研究背景：上颈椎位于枕颈结合区,亦称枕寰枢复合体,在解剖结构和运动形式上均不同于其他部位脊柱,具有一定的特殊性。枕颈区疾病分类复杂,影响治疗的因素诸多,目前最常用的治疗方案是后路寰枢关节融合术或枕颈融合术,均以坚强固定融合为目标。以往的内固定设计着重于最大限度地提供力学稳定性,构建坚强的力学环境,但坚强固定时金属内植物的刚度远远超出骨融合的需要,临床实践也表明应用坚强内固定并不一定产生理想的疗效。坚强固定带来的应力集中效应使内固定自身易于疲劳、断裂；应力集中于邻近节段,使得异常活动增加,导致邻近节段的退变加速；应力遮挡效应影响移植骨的再生,使固定节段骨量丢失,骨钉界面易松动：在骨质疏松的脊柱上使用过于刚性的坚强固定,容易造成骨质切割。当内固定足以维持固定部位力学稳定时,在此基础上任何增加内固定力学强度的措施并不能加速固定范围的骨融合或提高骨融合率,即内固定有其有效性。枕颈区骨融合需要多大的固定强度,目前并不清楚。柔性或动态固定是一种新的脊柱固定形式,其设计原理是通过控制手术节段的运动而达到稳定,为固定节段和邻近节段创造一个理想的力学环境。有限元和生物力学的研究表明脊柱柔性动态内固定可在稳定的前提下,适当减少刚度,增加脊柱前柱的载荷分享,减少骨钉界面的应力和钉棒承受的载荷；并且能够减少对邻近节段椎间盘及小关节内压力的影响,减缓邻近节段退变的发生。柔性和动态固定技术在治疗下颈椎和腰椎退行性疾病的作用已得到肯定。短期随访的结果认为柔性动态固定与坚强固定的疗效基本相当,但中长期的随访发现,螺钉松动、断裂导致翻修率高,邻近节段退变并未明显减轻。柔性动态固定能够减少内固定承载,减少螺钉界面的应力,增加脊柱前中柱和植骨块的载荷分享,增加融合率的特点是肯定的。基于以上研究结论,我们认为,柔性动态固定并不单纯代表非融合技术,其同样可以实现节段融合,甚至是更高质量更快的融合。目前,针对于枕颈区这一特殊的解剖区域,没有与之相适应的柔性和动态固定装置可供使用；柔性动态固定技术能否在上颈椎后路手术中取得有效的稳定,能否减小内固定承载,能否促进植骨融合,缺乏相关研究。本研究的第一、二章拟将不同的柔性动态固定方式应用于上颈椎这一特殊的解剖区域,通过生物力学实验的方法,阐明柔性动态固定对枕颈区的稳定作用,比较不同的柔性动态固定的生物力学特点,寻找枕颈区后路固定更为优化的新方法。下颈椎经关节螺钉现已经应用于临床,具有操作简单、安全、经济实用的优点,被认为是颈椎侧块螺钉和椎弓根螺钉技术的一种补充固定形式,但仍缺乏系统的生物力学研究。本研究第三章比较在后方韧带复合体损伤时单独使用经关节螺钉和侧块螺钉固定,以及前路椎体次全切除后,联合前路钛网钛板固定时,脊柱的稳定性和载荷分享情况,探讨下颈椎经关节螺钉固定的特点和应用价值,为临床应用提供理论依据。研究目的：分析细棒、PEEK棒、转动钉、滑动钉固定对寰枢关节稳定性与载荷分享的影响。分析细棒和不同数量配置的转动钉对枕颈区的稳定性与载荷分享的影响。比较下颈椎经关节螺钉与侧块钉棒系统固定的生物力学特点。研究方法：1.选择几种可能应用于枕颈区后路固定的柔性动态内固定方案坚强固定是使用直径3.5mm钛棒,钉棒之间锁定连接固定,以坚强固定作为对照。(1)细棒：选用直径2.0mm钛棒。(2)聚醚醚酮树脂(PEEK)棒：选用直径3.5mm, PEEK材质的连接棒。(3)转动钉：在普通万向椎弓根螺钉基础上加工,实现在螺帽锁紧之后钉棒间的转动,可转动角度范围是15度。(4)滑动钉：在普通单向椎弓根螺钉基础上,改进钉尾部螺纹的设计,实现在螺帽锁紧之后允许钉棒之间的纵向滑动,滑动距离不受限制。2.柔性及动态固定对寰枢椎稳定性和载荷分享的影响本部分实验采用6具新鲜成人颈椎枕骨(Oc)-C4节段进行测试,模拟以下手术及固定情况：①完整状态；②损伤状态：枢椎齿状突Ⅱ型骨折;③转动钉：寰椎双侧椎弓根螺钉采用2枚转动钉,枢椎采用普通椎弓根螺钉固定,直径3.5mm钛棒连接；④滑动钉：寰枢双侧椎弓根螺钉采用2枚滑动钉,枢椎采用普通椎弓根螺钉固定,直径3.5mm钛棒连接；⑤ PEEK棒：寰枢椎均采用普通椎弓根螺钉固定,直径3.5mm的PEEK棒连接。