頭端加載盤的連接、利用滑輪組系統實現不同平面加載應力，模擬生理運動。砝碼質量通過滑輪及加載盤形成1.53 Nm軸向純力矩，預加載兩個循環以減小標本黏滯性對結果的影響，允許30 s蠕變，從第3個加載循環開始記錄各標志球傳出的三維運動數據，整個實驗過程始終用生理鹽水保持標本軟組織的濕潤9。測量正常狀態數據后，將標本不穩定性寰椎骨折模型(雙前弓骨折)測量數據，隨后采用掌骨重建鋼板進行單節段復位固定再次測

21、量數據。每例標本分別生成正常狀態、骨折狀態(寰椎前弓雙骨折)、內固定狀態3組數據。實驗重復3次，測試值取平均值10，見圖1，2。1.5 主要觀察指標 比較正常組、骨折組及內固定組的運動中性區、運動范圍。1.6 統計學分析 實驗設計采用單因素多水平方差分析方法，計算時間因素的重復效應。采用SPSS 16.0 統計軟件進行分析。正常組、骨折組及內固定組的運動中性區、運動范圍采用最小顯著差異(least significance圖1 實驗標本的制備Figure 1 Preparation of test specimensdifference)及Games-Howell (方差不齊時使用)法行組內多

22、重兩兩比較，顯著水準設為0.05。2 結果 Results 2.1 頸椎標本三維運動中性區分析結果 中性區組間比較結果詳見表1及圖3。骨折狀態下三維運動中性區與正常狀態相比差異有顯著性意義(P < 0.05)，提示骨折狀態比正常狀態的各運動中性區增大；內固定狀態下三維運動中性區與正常狀態的差異均無顯著性意義(P > 0.05)。2.2 頸椎標本三維運動范圍分析結果 3種狀態的運動范圍比較結果詳見表2及圖4，從中可以看出，骨折狀態標本矢狀面、冠狀面、水平面上的運動范圍與正常狀態測得的對應值相比，差異有顯著性意義(P均< 0.05，分別為0.000，0.001和0.000)，且均

23、值均大于正常狀態下3個對應均值，推斷骨折狀態比正常狀態的運動范圍增大；內固定狀態3個平面(矢狀面、冠狀面、水平面)的運動范圍與正常狀態差異均無顯著性意義(P均> 0.05)。3 討論 Discussion寰椎呈環形結構，圍繞延頸髓和齒突，其側塊呈內薄外厚的楔形“嵌”在枕骨和樞椎間，與枕骨髁和樞椎表1 頸椎標本各狀態下運動中性區比較 (±s，n=6，°)Table 1 Comparison of neutral zones in different status of cervical specimens運動正常組骨折組內固定組P1P2F屈伸運動2.010±0

24、.1386.697±1.0302.020±0.0550.0000.985121.270側屈運動2.500±0.6508.075±1.4102.763±0.6160.0000.64363.753旋運動39.010±2.09351.197±6.30040.843±1.9840.0090.30816.189表注：P1為正常組和骨折組的差異比較；P2為正常組和內固定組的差異比較。表2 頸椎標本各狀態下的三維運動范圍比較 (±s，n=6，°)Table 2 Comparison of range of t

25、hree-dimensional motion of cervical specimens in different status 表注：P1為正常組和骨折組的差異比較；P2為正常組和內固定組的差異比較。運動平面正常組骨折組內固定組P1P2F矢狀面12.731±4.54425.267±4.15113.563±3.1210.0000.72318.570冠狀面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屈伸運動 側屈運動 旋轉運動矢狀面 冠狀面 水平面a6050403020100運動中性區(°)正常組 骨折組 內固定組正常組 骨折組 內固定組圖4 各狀態下頸椎標本運動范圍比較Figure 4 Comparison of ranges of motion for cervical specimens in different status圖注：骨折狀態比正常狀態的運動范圍增大。與正常組比較， aP < 0.05。圖3 各狀態下頸椎標本運動中性區比較Figure 3 Comparison of neutral zones

