背景颅底凹陷症(Basilar invagination, BI)是一种以颅颈交界区复杂骨结构畸形为基础的神经脊髓压迫综合征,其发病机制多与胚胎发育过程形成的扁平颅底、枕颈融合、Kleip-Feil畸形等有关,也可能与寰枢椎失稳后代偿有关,常继发于先天性畸形、类风湿性关节炎、甲状旁腺功能亢进、Paget病、成骨不全症和佝偻病等,多表现为寰枢关节脱位,齿状突向后、向上陷入枕骨大孔,压迫脑干,引起颈痛、四肢乏力、感觉麻木等神经症状。BI可分为斜坡型和齿状突型,斜坡型BI的病理解剖特征是,齿状突与寰椎始终保持正常解剖关系,但齿状突跟随寰椎及枕骨斜坡同步上移,导致颅底平坦,后颅窝容积减小,小脑被迫疝出枕骨大孔,从后方压迫脑干,引起相应的神经症状,因此,斜坡型BI一般采用后颅窝减压,扩大后颅窝容积的方法。与斜坡型BI不同,齿状突型BI存在寰椎脱位,并且齿状突向后、向上压迫延髓,因此,该型治疗的关键是复位寰枢椎,同时解除齿状突对延髓的压迫。有学者采用术前长时间卧床牵引或术中全麻下牵引来复位寰椎,然而,寰椎前弓和齿状突之间以及侧块关节之间有大量瘢痕组织形成,甚至侧块关节、寰齿关节间异常骨性融合,导致临床中大部分齿状突型BI的寰枢椎脱位是难复性的,即使在全麻下大重量颅骨牵引也无法复位。目前难复性寰枢椎脱位主要有两种治疗方法,分别是国内学者尹庆水等研制发明的经口咽寰枢复位钢板内固定系统(transoral atlantoaxial reduction plate,TARP)和印度学者Goel最初报道的后路寰枢植入垫片联合钉棒(或钉板)内固定系统(C1 lateral mass screw+C2 pedicle screw+Cage, C1LS+C2PS+Cage)。2004年印度学者Goel最初报道采用后路切断C2神经节及静脉丛,暴露并分离寰枢关节,去除软骨后植入自行设计的多孔金属垫片,迫使齿状突下移,最后辅以寰枢内固定,以上治疗BI的方法,我们称之为‘’Goel技术”(Goel technique)。2013年Chandra等指出,Goel技术仅仅复位齿状突垂直移位,并没有复位寰椎前脱位,他们在Goel技术的基础上利用植入的Cage为支点,通过器械对万向螺钉加压来复位寰椎,最后辅以寰枢内固定,以上以Cage为支点通过器械加压来复位寰椎的方法,我们称之为“改良Goel技术”(modified Goel technique)。为了减少术中椎动脉医源性损伤,他们采用C2双皮质椎板螺钉(bicortical C2 laminar screws,BC2LS)代替C2椎弓根螺钉(C2 pedicle screws, C2PS)。然而,后路C1侧块螺钉+Cage+C2双皮质椎板螺钉(C1LS+Cage+BC2LS)组成的钉棒系统,其生物力学稳定性未见相关报道。2004年尹庆水等首次报道TARP技术,随后他们应用TARP技术成功治疗大量齿状突型BI合并难复性寰枢椎脱位的患者,并获得良好临床效果。TARP技术不仅能有效复位寰枢椎脱位,而且也能为寰枢固定融合提供良好的生物力学稳定性。目前TARP内固定已更新至第三代,第三代TAPR内固定的主要改良之处是逆向椎弓根置钉方法以及钉板万向导钻和自锁机制的设计,从根本上确保了螺钉的坚强固定。TARP技术通过前路行寰枢融合,使松解、复位、减压、固定一步完成,避免后路手术对颈后肌的破坏,然而TARP技术植入颗粒骨(或髂骨块)存在取髂骨相关并发症,还有植骨塌陷、吸收、移位或脱落的可能,进而导致骨不连、内固定失效或感染发生,含有植骨的Cage取代颗粒骨理论上能增加稳定性,维持寰枢融合角度,并减少植骨塌陷、吸收、脱落等并发症,我们将Cage联合TARP内固定的方法称为“改良TARP技术’’(modified TARP technique,TARP+Cage)。