背景位于枕颈移行部的寰枢椎,解剖结构特殊,毗邻颈脊髓、椎动脉等重要结构,且承担了头颈部主要的旋转功能。肿瘤、畸形、炎症、退变疾病侵犯此区域可能导致寰枢椎不稳,寰枢椎不稳的处理是临床上比较棘手的问题之一,严重的寰枢椎不稳可以导致颈脊髓、神经根、血管等重要结构受压,引起一系列症状,甚至导致瘫痪或生命危险,需要手术干预。寰枢椎后路固定融合是解决寰枢椎不稳的主要手术方式。寰枢椎后路固定融合经历了钢丝固定(Gallie法、Brooks法等)、后路椎板钩(夹)固定(Halifax、Apofix)、C1-2经关节螺钉固定(Transarticular screw,TA)、后路C1-C2短节段钉棒系统固定等,目前主要采用C1-2经关节螺钉或C1-C2短节段钉棒系统固定,既往生物力学及临床研究证实此类固定技术能显著增强寰枢椎稳定性,提高植骨融合率。双侧C1-2经关节螺钉固定为二点固定,在控制屈伸方面仍有缺陷,联合后路钢丝固定植骨融合则达到三点固定,在控制寰枢椎所有方向运动方面均有很好的效果,被公认为目前寰枢椎固定的金标准,但C1椎板下穿钢丝有损伤脊髓的风险。我的导师倪斌教授在研究寰枢椎解剖基础上设计了C1椎板钩(专利号:200720075767.6),并联合C1-2经关节螺钉固定卡压植骨,该术式避免了C1椎板下穿钢丝带来的脊髓损伤的风险,操作简单,且双侧椎板钩有稳固植骨块的作用,生物力学研究证实其生物力学稳定性与双侧C1-2经关节螺钉联合后路钢丝固定植骨融合相当,临床应用证实可以很好地促进寰枢椎植骨融合,取得了满意的结果。然而,此C1椎板钩仍然存在安装过程中与C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉连接困难,装配繁琐等问题,我们依据寰枢椎解剖特点再次进行改良,设计了一体化C1椎板钩,将C1椎板钩与棒采用一体化设计,减少了手术中装配环节,也避免了钩与棒连接处松动、脱出的风险;钩与C1后弓接触处设计了突出的脊,减少了钩在C1后弓上滑动,并且根据寰枢椎解剖学特点在C1椎板钩与棒连接处采用向外侧倾斜15度设计以及棒的可折弯性能使得一体化C1椎板钩与C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉可以很好地匹配连接,使得手术更方便,更简单,更可靠,更安全。本课题选择尸体上颈椎标本,利用离体生物力学方法,研究一体化C1椎板钩联合C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉内固定卡压植骨的生物力学稳定性,为一体化C1椎板钩的临床应用提供理论指导。脊柱有着复杂的结构,离体生物力学研究在脊柱生物力学研究中起到重要作用,但尸体标本不好保存,获得比较困难,而且由于每个个体的差异导致不同的标本由于自身生物力学差异而对实验结果的准确性有很大影响。随着计算机技术的发展及有限元研究方法的进步,目前三维有限元不但可以模拟脊柱骨性结构,而且可以很好地模拟脊柱周围韧带等结构,不但可以模拟完整的脊柱模型,还可以模拟退变、创伤等脊柱模型进行生物力学研究,并可在脊柱模型上加载各种内固定,对内固定生物力学特点进行评估,为内固定的设计提供帮助。三维有限元方法对于脊柱结构、载荷条件等都可以进行数学形式模拟,通过任意变化参数从而了解对整个脊柱结构的影响。目前可以模拟接近人体正常的条件下脊柱的活动、应力等,结果更加可信,已成为研究脊柱生物力学的重要工具。本课题在离体生物力学研究基础上建立正常人上颈椎的三维有限元模型,并验证其有效性。通过三维有限元的方法研究一体化C1椎板钩联合C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉内固定卡压植骨的生物力学稳定性以及内固定、植骨块的应力分布,阐明生物力学机制,为内固定器械的设计、改进提供思路,为临床治疗提供理论指导。目的1、取尸体上颈椎标本,利用离体生物力学方法,研究一体化C1椎板钩联合C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉内固定卡压植骨的生物力学稳定性;2、建立正常人上颈椎的三维有限元模型,并验证其有效性。通过三维有限元的方法研究一体化C1椎板钩联合C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉内固定卡压植骨的生物力学稳定性以及内固定、植骨块的应力分布,阐明生物力学机制,为内固定器械的设计、改进提供思路,为临床治疗提供理论指导。方法1、离体生物力学研究:选择7具颈椎尸体标本(C0-C3),进行纯力矩加载,行屈伸、左右侧曲、左右旋转生物力学研究,测量C1-C2的运动范围(ROM)。