依据寰枢椎解剖学测量设计制造寰椎齿状突人工关节☆

陆斌，李广琪，李建武，李乐涛，谢延，白国玺

课题背景：怎样保证在寰枢椎稳定的前提下，保留寰枢椎的旋转功能，既可达到牢固的固定,同时又可最大限度地保留脊柱的运动功能,这将是未来脊柱内固定的发展趋势。系列研究包括：①干燥寰枢椎骨骼标本测量，取得相关解剖数据。②根据解剖测量数据，设计、制造人工寰椎齿状突关节。③对新鲜尸体头颈部标本进行咽后壁显微外科解剖，并模拟经口咽入路手术，切除寰椎前弓和齿状突，安置人工寰椎齿状突关节，证实人工寰椎齿状突关节的可操作性。④对安装人工寰椎齿状突关节的颈椎标本进行生物力学测试，包括：弹性实验、刚度测试和疲劳实验。⑤对人工寰椎齿状突关节进行有限元分析。

应用要点：对干燥寰枢椎骨骼标本测量，取得相关解剖数据，设计、制造人工寰椎齿状突关节，是人工寰椎齿状突关节系列研究的第一步，后续的实验重点研究人工寰椎齿状突关节的可行性、稳定性、旋转功能、抗疲劳性以及生物相容性等性能特点，为进入临床实验阶段提供依据。

偏倚或不足：人工寰椎齿状突关节尚需要进一步研究和改进才能满足临床需求，比如在寰椎固定板与寰椎侧块的接触面以及枢椎底座1、固定板与枢椎椎体接触面设计成成骨细胞容易附着、骨小梁容易长入的涂层，又比如在旋转轴套与旋转轴、底座2之间加入超高分子量材料或其他材料，进一步降低人工寰椎齿状突关节的磨损。

武装警察部队陕西省总队医院，陕西省西安市710054

陆斌☆，男，1975年生，陕西省西安市人，汉族，西安交通大学第二附属医院在读博士，主治医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
lubin0008@163.com

摘要
目的：对正常成年干燥寰枢椎标本进行解剖学测量，为设计、制造寰椎齿状突人工关节提供依据。
方法：实验于2006-09/2007-12在西安交通大学医学院人体解剖实验室完成。50 套正常成年人干燥寰枢椎标本，均由西安交通大学解剖教研室提供，经大体观察证实无骨性异常。采用电子游标卡尺( 精确度0.01 mm) 和附着式量角器( 精确度0.1°) 测量寰枢椎标本的各项参数。根据解剖测量结果设计、制造寰椎齿状突人工关节。
结果：测得寰椎前弓高度（11.1±1.3）mm，寰椎前弓宽度（16.6±1.7） mm，寰椎侧块中部长度（17.8 ±1.7） mm，寰椎侧块中部宽度（14.1±1.5） mm，寰椎侧块中部高度（13.5±1.6） mm，枢椎齿状突高度（15.7±1.1） mm，枢椎齿状突前后径（10.9±0.8） mm，枢椎齿状突横径（9.3±0.7） mm，枢椎椎体长度（17.4±1.7） mm，枢椎椎体宽度（18.2±1.8） mm，枢椎椎体高度（21.1±1.8） mm，寰椎侧块外倾角（11.3±4.2）°，枢椎齿状突后倾角（9.8±2.1）°等解剖测量数据，仿生设计、制造出钛合金寰椎齿状突人工关节。
结论：根据寰枢椎标本解剖学测量数据，在形态学和动力学两方面进行仿生，设计、制造出人工寰椎齿状突关节，符合目前从单纯脊柱融合到综合考虑脊柱稳定和功能的脊柱外科研究发展趋势。
关键词：颈椎经口咽入路；人工寰椎齿状突关节；解剖学；寰椎；枢椎

陆斌，李广琪，李建武，李乐涛，谢延，白国玺.依据寰枢椎解剖学测量设计制造寰椎齿状突人工关节[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(17):3237-3240 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-17/17k-3237(ps).pdf]

中图分类号: R681
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)17-03237-04

Atlantoaxial anatomy measurement-based design of atlas odontoid process artificial joint

Abstract
AIM: To anatomically measure atlantoaxial dry specimens of normal adults to provide references for the design and manufacture of transoral approach atlas odontoid process artificial joint.
METHODS: The experiment was performed at Human Anatomy Laboratory of Medical College of Xi’an Jiaotong University from September 2006 to December 2007. Fifty sets of normal adult atlantoaxial dry specimens were provided by Department of Anatomy, Xi’an Jiaotong University, which was identified with no bony abnormity by gross observation. The specimens were measured using electronic vernier caliper (accuracy degree, 0.01 mm) and protractor (accuracy degree, 0.1°). Atlas odontoid artificial joints were designed and produced according to anatomical measurements.
RESULTS: Atlas anterior arch height and width were (11.1±1.3) mm and (16.6±1.7) mm, respectively; atlas lateral mass length, width and height were (17.8±1.7) mm, (14.1±1.5) mm, and (13.5±1.6) mm; Axis odontoid process height was (15.7±1.1) mm; Odontoid sagittal diameter was (10.9±0.8) mm; Odontoid transverse diameter was (9.3±0.7) mm; Axis body length, width, and height were (17.4±1.7) mm, (18.2±1.8) mm, and (21.1±1.8) mm; Atlas lateral mass lateral tilt angle was (11.3 ± 4.2)°, and Atlas lateral mass retroversion angle was (9.8 ± 2.1)°. According to these measurement data of atlantoaxial anatomy, titanium alloy atlas odontoid artificial joints were designed and manufactured.
CONCLUSION: According to anatomical measurements of atlantoaxial dry specimens, we design and manufacture titanium alloy atlas odontoid artificial joints from morphology and kinetics. This method is accorded with the developing trend of spinal surgery research from simple spinal fusion to spinal stability and function.

