枢椎齿状突骨折的生物力学研究进展

１
Ｓｕｂａｃｈ ＢＲ，Ｍｏｒｏｎｅ ＭＡ，Ｈａｉｄ
ＲＷ．Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ
ａｎｔｅｒｉｏｒ
ａｃｕｔｅ
ｏｄｏｎ－
ｔｏｉｄｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ—ｓｃｒｅｗ １９９９，４５：８１２—８１９． ２
ｆｉｘａｔｉｏｎ．Ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅｒｙ，
Ｌｅｅ ＰＣ，Ｃｈｕｎ ＳＹ．Ｌｅｏｎｇ ＪＣ．Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ
ＰＷ，ｅｔ ａ１．Ｏｄｏｎｔｏｉｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ
伤（如车祸伤）是主要的致伤原因【４ｔ５１。目前普遍认为齿状突骨
折的机制是由于颈椎的过度伸展或是过度屈曲所造成的。出 现神经损伤的概率在２％～２７％之间，一旦出现神经损伤通常 都是致死性的ｆ６】。 关于齿状突骨折病因学生物力学机制的研究仍然存在 相当大的争论，早期国外多个研究小组通过对交通事故后尸 体解剖以及临床病例总结等分析认为［７＿ｍ］，齿状突骨折不仅 是一个力作用的结果，而是多个力复合导致损伤。随后一些 学者通过体外，１体试验对齿状突或是完整的上颈椎施加各 种外力载荷来探索齿状突骨折的可能机制，研究结果表明齿 状突骨折生物力学机制的多样性．最终导致齿状突骨折是多 种外力共同作用的结果。其中剪切力和弯曲力被认为是最为 至关重要的两种作用力，这些作用力通过ｃｌ前弓、横韧带以 及ｃｌ侧块传导于齿状突上，产生齿状突骨折【ｌｌ】。 １齿状突骨折的分类 在过去的３０年中。齿状突骨折的分类系统不断完善。 １９７１年Ｓｃｈａｔｚｋｅｒ等［１０］首次提出了齿状突骨折的分类，依据 骨折是否与韧带相关程度分为高位骨折和低位骨折．这种分 类未被临床广泛采用。１９７４年Ａｎｄｅｒｓｏｎ和Ｄ７Ａｌｏｎｚｏｃｔ２】提出了 现今被广泛采用的齿状突骨折的分类系统，将齿状突骨折分 为３型。即Ｉ型骨折位于齿状突尖部，横韧带之上附近区域的
Ｈｕｍａｎ
１３６个四面体单元和ｌ
１６
２９４个节点。材料属性都采用皮
质骨的属性，模型未进行验证。加载外力的方式分为两种模 式，模式一为于齿状突Ｉｉｉｆ部前寰齿关节面处．角度分别为为一 ３０。、一１５。、０。、１５０、３０。及６０。。模式二为于齿状突后部齿状突 与横韧带接触面。角度分别为为一３００、一１５０、００、１５。及３００。他 们分析认为无论外力作用于前方还是后方，外力的角度是决 定骨折类型的关键因素。不同角度的外力作用于齿状突所产 生的可能的骨折趋势与实际情况基本相符合。 参考文献