27、 for cervical specimens in different status圖注：骨折狀態比正常狀態的各運動中性區增大。與正常組比較，aP < 0.05。80706050403020100三維運動范圍(°)aaaaa上關節面形成對稱的兩個側方關節，側塊不僅在載荷傳遞中起“襯墊”功能即將枕部載荷傳向前后弓及樞椎，還維持著枕骨、樞椎間的垂直距離11。研究結果顯示，環形結構連續性破壞后施加垂直加載，側塊除出現分離移位還合并前后、上下方向的移位，實際是復雜的空間旋轉移位，具體移位方式和關節面角度、韌帶、外部載荷等因素有關，研究結果初步推斷前弓完整性可能對限制側塊移位更重要12

28、。發現無論頭部處于什么位置，應力最大點集中在前弓13。作者在實驗中同樣發現，骨折狀態下三維中性區運動與正常狀態相比差異有顯著性意義(P < 0.05)，推斷骨折狀態比正常狀態的各運動中性區增大。而當前弓存在游離骨塊時，前路手術重建前弓完整性是必要的，因為前弓對C1-2后伸穩定性有重要的限制作用；單純C1復位固定可以重建寰椎的環形結構，恢復C1-2關節排列吻合，同時也恢復了縱行韌帶的張力，縱行韌帶起張力帶的作用，或許能夠維持生理載荷下C1-2的穩定性，如同漂浮在水面上的浮標，隨著水位升高，纜繩被拉緊，浮標被固定在水面上，變得不再隨波逐流，即浮標理論14。同樣在實驗中證實，內固定狀態3個平面

29、(矢狀面、冠狀面，水平面)的運動范圍均值與正常狀態的差異均無顯著性意義(P均 > 0.05)，各運動中性區未見明顯的異常。尸體研究及有限元分析均提示寰椎環形結構連續性對限制側塊分離移位非常重要11。鑒于人體的骨骼肌肉系統在冠狀面是對稱的，所以針對脊柱三維運動的描述，必須建立合適的參照坐標系。本次實驗對于寰樞椎節段間的運動描述就采用了右手卡森思(Cartesian)三維坐標系統。用節段間的角度變化或節段間位移變化來表示，通常稱為脊柱的三維運動范圍。這種脊柱運動的描述方法在脊柱生物力學研究中得到廣泛的應用。本次實驗就是選擇了這種方法。在實驗順序及模擬手術方法時，有文獻報道該測試順序能最大程度

30、的縮小在相同標本上多次放置不同內固定15，從而導致局部解剖結構完整性的破壞所造成的實驗誤差。作者所采用的順序為正常組(即對照組)、骨折組(寰樞椎不穩組)、內固定組(骨折后采用掌骨鋼板經口咽內固定)。實驗原理基于多向柔度測定法9。脊柱的生理活動為復合運動，驗證各方向上的限制剛度意義不大，主要考慮各生理運動時的穩定性。軸向加載力矩為1.53 N/m，為雙側均勻加載。據報道能實現最大生理運動范圍16。通過分析比較數據處理所得的中性區及運動范圍可得出結論。劃分中性區(零載荷位置和中立位之間的位移，表示標本最初的僵硬度)和彈性區(抗阻運動區、反映彈性阻力)，有利于正確認識韌帶在穩定關節中的作用并判斷關節

31、失穩的類型。很多學者進行了生物力學實驗探討各韌帶在枕寰樞復合體的作用17，大部分認為創傷導致橫韌帶損傷后，C1/2關節在水平方向上不穩。Koller等18設計了生物力學實驗，模擬有橫韌帶損傷的寰椎骨折并進行單節段固定，然后加載超過生理載荷的應力，并記錄影像學上的寰齒間隙變化。他分析認為不管作用于頭部和C1拉力來自于水平向還是側向，都能被枕寰樞復合體中的軟組織力耦抵消，從而使寰齒間隙變化不大。與 Puttlitz等19的有限元模型相互印證，他強調除橫韌帶外的次級穩定結構能很好地代償也從而容易掩蓋橫韌帶的損傷。結論是單節段固定能恢復枕寰樞復合體的對位關系，為復合體內除橫韌帶外的次級穩定結構發揮作用

