强直性脊柱炎颈椎骨折如何选择固定方式？

背景：强直性脊柱炎颈椎骨折（ASCF）极度不稳，如何综合考量内固定稳定性、手术创伤以及医疗费用以获得最佳手术策略，目前尚无据可依。

目的：探讨手术入路、内植物长度以及密度对内固定稳定性的影响。

方法：采用有限元模型（FEM）模拟后路、前路、前后路联合入路以及多种固定方式治疗C5/6ASCF，观察比较内固定节段的运动学改变及内部应力分布情况。

结果及结论：

①单纯前或后入路时，长节段固定的稳定性优于短节段；

②前后路联合固定稳定性优于单纯前或后入路；

③后路三个节段固定可获得最佳经济-疗效-稳定性效益；

④后路长节段跳跃置钉与连续置钉稳定性相当，因此采用跳跃置钉方式可降低内植物费用而不会牺牲稳定效果。

关键词：强直性脊柱炎、颈椎骨折、生物力学、内固定稳定性、有限元分析。

强直性脊柱炎（AS）是一种慢性、全身性、非创伤性的风湿性脊柱炎，主要累及骶髂关节和脊柱，总体患病率为0.1-1.4%[1]. 由于椎旁韧带和椎间盘骨化、骨质量差、力臂长并且骨折通常累及三柱，导致ASCF极度不稳[2]。非手术治疗，如颈胸支具、Halo支架和轴向牵引等，有极高的概率（60%以上）发生骨融合失败、神经功能损害甚至死亡[3]。而手术治疗可产生即刻稳定性、避免长期卧床，也是恢复脊柱序列、解除脊髓和神经压迫的唯一方法[4]. 因此，外科手术是ASCF的首选治疗措施。

ASCF的手术入路包括前[5]、后[6]及前后联合[7]入路，各种入路均有外科医生采用，然而手术效果不尽人意。迄今，关于ASCF手术入路、内植物长度及密度尚未达成共识，仅有低水平证据，包括病例系列研究或小样本病例报告进行探讨[8]。因此，课题组设计了一项FEM的生物力学模拟研究，探索上述问题的答案，寻找最佳经济-疗效-稳定性效益，为ASCF患者内固定策略的制定提供理论依据。

方法

1.1 AS及ASCF模型构建

在课题组前期构建的颈椎FE模型中[9，10]，调整相关参数以模拟AS及ASCF特征，包括：

①椎间盘外层、后纵韧带（PLL）、前纵韧带（ALL）和关节囊韧带（CL）均采用骨化参数[11]；

②皮质骨和松质骨均采用骨质疏松参数[12]；

③上颈椎运动功能正常，下颈椎因为骨化导致运动功能下降，相对固定[13]；

④椎旁肌提供动力来源[14]；

⑤颈椎前凸较大，模拟终末期AS的临床特征[15]（图1）。骨折处模拟在最常见的骨折节段C5/6（图2）。两个模型具体构建方法参见原文。

图1：AS模型

图2：ASCF模型

1.2 内植物模型构建

三种入路、不同内植物长度及密度的内固定方式被模拟（图3）。

图3:用于测试分析的13种内固定方式示意图

1.3 加载方式及边界条件

为了更好的模拟生理载荷[16]，我们采用如下加载方式：

①椎旁肌预加载50N模拟肌肉张力；

②C2加载50N轴向载荷模拟头部重量；

③C2终板施加2nm纯力矩模拟屈伸运动。

1.4观察评价指标

①骨折节段的运动变化率（RMC）：分析不同内固定方式的稳定性；

②钉、板及棒的应力分布情况（ISD）：分析载荷分布特点；

③钉、板及棒的最大应力（MS）：分析各部位最易失效处。

结果

2.1 运动学结果

在AS模型中，C5/6矢状面屈、伸活动度（RoM）分别为：屈曲0.8°，伸展0.13°，将这两个数值作为ASCF运动数值的基线。获得的主要结果如下：

①前路单节段（A1）、三节段（A2）以及后路单节段（P1）的RMC均超过基线3倍，说明这几种固定方式的稳定效果非常差；

②后路三节段（P2）、后路五节段（P3）和后路五节段跳跃置钉（P3skip），在RMC方面的表现均优于后路单节段（P1），但三者RMC相近，说明长节段固定效果优于短节段。即使采用跳跃置钉也可获得良好效果，但跳跃置钉可减少医疗费用；

③所有前后联合入路内固定方式的稳定性均高于基线。即采用联合入路，即使是前后单节段（A1P1）也要优于单纯入路。（图4）

图4：C5/6ASCF各种内固定方式RMC数据

2.2 ISD及MS分析结果

与单纯前或后路相比，前后路联合内固定可显著降低螺钉、前路钛板和后路棒的最大应力，不同联合方式区别不显著，A1P1即可能获得满意的稳定效果。（图5-8）

跳跃置钉与连续置钉对ISD和MS的影响不显著。

图5：前路螺钉ISD及MS分析

图6：前路钛板ISD及MS分析

图7：后路螺钉ISD及MS分析

图8：后路棒ISD及MS分析

讨论

本研究是第一个在准-静态载荷下ASCF的生物力学研究，模拟术后即刻稳定性，比较不同手术入路、内植物长度和密度的生物力学表现。研究结果将有助于脊柱外科医生在面对ASCF患者时做出最为合理的临床决策。