体单元，都赋以皮质骨的材料属性，内部有４８５２个四面体单 元代表松质骨。材料属性都来源于历史文献的报道。笔者通过 对Ｄｏｈｅｒｔｙ等『１５１的体外，『１体试验进行模拟以验证并确定模型 的有效性。接下来通过水平方向上００到４５。与垂直方向上－４５。 到１５０的多种外力相结合的作用方式．观测模型应力分布变 化。他们分析认为在水平方向上００向４５。角度变化时，模型预 测的骨折类型由Ⅲ型骨折转变为Ⅱ型骨折．在垂直方向上 １５。向－４５。角度变化时，也出现了Ⅲ型骨折向Ⅱ型骨折转变的 趋势。他们还观察到相对于松质骨．椎体皮质骨承受了主要 的应力。 Ｐｕｔｔｌｉｔｚ等ｍ］建立了完整的上颈椎Ｃ０～Ｃ２的有限元模型。 模型的几何外形数据来源于一名健康的５４岁成年女性，模 型包括１２ ６６１个单元和１９ ８１５个节点。结构上包括所有上 颈椎相关的韧带。模型以０．３ Ｎ・ｍ的纯力矩作用于枕后部（模 拟体外尸体试验时所用的数据）进行了运动功能的测定，与
ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ ｓｕｒｇｅｒｙ
ｉｎ
ａｔｌａｎｔｏ－ａｘｉａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｓｐｉｎｅ，１９８４，９：２３１—２３９．
３ Ｖａｃｃａｒｏ
ＡＲ，Ｍａｄｉｇａｎ Ｌ，Ｅｈｄｅｒ ＤＭ．Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
ｏｆ ａｄｕｌｔ ｃｅｒｖｉｃａｌ ｏｄｏｎｔｏｉｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ．Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃｓ，２０００，２３：１ １０９－ Ｉｌｌ３． ４ Ｈａｎｉｇａｎ ＷＣ，Ｐｏｗｅｌｌ ＦＣ，Ｅｌｗｏｏｄ
１０００ Ｎ的作用力作用于齿状突前表面，角度分别为在矢状面
Ｌａｂ的数据进行对比以验证并确定
模型的有效性。随后以两种方式进行力学加载．一种是中立 位置下，一种是在前膳、后伸及左右侧弯位置下，在第二种情 况时使用旋转力矩．所有测试均使用Ｉ．５ Ｎ・ｍ的纯力矩（体外 试验证实１．５ Ｎ・ｍ力矩可以产生完全的运动范围），作用位点 仍为枕后部。作用力的方向为轴向压力和水半剪切力相结合 共同作用的方向。他们分析认为后伸作用力和，或轴位旋转作 用力是导致齿状突骨折的关键凶素。后伸作用力及轴向压力 和／或横向剪切力可能产生Ｉ型骨折。而轴向旋转时侧方剪切 力可能产生Ⅱ骨折。模型未能说明Ⅲ型齿状突骨折的机制。 而前屈状态可能提供的是一种保护齿状突的机制。 张美超等¨９ｊ也建立了枢椎的有限元模型．模型的几何外 形数据来源于一例死于交通意外伤的３８岁男性，模型包括
万方数据
・７２８・
中国药物０Ｉ临床２００９年８月第９卷第８期Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｒｅｍｅｄｉｅｓ＆Ｃｌｉｎｉｃｓ．Ａｕｇｕｓｔ ２００９，Ｖ０１．９，Ｎｏ．８
用力大于产生Ⅲ犁齿状突骨折的作用力。 Ｄｏｈｅｒｔｙ等Ｈ，）也进行了相关的尸体试验研究（即本实验采 用的对照），他采用８具新鲜尸体的ｃ２椎体标本．随机分为２ 组，剔除软组织，固定ｃ２椎体下方，使用一个液压活塞作为 齿状突表面的作用力加载１二具，第１组于齿状突前上方与ｃｌ 前弓接触的前环齿关节面处加载，方向指向后方：第２组与 第１组类似。施加作用力的角度变为与矢状面呈４５０，方向指 向侧后方，所有的模型测试最终都要出现骨折为止。结果第１ 组产生Ⅲ璎齿状突骨折，第２组产生Ⅱ型齿状突骨折。笔者 得到的结论与文献的结论有所不同，他们认为产生Ⅲ型骨折
