Comparative Experimental Study of Custom Made Plate for Anterior Stabilization and Dorsal Fixation Systems at C1-C2 Vertebrae Level

Full Text

Введение. В настоящее время предложено множество способов фиксации и стабилизации шейного отдела позвоночника, от выбора которого, в частности, зависит результат операции. В основном применяются крючковые и винтовые системы фиксации [1-4]. Оперативное лечение пациентов с патологическими процессами краниовертебральной области со стенозом позвоночного канала предусматривает двухэтапный подход: первым этапом выполняют дорсальную фиксацию позвоночника (с декомпрессией позвоночного канала и без нее), вторым этапом - переднюю декомпрессию позвоночного канала [4]. С целью минимизации операционной травмы нами была разработана и внедрена в клиническую практику индивидуальная металлическая пластина для передней фиксации С1-С2-позвонков из трансорального доступа. Пластина изготовлена из титанового сплава Ti GAL4V, учитывает все анатомические особенности С1- и С2-позвонков и их взаимоотношения, фиксируется с помощью четырех винтов, вводимых в боковые массы С1-позвонка и в тело С2-позвонка (по два винта). Использование индивидуальной конструкции с заранее определенным углом введения винтов значительно упрощает установку пластины и не требует использования КТ-навигации. В литературе представлено немало результатов экспериментальных исследований, выполненных на уровне краниовертебрального перехода: изучали как остаточную стабильность краниовертебрального сегмента при различных повреждениях [1], так и изменения объема движений при различных типах фиксации [5-15]. Однако работ, посвященных оценке надежности фиксации, мы не встретили. Цель исследования: в эксперименте оценить прочность и стабильность фиксации (крючковая фиксация, винтовая фиксация по Magerl и по Harms, авторская пластина) на уровне С1-С2-позвонков при физиологических нагрузках. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Исследование проводили на базе испытательной лаборатории ортопедо-травматологических изделий ЦИТО. В экспериментах использовали трупные блок-препараты (4 штуки) и пластиковые модели (8) краниовертебрального отдела позвоночника. Изъятие трупных блок-препаратов позвоночных сегментов проводили на секции в сроки до 48 ч после смерти в соответствии с требованиями подготовки тканей экспериментальных животных и человека для биомеханических исследований [16]. Причины смерти не оказывали влияния на структуру тканей краниовертебрального отдела позвоночника. На трупных блоках оценивали стабильность и прочность фиксации передней пластиной и крючковой системой. Пластиковые полномасштабные 3D-модели краниовертебрального сегмента формировали с помощью стереолитографа на основании данных КТ пациента, используя фотополимеризующие растворы (полиметилметакрилат). Все модели имели одинаковый размер и плотность материала. На пластиковых моделях оценивали стабильность и прочность фиксации передней пластиной, крючковой системой, винтовой системой по Magerl и по Harms. Каждый блок-препарат состоял из затылочной кости черепа, соединенной с шейным отделом позвоночника. С помощью инструментов (скальпеля, долота, высокоскоростной дрели, ляминотомов) удаляли переднюю дугу С1-позвонка и резецировали зубовидный отросток С2-позвонка (рис. 1). Перед экспериментом осуществляли монтаж и установку передней металлической пластины, крючковой системы, винтовых систем по Magerl и по Harms (рис. 2) с соблюдением общих правил установки конструкций [2, 4, 10]. Производителем индивидуальной металлической пластины и винтов является завод «КонМет» (Россия), крючковой и винтовой систем - «Legacy Medtronic Vertex» (США). Опыты выполняли на многофункциональной экспериментальной машине W+B (walter+bai ag) фирмы «LFV-10-T50» (Швейцария), в зажимах которой закрепляли подготовленные блоки или пластиковые модели. Первым этапом проводили эксперимент, имитирующий поворот головы вправо, - «кручение»: при фиксированной затылочной кости осуществляли поворот шейного отдела позвоночника по часовой стрелке. Анатомическими ориентирами при фиксации блок-препарата в экспериментальной машине являлись в неподвижном сегменте затылочная кость, в подвижном сегменте С4-позвонок, максимальная нагрузка приходилась на сегмент С1-С2-позвонков. В данном исследовании определяли прикладываемую для совершения крутящего маневра (угол поворота) силу (Н•м), в результате воздействия которой произойдет разрушение модели или нарушится стабильность фиксации. Необходимо отметить, что угол поворота зависит от степени стабильности и прочности фиксации металлоконструкцией: чем стабильнее фиксация сегмента металлоконструкцией, тем большую силу необходимо приложить для совершения поворота. Верно и обратное утверждение - чем менее стабильна фиксация сегмента, тем меньшую силу необходимо приложить для совершения поворота. Вторым этапом проводили эксперимент, имитирующий наклон головы вперед, - метод «трехточечного давления» (рис. 3). Исследование выполняли в одинаковых условиях с расстоянием между точками 2 и 3, равным 75 мм. Анатомическими ориентирами положения блок-препаратов в экспериментальной машине явились в точке 1 межпозвонковый диск позвонков С1 и С2, в точке 2 затылочная кость, в точке 3 С4-позвонок. Давление машиной на диск С1-С2-позвонков осуществляли ровно посередине закрепленного блока. В данном исследовании оценивали силу (кг), прикладываемую к точке 1, необходимую для разрушения металлоконструкции или блок-препаратов. Экспериментальная часть работы включала 8 серий испытаний на пластиковых моделях. В ходе эксперимента осуществляли зрительный контроль, электронную и рукописную регистрацию результата опыта. Поворотный маневр («кручение») и надавливание («трехточечное давление») совершали до полного перелома (разрушения) препаратов или выхода винтов из позвонков, что регистрировали как визуально, так и в электронном виде потерей мощности, выдаваемой экспериментальной машиной. РЕЗУЛЬТАТЫ Эксперимент, имитирующий поворот головы («кручение») В серии исследований на трупных блок-препаратах, фиксированных металлической пластиной, при поворотном маневре максимальная сила, прикладываемая для совершения крутящего воздействия, составляла в среднем 10,6 Н•м при максимальном повороте в 50°, при увеличении нагрузки происходил выход винтов из тела С2-позвонка (рис. 4). В случае фиксации крючковой системой соответствующие показатели составили 4,1 Н•м и 70°, при увеличении нагрузки констатировали разрушение дуги С1-позвонка (рис. 5, а). Таким образом, в ходе теста на «кручение» отмечено, что сила, необходимая для нарушения целостности фиксации пластиной, в 2,5 раза выше, чем при крючковой фиксации, т.е. пластина в рамках нашего эксперимента показала большую стабильность и прочность. Исследования на пластиковых моделях, фиксированных металлической пластиной, показали, что при поворотном маневре максимальная сила, прикладываемая для совершения крутящего воздействия, составила 48 Н•м при максимальном повороте в 35°. При увеличении нагрузки произошло разрушение пластиковой модели ниже места крепления пластины, выхода винтов из позвонков С1 и С2 не отмечено. В серии исследований на пластиковых моделях, фиксированных крючковой системой, при поворотном маневре максимальная сила, прикладываемая для совершения крутящего воздействия, составила 42 Н•м при максимальном повороте в 43°. Следует отметить, что на 27° визуально определялась трещина дуги С1-позвонка, потери мощности выдаваемой экспериментальной машиной не отмечено, опыт продолжился. На 32° появилась трещина в дуге С2-позвонка, однако потери мощности также не отмечено и опыт был продолжен. Разрушение дуги С1-позвонка констатировали на 43° при потере мощности, выдаваемой экспериментальной машиной. На моделях, фиксированных винтовой системой по Magerl, при поворотном маневре максимальная сила, прикладываемая для совершения крутящего воздействия, составила 39 Н•м при максимальном повороте в 40°. Прохождение отметки максимального поворота в 40° сопровождалось разрушением модели, потерей мощности и визуально определяемым прорезыванием винтов из боковых масс С1-позвонка. В серии исследований на пластиковых моделях, фиксированных винтовой системой по Harms, изучаемые показатели составили 36 Н•м и 34°. В момент прохождения данной отметки констатировали разрушение модели, падение мощности, выдаваемой экспериментальной машиной, и визуально определяли выход винтов из дуг С1- и С2-позвонков (рис. 5, б). Таким образом, максимально прилагаемая сила при выполнении поворотного маневра, которая привела к разрушению пластиковых моделей, выше при фиксацией пластиной, чем у металлоконструкций, фиксация которых осуществляется из дорсального доступа. Эксперимент, имитирующий наклон головы кпереди («трехточечное