目前国内外文献仅有少数关于改良TAPR技术和Goel技术的生物力学研究,未见有限元分析研究。有限元分析可定量表达颈椎运动,是体外生物力学实验的一个重要补充,它可以克服尸体实验和动物实验取材难、费用高、可重复性差等缺点。2000年,Puttlitz等首次报道上颈椎有限元模型,并将其应用于上颈椎类风湿关节炎的病理学研究,此后,随着有限元软件和计算机科学的发展,上颈椎有限元分析已经广泛应用于颈椎运动学研究,以及各种内固定器械的生物力学研究。实验一两种改良Goel技术治疗颅底凹陷症稳定性的有限元分析目的应用有限元分析评价C2双皮质椎板螺钉和C2椎弓根螺钉联合关节内Cage在寰枢固定中的生物力学差异。方法采集1名35岁正常男性上颈椎(C0-C2)CT数据,通过Mimics 10.01和Abaqus6.11软件建立C0-C2节段三维有限元完整模型(Intact)并进行有效性验证。正常有限元模型包括皮质骨、松质骨、软骨和上颈椎相关韧带,模型包含的韧带有横韧带、十字韧带上下韧带、翼状韧带、齿突尖韧带、前纵韧带、寰枕前膜、覆膜、寰枕后膜、寰枢后膜、C1-C2关节囊,由于横韧带呈低弹性组织且非常坚韧,采用膜单元来模拟,其余韧带参考相关文采用两节点T3D2单元来模拟,设置为只传导拉力。皮质骨的平均厚度设为1.5mm, C1-C2的关节软骨厚度设为3.0mm,关节软骨接触面之间采用滑动接触,摩擦系数设为0.1。皮质骨、松质骨、软骨、关节囊、韧带材料属性根据文献确定赋值。在已建立的Intact模型上,通过删除横韧带模拟横韧带断裂,建立上颈椎失稳模型(Unstable),并与体外颈椎生物力学实验数据比对。另外,BI常合并寰枕融合,合并率达92%,因此在已建立的Unstable模型上,删除Co-C1关节间软骨,添加单元格模拟寰枕融合状态。在失稳模型上分别建立后路C1侧块螺钉+Cage+C2双皮质椎板螺钉组成的钉棒系统模型(Cl lateral mass screw+Cage+bicortical C2 laminar screw, C1LS+Cage+BC2LS),后路C1侧块螺钉+Cage+C2椎弓根螺钉组成的钉棒系统模型(C1 lateral mass screw+Cage+C2 pedicle screw, C1LS+Cage+C2PS)。在枕骨髁上方施加40 N轴向压力模拟头颅重力,同时在枕骨髁上方施加1.5 Nm力矩使模型产生前屈、后伸、侧弯、旋转运动,记录C1LS+Cage+BC2LS组及ClLS+Cage+C2PS组的应力云图及应力峰值,计算C1-C2节段活动度(range of motion, ROM)。结果本研究成功建立正常人Co-C2非线性有限元模型,模型模拟了皮质骨、松质骨、关节软骨及关节囊、韧带的三维结构,共计单元26623个,节点26003个。Intact模型在前屈、后伸、侧弯、旋转载荷下Co-C1、C1-C2的ROM与Panjabi等体外颈椎标本实验结果和Zhang等上颈椎有限元模型结果吻合,验证了正常模型的有效性。Li等的颈椎生物力学研究和Zhang等的上颈椎有限元分析均采用切断横韧带的方法造成寰枢失稳,同样本研究也采用删除横韧带的方法模拟C1-C2失稳,本模型有限元结果表明,与Intact模型相比,Unstable模型在前屈、后伸、侧弯、旋转载荷下C1-C2的活动度分别增加35.2%、 16.4%、4.0%、5.6%,以上结果基本和Li等的颈椎生物力学实验结果吻合。在任何载荷下C1LS+Cage+BC2LS组和C1LS+Cage+C2PS组的C1-C2节段ROM差异均小于0.1°,且两组内固定所有螺钉的应力分布和应力峰值无明显差异。两组内固定系统在前屈、后伸载荷下C1螺钉比C2螺钉承受更大的应力,尤其是后伸载荷下C1螺钉的最大应力是C2螺钉的2倍左右。