32、創造條件，故而能應用于伴橫韌帶損傷的患者。同時寰椎橫韌帶特殊的解剖結構決定其損傷診斷較為困難。C1-2或C0-2固定融合具有很高的融合率，但其共同缺點是使患者失去較多的旋轉活動度，應謹慎實施，除非寰樞椎間的穩定性經保守治療恢復的可能性很小20。有研究報道寰椎不同程度損傷后，上頸椎的不穩主要發生在前屈后伸方向，其中性區及運動范圍分別增加了90%和40%，而側彎及旋轉的中性區及運動范圍僅分別增加了20%和10%9。前路內固定在前屈活動中起支撐、維持高度的作用，后伸時起張力帶作用，針對地協同各韌帶穩定寰椎。實驗中作者觀察到寰椎的活動主要體現在寰樞復合體的整體之中，肉眼很難體會各狀態下的運動范圍間的差

33、異。所以，精密儀器的使用及嚴謹的數據處理能對結果提供重大影響。本固定原理為恢復對位關系后，通過重建寰椎的環狀結構，抵消結構變化導致的功能上機械負荷過大，使上頸椎的穩定性顯著恢復。并為骨性愈合創造局部的穩定，減少術后頸托制動的必要性。另外，可避免取骨的創傷及相關并發癥。如呂厚山教授所譯脊柱內固定學書中所說，為發展出可行的非手術或手術治療方案，必須對造成損傷的外力有徹底了解，并確認那些已喪失生物力學性質的結構21。寰椎骨折中除橫韌帶外的韌帶及關節囊等通常能保持完整，只要恢復骨折對位目前的治療爭論主要還是單節段固定能否應用于橫韌帶損傷病例，特別是能否抵消軸位旋轉不穩等22-25。但現有報道較少，缺少

34、有力證據。文章目前僅針對無橫韌帶損傷的不穩定寰椎骨折，從實驗結果得出結論，掌骨重建鋼板固定寰椎骨折是充分的；在恢復上頸椎穩定性的同時，充分地避免了融合術的不良影響。作者貢獻：所有作者均參與文章的設計、實施和評估，均經過正規培訓。利益沖突：所有作者共同認可文章內容不涉及相關利益沖突。倫理問題：實驗方案經廣西骨傷醫院倫理委員會批準。文章查重：文章出版前已經過CNKI反剽竊文獻檢測系統進行3次查重。文章外審：文章經國內小同行外審專家雙盲外審，符合本刊發稿宗旨。作者聲明：第一作者對研究和撰寫的論文中出現的不端行為承擔責任。論文中涉及的原始圖片、數據(包括計算機數據庫)記錄及樣本已按照有關規定保存、分享

35、和銷毀，可接受核查。文章版權：文章出版前雜志已與全體作者授權人簽署了版權相關協議。4 參考文獻 References1 胡勇,徐榮明,馬維虎,等.不穩性寰椎骨折的外科治療策略J.中華創傷雜志,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

36、C1-2 fusion with C1 lateral mass and C2 isthmic screws: accuracy of screw position, alignment and patient outcome. Acta Neurochir(Wien). 2012;154(2): 305-312.4 Ruf M, Melcher R, Harms J. Transoral reduction and osteosynthesis C1 as a function -preserving option in the treatment of unstable Jefferson

37、 fractures. Spine. 2004;29(7):823-827.5 Bransford R, Chapman JR, Bellabarba C. Primary internal fixation of unilateral C1 lateral mass sagittal split fractures: a series of 3 cases. J Spinal Disord Tech. 2011;24(3):157-163.6 胡勇,馬維虎,顧勇杰,等.經口咽入路內固定治療不穩定性寰椎骨折臨床療效分析J .脊柱外科雜志, 2011, 9(3): 131-134.7 焦云龍,尹

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