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・综 枢椎齿状突骨折的生物力学研究进展
赵轶波马迅赵斌
枢椎齿状突骨折是一种严重的上颈椎损伤．约占全部颈 椎骨折的９％一１５％ＦＩ－３１。在老龄人群中，低能碰撞（如跌伤）通 常是导致齿状突骨折的常见原因，而在青壮年人群中高能创
在Ａｎｄｅｒｓｏｎ和Ｄ’Ａｌｏｎｚｏ分类的基础上更精确地区分了Ⅱ型 骨折和Ⅲ型骨折。他们认为Ⅱ型骨折位于ｃｌ前弓的下方不 包括延伸到Ｃ２上关节面的部分．由此判断延伸到ｃ２椎体的 斜型骨折（未涉及Ｃ２上关节面）是Ⅱ型骨折。因此，涉及到任 何一个Ｃ２上关节面的骨折则被定义为Ⅲ型骨折。Ｇｒａｕｅｒ等 ｆｔ３］在此基础上进一步依据齿状突横行骨折是否为粉碎性骨 折以及移位是否超过ｌ ｍｍ又把Ⅱ型骨折分为３个亚型（Ⅱ Ａ、ⅡＢ及ＩＩ Ｃ）。更加完善的分型进一步指导了针对不同类型 的齿状突骨折类型采用不同的手术方式。 ２枢椎齿状突骨折生物力学实验研究 对于枢椎齿状突骨折机制的实验研究在文献中报道较 少，其骨折机制仍存在很大争议，至今未形成一致的意见。在 尸体模型研究中．Ａｌｔｈｏｆｆ等…测试了４ｌ具完整的枕部及整个 颈椎尸体模型，采用轴向压力与水平剪切力相结合的多种作 用力方式作用于头部。试验中，标本同定于ｃ３节段，保持Ｃｌ 及ｃ２活动自由．枕后部固定一块木板模拟头部受力面。然后 采用类似于钟摆样的物体撞击木板表面。大小及方向不同的 作用力分次作用于头部，不同方向上的受力实验说明了骨折 可能出现的类型。当受到轴向的压力时出现Ｃｌ的Ｊｅｆｆｅｒｓｏｎ 骨折。随着压力的逐渐减小后伸作用力逐渐增大。出现了Ⅲ 型齿状突的骨折。而当受到与矢状面呈４５。时侧方应力时出 现Ⅱ型齿状突骨折。最终笔者认为轴向压力与侧方剪切力共 同作用可以产生齿状突骨折。 Ｍｏｕｒａｄｉａｎ等［１４１采用２７具完整的上颈椎ＣＯ—Ｃ２的尸体 模型，固定ｃ２下部，于枕后部施加作用力，测试在前屈后伸、 左右侧弯及轴位旋转时各个方向运动时齿状突所受的压力 负荷，其中作用于由枕后部前向的作用力导致１３具尸体中９ 具出现齿状突骨折，其中Ⅲ型骨折８例，Ⅱ型骨折ｌ例。作用 于侧方的作用力导致１ １具尸体出现齿状突骨折，其中Ⅱ型 骨折ｌＯ例，Ⅲ型骨折１例。骨折的出现同时伴有横韧带的损 伤。生物力学试验所得的结果与２５例临床上的齿状突骨折 进行了对比．笔者分析认为前屈作用力不足以导致齿状突骨 折．后伸作用力由于试验条件的技术问题，不能很好地制作 出齿状突骨折。而无论是作用于枕后部或是Ｃ１侧方的作用 力都可以产生Ⅱ型齿状突骨折，他们认为侧方作用力作用于 ｃｌ侧块上。ｃｌ侧块将作用力传导到齿状突上，产生侧方剪切 力及弯曲力．最终导致齿状突骨折。笔者在观察临床病例时 发现，患者所受外力的方向都不是来自侧方，由此分析．在外 力作用时头部正处于旋转位置，间接导致齿状突受到侧方作 用力。他们同时还观察到，产生Ⅱ型齿状突骨折所需要的作