在后伸载荷下两组内固定Cage内植骨应力最小,存在明显应力遮挡,尤其是C1LS+Cage+C2PS组。结论本研究建立上颈椎有限元模型,并采用两组不同的内固定系统装配,进行生理载荷不同运动状态下的有限元分析结果表明,对于BI的治疗,当枢椎不适合置入C2椎弓根螺钉时,可采用C2双皮质椎板螺钉替代,两者提供的三维稳定性相当,均有利于融合。与C2PS技术相比,BC2LS技术简单、易行,同时能有效避免椎动脉和脊髓的损伤。目前仍需进一步研究颅底凹陷症患者的C2椎板影像学数据,为临床应用C2双皮质椎板螺钉技术治疗颅底凹陷症提供理论依据。实验二改良TARP技术与Goel技术治疗颅底凹陷症稳定性的有限元分析目的应用有限元分析比较前路改良’TARP技术与后路Goel技术治疗颅底凹陷症的生物力学稳定性差异。方法采集1名35岁正常男性上颈椎(C0-C2)CT数据,通过Mimics 10.01和Abaqus6.11软件建立Co-C2节段三维有限元完整模型并进行有效性验证。在失稳模型上参考TARP内固定植入方法建立前路改良TARP内固定模型(transoral atlantoaxial reduction plate+Cage, TARP+Cage),具体方法如下：C1逆向侧块螺钉采用单皮质螺钉,入针点位于Cl侧块内侧缘向外5mm处,向外侧倾斜5°-10°、向上倾斜10°-15。,确保沿着C1侧块轴进入；C2逆向椎弓根螺钉采用双皮质螺钉,入针点位于C2上关节面内侧顶点下方约5mm处,向外侧倾斜9.3°-28.3°、向下倾斜6.5°-2.15°,逆向沿C2椎弓根轴进入。同样,在失稳模型上参考后路C1侧块螺钉和C2椎弓根螺钉植入方法构建后路Goel内固定模型(C1 lateral mass screw+C2 pedicle screw+Cage, C1LS+C2PS+Cage),具体方法如下：C1侧块螺钉采用双皮质螺钉,入针点位于后弓下方C1侧块中部,沿C1-2关节面向内侧倾斜5。-10。、向上倾斜10。-15°,沿着C1侧块轴进入；C2椎弓根螺钉采用双皮质螺钉,遵循“高、内”原则,入针点位于C2椎弓根内侧,沿C1-2关节面向内侧倾斜16.5°-23.8°、向上倾斜25.3°-36.7°,沿着C2椎弓根轴进入。在枕骨髁上方施加40 N轴向压力模拟头颅重力,同时在枕骨髁上方施加1.5 Nm力矩使模型产生前屈、后伸、侧弯、旋转运动,记录TARP+Cage组及C1LS+C2PS+Cage组的应力云图及应力峰值,并计算C1-C2节段活动度(range of motion, ROM)。结果与完整模型相比,两组内固定均能减少C1-C2节段ROM。与C1LS+C2PS+Cage组相比,TARP+Cage组的C1-C2节段ROM在后伸、侧弯、旋转载荷下分别减少44.7%、30.0%、10.5%,但在前屈载荷下ROM增加30.0%。除了在后伸载荷下TARP+Cage组C2螺钉的应力峰值大于ClLS+C2PS+Cage组C2螺钉外,其余在前屈、后伸、侧弯和旋转载荷下TARP+Cage组C1螺钉、C2螺钉的应力峰值均相应的小于C1LS+C2PS+Cage组C1螺钉、C2螺钉。在前屈、后伸载荷下TARP板的应力峰值均小于后路棒。结论本研究建立上颈椎有限元模型,并采用两组不同的内固定系统装配,进行生理载荷不同运动状态下的有限元分析结果表明,与Goel技术相比,改良TARP技术可能在后伸、侧弯、旋转方向上具有更好的三维稳定性,但在前屈方向的稳定性可能不如Goel技术。与Goel技术相比,改良TARP技术不仅在载荷传递和应力分布上更加合理,而且能有效减压、复位和固定寰枢椎,同时获得寰枢生理融合角度,进而获得良好远期疗效,但临床仍需要关于改良TARP技术与Goel技术的前瞻性、随机、多中心临床研究来明确改良TARP技术在寰枢复位、固定融合中的优势。