ASCF单纯前路手术的优点在于创伤小、软组织并发症少、前路直接减压、椎间融合率高等，但内固定失败率高达50%[8]。事实上，单纯前路手术治疗ASCF并不受脊柱外科医生欢迎，只有15%的患者采用这种方法[17]。本研究结果表明，单纯前路固定节段越长，内固定稳定性越好。因此，对于那些不能耐受较大手术而不得不考虑单纯前路手术的患者，应尽量延长固定节段。

临床上，单纯后路手术似乎最为常用。其优点在于椎管减压较前路容易，可多节段椎板切除，处理血肿及椎管占位更方便，并且可延长手术节段。研究表明，单纯后路手术失败率低于单纯前路[18]，有50%的患者采用了这种方法[17]。从RMC的角度来看，单纯后路单节段固定在抗屈伸方面并不优于前路单节段，但后路长节段稳定性明显优于单纯前路长节段。因此，对于不能接受前路手术的ASCF患者，如颈椎后凸过大者，后路长节段固定可能是一种可行的选择。

但是单纯后路长节段手术存在手术创伤较大；需翻动至俯卧位麻醉，增加骨折部位损伤脊髓的风险；关节囊韧带骨化导致解剖标记不清；无法完成前路减压等缺点，因而这种内固定方式并不是绝对的推荐。

25%的ASCF患者采用前后路联合的方法[17]。虽然这种方法手术创伤最大，但是只有该方法才能实现360°骨融合以及前后路减压，且稳定性最佳，许多学者支持这种方法[19]。本研究表明，前后联合入路与单纯入路相比，即使是单节段联合内固定，其稳定性也要优于五个节段的单纯后路固定。因此，仅从生物力学因素考虑，不考虑创伤大小，手术并发症等，前后路联合手术可能是ASCF最稳定的方法。

单纯后路固定从单节段增加到三节段时，稳定性增加非常显著。然而，从三节段增加到五个节段时，稳定性的增加并不显著。因此，单纯后路三节段内固定治疗ASCF可能是最经济的选择。

跳跃置钉和连续置钉的MS和RMC没有显著差异。考虑到每增加一个螺钉将增加手术创伤、经济成本和风险，后路长节段跳跃置钉可能是ASCF患者的一个可替代方案。

结论

本研究构建了C2-T1的FE模型以模拟ASCF的多种手术方式。研究结果可为ASCF外科治疗决策的制定提供依据。单纯前或后入路，节段越长内固定稳定性越强。对于后路手术，采用三个节段内固定可能是最具优势的选择。仅从生物力学角度考虑，不考虑创伤和并发症等，建议采用前后联合入路，以获得最大稳定效果。跳跃置钉是ASCF的一种替代方法，因为它与连续置钉具有相似的稳定性。

参考文献

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作者简介

刘瑶瑶

医学博士，主治医师，讲师，中国人民解放军陆军特色医学中心（大坪医院）骨科。

主持国家自然科学基金1项，共同承担国家级、省部级（军队）及学校课题多项。以第一或共同第一作者发表CSI论文8篇，统计源论文6篇。获实用新型专利6项，发明专利2项，新技术新业务1项。参编专著3部，参译外文专业书籍1部。

在老年骨质疏松内固定手术骨水泥强化方面有较深造诣，参与自主研发的骨水泥螺钉已广泛应用于临床（超1000例），取得良好疗效。获得国家自然科学基金支持，结合有限元模型研究方法，在骨水泥螺钉强化的力学机制方面有深入研究。

王钟

医学博士、主治医师，中国人民解放军陆军特色医学中心（大坪医院）骨科。

中国医师协会运动医学医师分会青年委员。

参与国家级课题8项，省部级课题2项，校级课题4项，军队课题1项；发表SCI/EI论著8篇；获国家发明专利1篇；参编专著1部。

擅长颈椎病、颈椎创伤、上颈椎畸形的外科治疗。对显微镜辅助脊柱手术、脊柱创伤的运动保留治疗、骨科生物力学有一定造诣。

刘鹏

中国人民解放军陆军特色医学中心（大坪医院）骨科主任，外科学与野战外科学教研室主任，副主任医师，副教授，博士研究生导师。

现任：中华医学会创伤学分会委员、重庆市医学会骨科学分会副主任委员，全军骨科专业委员会委员，全军骨科青年委员会副主任委员，重庆市医学会骨质疏松与骨矿盐疾病专业委员会委员。任《创伤外科杂志》副主编、《中华创伤杂志（英文版）》、《局解手术学杂志》等多本杂志编委，国家自然科学基金评审专家。

脊柱运动学与脊柱生物力学方面专家。获得国家自然科学基金面上项目资助2项，卫生部课题2项，全军课题4项，国家重点实验室课题1项。获重庆市科技进步一等奖一项。从事脊柱外科与骨质疏松症的临床与科研工作25年，擅长显微镜下脊柱手术、颈椎及颅颈交界区、脊柱运动保留手术。研究成果发表在JBMR，Spine，J Biomechnics等相关领域国际著名期刊。

来源：Scientific Reports

https://doi.org/10.1038/s41598-021-85257-8

来源：骨科在线