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上呈－４５０、０。及４５。。在００时产生Ⅱ型骨折的应力分布模式． ４５０时应力集中于ｃ２椎体下方，未能产生任何类型的齿状突 骨折。在－４５。时也产生Ⅱ型骨折的应力分布模式。２００２年 该研究小组建立了包括ｃ２—３的更为完整地有限元模型。该 模型在解剖外形上更加精确（外形几何数据来源于一例６８ 岁男性的尸体标本）。但仍然只包括皮质骨。模型包括ｃ２—３ 椎间盘及相关韧带（前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘｝：韧 带、关节囊韧带及黄韧带），共有４５８０个８节点的固体单元 （模拟皮质骨和椎间盘）和１８１个只能托伸的线单元（模拟韧 带），用表面接触单元模拟双侧关节面。模型进行了验证．测 试了Ｃ２—３节段的运动范围．认为模型可以运用于进一步的 相关的颈椎生物力学的研究。随后Ｔａｎ等应用该模型研究了 不同外力下齿状突的受力模式。通过采用作用于齿状突表面 ５个不同位置的作用力，方向分别与矢状面呈００到１８００．间 隔４５０。他们分析认为外力作用的方向是决定齿状突骨折类 型的重要因素，作用力由侧方向前方变化时。骨折类型由Ⅱ 型骨折转变为Ⅲ型骨折。 Ｇｒａｈａｍ等…］建立了完整的Ｃ２椎体的有限元模型．模型 的几何数据来源于Ｖｉｓｉｂｌｅ
Ｉｏｗａ Ｓｐｉｎｅ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ
所需要的作用力较Ⅱ型骨折更大。分析原因可能有两个：①
枕部和ｃｌ可能分散了一定的作用力，导敏了不同结果的出
现（Ｄｏｂｅｒｔｙ等［１５】和本试验所用的都是单纯的ｃ２椎体）：②
Ｍｏｕｒａｄｉａｎ等…］的试验没有包括后伸状态下受力情况，试验并 不完整。但是，３个体外尸体试验都表明侧方应力都能产生Ⅱ 型齿状突骨折。 ３枢椎齿状突骨折生物力学有限元研究 由于体外尸体试验方法存在的内在不均一性以及界定 条件和加载条件的巨大差异，造成试验结果的差异。因此近 几年有人尝试使用有限元法来进行相关研究ｆ１６］。有限元分 析（ｔＥＡ）由美国的Ｃｌｏｕｇｈ于２０世纪６０年代旨次提出．其初 衷是把连续体的力学问题化作离散的力学模型加以研究．开 拓了解决连续体力学问题新途径。枢椎齿状突骨折的有限元 模型都是建立在模拟体外尸体试验的基础上的。 Ｔｏｏ等ｍｊ于１９９４年建立了ｃ２椎体的有限元模型．模型 仅包括３２８个单元，解剖外形也不够精确．所有单元的属性 均为皮质骨的属性，未包含松质骨。且未进行模犁验证。应用
与Ｃ２椎体前方的交界处，一般为稳定性骨折，且由于松质骨较
多以及相对丰富的血供，较Ｉ型和Ⅱ型骨折有着更高融合率。该 分类目前在临床上被广泛采用，但仍存在一些不完善之处。例如 有时候很难界定延伸到ｃ２椎体下部的Ⅱ型骨折是否是Ⅲ型骨
折，许多学者把这种过渡性骨折称为高位Ⅲ型骨折㈨】。这些类
型的骨折使得在Ⅱ型骨折和Ⅲ型骨折之间出现一个空白区 域，从而导致关于此型骨折是否需要手术的争论。Ｇｒａｕｅｒ等［１３】 作者单位：０３０００１太原，山西医科大学第二医院骨科
骨折。有学者认为这种罕见的损伤是由于齿突尖韧带和威翼
状韧带导致齿状突的撕脱骨折。一般认为ｌ型骨折属于稳定 性骨折。但是Ｉ型骨折可能存在潜在性的不稳定的枕颈脱 位．特别是在Ｉ型骨折伴有双侧翼状韧带撕脱或对侧枕骨髁 骨折时可能存在枕颈不稳的表现。Ⅱ型骨折位于齿状突基 部．在横韧带与ｃ２椎体之间的范围，是最为常见的齿状突骨 折类型。该型骨折相对不稳定，通常伴有韧带的损伤。且可能 导致颈脊髓损伤，需要外科手术治疗。Ⅲ型骨折位于齿状突