直径2.0mm钛棒与3.5mm钛棒的固定状态将在枕颈固定节段的测试中一同测量,取寰枢椎固定节段的运动数据进行分析。在C1左右侧块,C2、3椎体前缘中部,左右前外侧粘贴6枚应变片,连接应变测试仪。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。主要进行两个方面的评价：①稳定性评价：在枕骨、C1-3椎骨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,分析寰枢椎之间角度运动范围和中性区。在滑动钉固定时,测量滑动钉的可滑动距离。②载荷分享评价：通过c1、2、3椎骨前缘粘贴的应变片,测量椎骨前缘的载荷大小,间接评价后方内固定上承担的载荷变化。3.柔性及动态固定对枕颈区稳定性和载荷分享的影响在同一具标本上进行枕颈区后路柔性动态固定的生物力学测试。上方延伸固定至枕骨,下方延伸固定至颈3椎体。测试状态包括①损伤状态：枢椎齿状突Ⅱ型骨折+寰枕前膜、齿突尖韧带、翼状韧带切断；②细棒固定：直径2.0mm的钛棒固定枕骨～C3,钉棒之间采用锁定连接；③坚强固定：直径3.5mm的钛棒固定枕骨～C3,钉棒之间采用锁定连接：④不同数量配置的转动钉固定：在C1、C2、C3分别采用转动钉2枚、4枚、6枚固定。进行稳定性评价和载荷分享评价。比较不同的固定方式对枕颈区排列的影响。4.下颈椎经关节螺钉固定的生物力学研究采用8具新鲜尸体下颈椎标本(C5-T1),在不同的测试状态下,包括完整(Intact)、C5/6后方韧带复合体切断(Injury)、C5～7经关节螺钉固定(TF)、C5-7侧块钉棒系统固定(LM)、C6椎体次全切除前路钛网钛板固定(AP)、前路固定联合经关节螺钉固定(AP+TF)、前路固定联合侧块钉棒系统固定(AP+LM),在屈伸、侧弯及旋转方向上施加2Nm纯力偶,测量固定节段(C5-7)的运动学变化。在C6、C7椎体前缘粘贴应变片,比较不同状态下椎体前柱载荷变化。5.试验结果统计分析采用Statistica 7.1统计软件的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)。研究结果：1.柔性及动态固定对寰枢椎稳定性和载荷分享的研究(1)在寰枢关节,与完整状态比较,枢椎齿状突骨折的损伤状态,在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著增加了C1-2节段间的运动范围(P<0.05)。采用3.5mm直径的钛棒坚强固定,2.0mm直径的细棒以及3.5mm直径的PEEK棒固定后,在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围(P<0.05)。在侧弯方向上,PEEK棒的运动范围大于坚强固定(P=0.005)。(2)在寰椎采用2枚转动钉和滑动钉固定,在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围(P<0.05)。与坚强固定比较,在侧弯方向上,转动钉和滑动钉固定的运动范围大于坚强固定(P转动钉=0.024,P滑动钉=0.001)。滑动钉固定在各方向上可取得0.20～1.25mm的滑动效果。(3)与完整状态比较,损伤状态在屈伸方向上显著增加了C1～2节段间的中性区(P=0.043),而在侧弯和旋转方向上,损伤后中性区有所增加,但无显著性差异(P>0.05)。采用3.5mm直径的钛棒坚强固定,与2.0mm直径细棒、3.5mm直径PEEK棒、转动钉与滑动钉固定后,在屈伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的中性区(P<0.05)。各种固定方式之间两两比较,均无显著性差异(P>0.05)。(4)寰枢椎应变测试的结果显示数据的标准差较大,组间比较多无统计学意义因此测量结果仅能反应组间变化趋势。2.柔性及动态固定对枕颈区稳定性和载荷分享的研究(1)在枕寰枢关节,与完整状态比较,造成枢椎齿状突骨折和寰枕关节囊破坏的损伤状态,在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著增加了Oc～C3节段间的运动范围(P<0.05)。