Lu B, Li GQ, Li JW, Li LT, Xie Y, Bai GX.Atlantoaxial anatomy measurement-based design of atlas odontoid process artificial joint. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(17):3237-3240(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-17/17k-3237(ps).pdf]

0 引言

目前，实施前路寰椎前弓及齿状突切除减压后，寰枢椎节段稳定性显著降低，出现寰枢椎脱位，造成脊髓等重要组织结构压迫的可能性明显增加。无论进行寰枢椎前路或（和）后路融合术，枕颈部旋转功能将大部分丧失，仅有45°左右旋转活动范围，对术后患者正常的工作、生活带来诸多不便。本实验测量50 套正常成年人干燥寰枢椎标本获得相应解剖数据，设计、制造出前路人工寰椎齿状突关节，目的在于经口咽前入路齿状突切除脊髓减压后，安装人工寰椎齿状突关节，在稳定寰枢椎的同时，最大限度的保留枕颈部旋转功能。

设计：观察性实验。
单位：武装警察部队陕西省总队医院。
材料：实验于2006-09/2007-12在西安交通大学医学院人体解剖实验室完成。50 套正常成年人干燥寰枢椎标本，经大体观察证实无骨性异常，所有标本均取自西安交通大学解剖教研室。测量工具：线性测量采用电子游标卡尺( 精确度0.01 mm)由西安教学仪器厂生产，角度测量使用附着式量角器( 精确度0.1°)。实验经过武装警察部队陕西省总队医院伦理委员会批准。
设计、实施、评估者：实验设计为第一作者，资料收集为第一、二作者，实施为第一、二、三作者，评估为第四、五、六作者，评估采用盲法。
方法：
对50 套正常成年人干燥寰枢椎标本，采用电子游标卡尺( 精确度0.01 mm) 和附着式量角器( 精确度 0.1°)进行测量，确定寰椎螺钉进钉点为侧块中点，枢

椎进钉点为枢椎椎体与侧块连线中点，寰椎标本测量参数包括: ①前弓高度,以前结节处测量。②前弓宽度。③侧块长度。④侧块宽度。⑤侧块高度。⑥侧块外倾角,为中心轴与矢状面成角。见图1。枢椎标本测量参数包括: ①齿状突前后径（取最大值）。②齿状突高度。③齿状突横径（取最大值）。④枢椎体高度。⑤枢椎体长度。⑥枢椎体宽度。⑦枢椎齿状突后倾角测量，为中心轴（齿状突尖至椎体中心点连线）与冠状面成角。见图2。

主要观察指标：寰椎标本测量参数。
统计学方法：由第一、四作者使用SPSS 13.0软件进行统计学处理。对干燥寰枢椎标本测量结果采用_x±s表示。

根据实验取得的寰枢椎标本相关解剖学资料，使用医用钛合金（Ti6Al4V）仿生设计、制造出人工寰椎齿状突关节。由人工寰椎部件、人工枢椎部件和螺钉3 个部分组成。①寰椎部件包括由人工寰椎固定板及旋转轴套。寰椎侧块固定板左右对称,向上5°弧度，固定板厚1.6 mm, 高6.0 mm ，两侧各有1个螺钉孔，螺钉孔圆心距离34.0 mm，旋转轴套横截面为圆形内径4 mm, 外径8.0 mm，高6.0 mm。见图3。②枢椎部件由固定板、底坐1、底座2和旋转轴构成。旋转轴和底座均为呈圆柱体状,旋转轴直径为4.0 mm, 与寰椎旋转轴套紧密配合，高7.7 mm ，底座1高5.3 mm，直径9.5 mm，底座2高2.3 mm，直径7.0 mm，底座2左右侧面中线各有1个突起45°突向外上方，长2.5 mm，宽2.5 mm，高3.5 mm，与底座1及底座2合为一体，为防止过度旋转的限制装置，固定板厚1.6 mm, 呈倒Y形，高22.1 mm，两侧固定板各有1 个螺钉孔，螺钉孔圆心距离14.8 mm，固定板与底座1有10°向后夹角。见图4。③螺钉:钛合金Ti6Al4V松质骨自攻螺钉直径3.5 mm，长度为13~22 mm。旋转轴套与旋转轴、底座2接触部位抛光成关节面光洁度。