生物力学研究的模型分别为:1)完整标本模型(Intact);2)Ⅱ型齿状突骨折失稳标本模型(Destabilized);3)C1侧块螺钉联合C2椎弓根螺钉固定植骨模型(C1+C2);4)C1-2经关节螺钉联合Gallie固定植骨模型(TA+G);5)一体化C1椎板钩联合C2椎弓根螺钉固定植骨模型(P+H);6)一体化C1椎板钩联合C1-2经关节螺钉固定植骨模型(TA+H)。对生物力学测量所得的屈伸、左右侧曲、左右旋转的运动范围(ROM)进行统计学分析。2、三维有限元研究:采用螺旋ct对健康青年男性志愿者进行颈椎薄层扫描,提取CT扫描数据进行建模,得到上颈椎(C0-C3)三维有限元模型。参照离体生物力学研究方式,制作失稳模型及加载不同内固定,加载1.5n.m的纯力矩,测量6种模型屈伸、左右侧曲、左右旋转的运动范围(ROM)及内固定、植骨块的应力值并分析应力分布情况,研究一体化C1椎板钩的生物力学特点。结果1、相对于Intact、Destabilized模型,四种固定方式能显著改善寰枢椎稳定性,C1+C2、TA+G、P+H、TA+H模型在屈伸、左右侧屈、左右旋转时ROM值明显小于Intact、Destabilized模型,差异有统计学意义(p<0.05)。在屈伸、左右侧屈、左右旋转,P+H的ROM值均为最大,在屈伸、左右侧屈时,C1+C2、TA+G、P+H、TA+H模型ROM值差异无明显统计学意义(p>0.05)。旋转时,C1+C2、TA+G、TA+H模型ROM值差异无统计学意义(p>0.05),C1+C2、TA+G、TA+H模型与P+H模型ROM值差异有统计学意义(p<0.05)。2、根据志愿者ct成功建立了完整上颈椎C0-C3的三维有限元模型,并验证证实其有效性。根据实际使用内固定相关参数建立了各种内固定三维有限元模型。在完整的上颈椎C0-C3三维有限元模型基础上建立ii型齿状突骨折的失稳模型,将内植入物和失稳模型进行组合,建立以下四种内固定模型:1)C1侧块螺钉联合C2椎弓根螺钉固定植骨模型(C1+C2);2)C1-2经关节螺钉联合Gallie固定植骨模型(TA+G);3)一体化C1椎板钩联合C2椎弓根螺钉固定植骨模型(P+H);4)一体化C1椎板钩联合C1-2经关节螺钉固定植骨模型(TA+H)。3、对1)完整标本模型(Intact);2)Ⅱ型齿状突骨折失稳标本模型(destabilized);3)C1侧块螺钉联合C2椎弓根螺钉固定植骨模型(C1+C2);4)C1-2经关节螺钉联合gallie固定植骨模型(TA+G);5)一体化C1椎板钩联合C2椎弓根螺钉固定植骨模型(P+H);6)一体化C1椎板钩联合C1-2经关节螺钉固定植骨模型(TA+H)六种不同三维有限元模型在屈伸、左右侧曲、左右旋转的六个方向上加载1.5nm的纯力矩,通过位移云图的方法计算寰枢椎运动范围(ROM),结果显示在屈伸、左右侧屈、左右旋转时ROM值均为TA+G<TA+H<C1+C2<P+H<Intact<Destabilized,这与生物力学结果大致相符。4、通过应力云图研究内固定器械及植骨块应力情况,在TA+G、TA+H固定时应力云图显示在TA螺钉应力主要集中于螺钉穿过C1-2关节处,且一般是后伸时应力增大,侧屈、旋转时较小。椎弓根螺钉固定应力集中位于螺钉与骨的界面处,且在左右侧弯、左右旋转时应力较大,屈伸时应力较小。一体化C1椎板钩应力集中于一体化C1椎板钩与C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉连接处,C1椎板钩与棒一体化集成处无应力集中。在屈伸、左右侧屈、左右旋转时TA+G、C1+C2固定器械上应力较小,TA+H、P+H应力较大,其中TA+G中ta承受的应力最小,而Gallie承受应力在屈伸、侧屈、旋转时与其他内固定承受应力比较都为最大。植骨块承受应力主要为植骨块与寰枢椎接触处,P+H固定时植骨块在屈伸、左右侧屈、左右旋转时承受应力都为最大。不同的内固定模型在后伸时植骨块应力较前屈时增大,这与实际相符。结论1、一体化C1椎板钩与寰枢椎解剖结构贴合,与C1-2经关节螺钉或C2椎弓根螺钉连接时更简单,且安装方便快捷,手术更安全。与C1-2经关节螺钉联合行寰枢椎固定植骨提供与C1-2经关节螺钉联合Gallie固定植骨相似的生物力学稳定性。一体化C1椎板钩联合C2椎弓根螺钉固定植骨对旋转活动控制较差,可作为不满足C1-2经关节螺钉固定条件的患者的备选手术方案之一。2、一体化C1椎板钩无明显应力集中,可有效避免内固定断裂情况,但一体化C1椎板钩固定模型中TA螺钉应力较大,需要注意TA螺钉断钉可能。一体化C1椎板钩能限制卡压的植骨块活动,有效避免植骨块移位、脱落,植骨块在P+H模型时所承受应力最大,在所有固定模型中后伸较前屈时植骨块应力有增大,能很好促进了植骨融合。