采用3.5mm直径的坚强固定,与2.0mm直径的细棒固定后,在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围(P<0.05)；细棒固定后各方向上的运动范围均大于坚强固定,有显著性差异(P<0.05)。(2)Oc～C3节段采用不同数量配置的转动钉固定后,在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围(P<0.05)；与坚强固定比较,C1、2、3使用6枚转动钉固定在旋转方向上明显增加了Oc～C3运动范围,差别有统计学意义(P=0.031)。(3)与完整状态比较,损伤状态在屈伸方向上显著增加了Oc～C3节段间的中性区(P=0.014),而在侧弯、旋转方向上,损伤后中性区有所增加,但无显著性差异(P>0.05)。坚强固定,细棒固定与不同数量配置的转动钉固定后,在屈伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的中性区(P<0.05)。(4)当Oc-C3固定后,在寰椎,与完整状态比较,细棒与转动钉固定在前屈、后伸、旋转方向上均明显减少椎体前方的应变(P<0.05),在侧弯方向上具有减少椎体前方应变的趋势,但差别无统计学意义(P>0.05)。与坚强固定比较,细棒与转动钉固定在各个方向上均不同程度增加了椎体前方的应变。(5)在枢椎,与完整状态比较,细棒与转动钉固定在各个方向上均明显减少椎体前方的应变(P<0.05)。与坚强固定比较,细棒与转动钉固定在各方向上均不同程度增加了椎体前方的应变,在后伸方向上,细棒和转动钉固定均明显增加椎骨前方的应变,差别有统计学意义(P<0.05)；在旋转方向上,细棒固定明显增加椎骨前方的应变,差别有统计学意义(P=0.002)。(6)在C3椎体,与完整状态比较,细棒和不同配置的转动钉固定后,在前屈、后伸方向上具有增加C3椎体前方应变的趋势：在侧弯和旋转方向上,明显减少椎体前方的应变(P<0.05)。各种固定方式之间两两比较,差别无统计学意义。(7)在前屈、后伸、侧弯方向上,采用不同数量配置的转动钉固定,各节段运动范围基本相当。在旋转方向上,采用细棒固定,各节段运动范围基本相当。3.下颈椎经关节螺钉固定的生物力学研究(1)后路经关节螺钉与侧块钉棒系统固定后,固定节段运动范围均较完整和损伤状态明显减小(P<0.05)。(2)在屈伸方向上,单纯后路经关节螺钉固定稳定性弱于侧块钉棒(P=0.002),在侧弯和旋转方向上,两者稳定性相当(P>0.05)。(3)经关节螺钉联合前路钛网钛板固定后,屈伸运动范围明显减小(TF vs. AP+TF, P=0.004),与侧块钉棒联合前路钛网钛板固定的效果基本相当(AP+TF vs.AP+LM,P=0.406)。(4)后方器械固定后,在固定节段中部的C6椎体,椎体前柱的应变较完整状态有减少趋势。侧块钉棒固定后前屈方向上椎体前柱应变小于经关节螺钉固定后的椎体前柱应变。研究结论：1.在寰枢关节采用直径2.0mm的细棒固定,与坚强固定的稳定性相当。2.寰枢关节采用直径3.5mm的PEEK棒固定,在前屈、后伸、旋转方向上与坚强固定的稳定性相当,在侧弯方向上弱于坚强固定。3.在寰椎采用2枚转动钉和滑动钉固定,在侧弯方向上弱于坚强固定。4.在枕寰枢关节,采用直径2.0mm的细棒固定,在各方向上的稳定性均弱于坚强固定。5.在C1、2采用2枚或4枚转动钉固定,在各方向上与坚强固定的稳定性相当。6.在C1、2、3采用6枚转动钉固定,在前屈、后伸、侧弯方向上与坚强固定的稳定性相当。在旋转方向上弱于坚强固定。7.与坚强固定比较,柔性动态固定可不同程度地增加节段的运动范围。8.采用直径2.0mm的细棒或者C1、2、3不同数量配置的转动钉固定,C1、C2椎体前方的应变较坚强固定有不同程度的增加。9.下颈椎经关节螺钉固定在轴向旋转和侧弯方向上与侧块钉棒系统固定有相似的固定效果,但限制屈伸运动的能力较弱。