寰枢关节由两侧的寰枢外侧关节和正中的寰椎齿状突关节所组成，寰枢外侧关节近似平面关节，寰椎齿状突关节为车轴关节。此结构特点允许寰枢关节有较大范围的轴位旋转(单侧约45°，占整个颈部的一半)，少量屈/伸(约10°)和侧屈（约5°）[1]。人工寰椎齿状突关节置换的手术指征概括为：齿状突骨折难以复位或难以固定，齿状突骨折不愈合或瘢痕形成，类风湿关节炎、先天性颅底畸形等引起的难复性寰枢椎脱位需要做齿状突切除减压的病例。由上述原因实施前路寰椎前弓及齿状突切除减压后，表现最明显的是寰枢关节的旋转不稳定，这主要是由于齿状突的枢轴作用丧失。目前，对这类患者多采用前路或（和）后路寰枢椎融合术[2-6]，主要包括经口寰枢椎钢板固定；寰枢椎前路经关节螺钉内固定；后路经寰枢椎关节螺钉内固定；后路寰枢椎钢板、椎板夹内固定等术式。
寰枢椎融合术后，颈部旋转功能将大部分丧失，严重影响患者工作、生活，如：无法驾驶汽车、参加体育活动等。在寰椎齿状突关节骨折、脱位不能整复且脊髓受压症状严重时，经口咽入路松解或减压是有效的治疗方法[7-8]。但齿状突切除减压后，进行寰枢椎前路或（和）后路融合术，颈部旋转功能将大部分丧失，对术后患者正常的工作、生活带来诸多不便。完整状态下的寰枢椎其各种运动瞬时旋转轴位于寰椎齿状突关节部位，切除寰椎前弓及齿状突后，各种运动瞬时旋转轴将向两侧小关节突后移[1,9]。失去寰椎齿状突关节限制的寰枢椎稳定性明显降低，生理状况下寰椎前弓限制寰椎向后移动，横韧带限制寰椎向前移动，翼状韧带是第二位限制前后移动的结构，寰枢韧带和关节囊是第三位的稳定因素。寰枢关节的解剖结构严格限制过度旋转，韧带结构也有限制作用。横韧带完好情况下，寰枢外侧关节双侧旋转脱位的度数是65°，横韧带断裂时，旋转45°即可出现脱位，单侧脱位可早于双侧脱位发生。翼状韧带也限制旋转运动，当向一侧旋转时，对侧的翼状韧带拉紧起限制作用[10]。由于人工寰椎齿状突关节置换是在前路减压的基础上进行的，丧失了前纵韧带、翼状韧带、齿突尖韧带和横韧带等的牵拉限制，而寰枢椎侧方及后部结构对旋转活动的限制十分有限，如果仅单纯仿生寰椎齿状突的车轴关节，而不加限制，将可能出现过度旋转以及由此产生寰枢外侧关节骨折、脱位，对脊髓、椎动脉等邻近重要结构造成刺激或损伤。为此我们专门设计了防止过度旋转的限制装置，允许左右旋转各45°，达到正常生理活动度，又不会出现过度旋转。
人工寰椎齿状突关节材料使用目前最为常用的钛铝钒合金，其特点是抗拉强度、疲劳强度、耐腐蚀性能及生物相容性好，密度低，弹性模量为钴铬钼合金的一半，较为接近皮质骨，内置物材料低弹性模量对应力传递至骨和减少应力集中、骨吸收及骨折发生具有好处[11-13]。人工寰椎齿状突关节寰椎部件固定板和旋转轴套高度为6 mm ,小于寰椎前弓高度（11.1±1.3） mm，不会妨碍寰枕关节屈曲活动。寰椎部件旋转轴套外径8.0 mm和枢椎部件底座1直径9.5 mm均小于齿状突前后径 (10.9±0.8）mm，不会压迫后方脊髓，底座2的设计是为了避免寰椎固定板在旋转过程中与底座1发生碰撞，枢椎部件（底座1+底座2+旋转轴）高度为15.3 mm小于齿状突高度（15.7±1.1） mm，不会造成上方的延髓压迫,旋转轴高7.7 mm大于旋转轴套高6.0 mm，不会出现旋转轴与旋转轴套脱位,枢椎固定板与底座1有10°向后夹角，与枢椎椎体紧密接触，可仿生齿状突后倾角 (9.8±2.1）°。有研究表明[14-17]，双皮质螺钉固定可显著提高颈椎标本在屈曲和侧屈活动状态下的稳定性。但寰椎侧块及枢椎椎体后方有椎动脉、脊髓等重要结构，出于安全考虑，选择单皮质固定，准备13~22 mm长的松质骨螺钉，在不突破寰椎侧块和枢椎椎体后方皮质的前提下，选择较长的螺钉，进一步增加人工寰椎齿状突关节的稳定性[18-19]。
本实验主要是通过测量50 套正常成年人干燥寰枢椎标本获得相应解剖数据，根据解剖测量结果设计、制造寰椎齿状突人工关节。今后将在尸体头颈部标本上完成经口咽寰椎前弓和枢椎齿状突切除减压，以及人工寰椎齿状突关节置换，进一步论证人工寰椎齿状突关节的实用性和可操作性。

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