давление») В ходе исследований на моделях (рис. 6), фиксированных пластиной, максимальная прикладываемая сила давления составила 305 кг, при увеличении нагрузки произошел перелом модели ниже уровня крепления пластины. Необходимо отметить, что выхода винтов не было. Максимальная сила давления на пластиковых моделях, фиксированных крючковой системой, составила 195 кг. При продолжении увеличении нагрузки произошло полное разрушение дуг фиксированных позвонков и перелом модели на уровне С1-С2-позвонков. Аналогичный показатель на моделях, фиксированных винтовой конструкцией по Harms, составил 122 кг, при увеличении нагрузки произошел выход винта из боковых масс С2-позвонка. Максимальная сила давления при фиксации винтовой конструкцией по Magerl составила 200 кг, при увеличении нагрузки произошел перелом модели в области боковых масс С2-позвонка. Таким образом, по результатам теста «трехточечного давления» максимальную нагрузку в 305 кг выдержала индивидуальная пластина (рис. 7). ОБСУЖДЕНИЕ Проведенное нами исследование по оценки прочности и стабильности фиксации выявило умеренное превосходство индивидуальной передней пластины по сравнению с дорсальными системами фиксации С1-С2-позвонков. F. Kandziora и соавт. [10] на 8 человеческих трупных блоках краниовертебрального сочленения исследовали метод фиксации по Magerl (трансартикулярная атлантоаксиальная винтовая фиксация с дополнительным использованием «Н»-образного костного трансплантата, фиксированного металлической проволокой в виде «8») и метод фиксации по Harms - Brooks [17] (сочетание трансоральной атлантоаксиальной стабилизации пластиной и задней атлантоаксиальной проволочной фиксации с использованием «Н»-образного костного трансплантата). Установлено, что наибольшим стабилизирующим эффектом обладает метод фиксации по Harms - Brooks, чуть меньшим - метод фиксации по Magerl. Ряд исследователей [9, 18] применяли пластину Harms при различных опухолевых процессах, локализующихся на уровне краниовертебрального перехода, однако данная пластина не нашла широкого применения и на сегодняшний день не используется [19]. Целью Y. Hu и соавт. [20] было сравнить стабильность стандартных дорсальных систем фиксации и передней пластины с дополнительной фиксацией зубовидного отростка С2-позвонка. Исследование проведено на трупных блок-препаратах. Фиксация передней пластиной показала превосходную степень надежности при нагрузочных тестах, превзойдя дорсальные системы фиксации. Авторы отметили, что данная пластина, продемонстрировавшая отличную биомеханическую стабильность, может быть использована при работе с переломами палача, зубовидного отростка, повреждении дисков на данном уровне. Кроме того, при фиксации передней пластиной появляется возможность сохранить функцию атлантоаксиального сустава, что может быть ценнейшей стратегией при лечении нестабильных переломов С1-С2-позвонков и сопоставимо с результатами нашего исследования. P. Platzer и соавт. [13] создали пластину для передней стабилизации С1-С2-позвонков с дополнительной фиксацией зубовидного отростка. Авторы провели эксперимент на трупных блок-препаратах шейного отдела позвоночника, который заключался в исследовании прочности фиксации передней пластиной с дополнительной фиксацией зубовидного отростка в сравнении с фиксацией зуба одним или двумя канюлированными винтами. По результатам эксперимента значительное статистически значимое превосходство продемонстрировала фиксация пластиной с винтом в зубовидном отростке, которая выдержала нагрузку, составившую 84% от максимальной. При этом фиксация одним или двумя винтами показала примерно одинаковый результат - 50% от максимальной нагрузки. Метод трансоральной стабилизации сегмента С1-С2-позвонков являет безопасным и эффективным. Строгое соблюдение анатомических ориентиров при установке индивидуальной пластины обеспечивает достижение положительных результатов оперативного лечения в клинической практике. Определенную сложность представляет анатомический доступ и правильность расположения винтов в С1- и С2-позвонках. Хирурги нередко сталкиваются с проблемой правильной установки винтов, и вопрос их позиционирования до конца не решен. Использование индивидуальной конструкции с заранее определенным углом введения винтов значительно упрощает момент установки пластины и не требует использования КТ-навигации. F. Ai и соавт. [6] на кадаверах оценили безопасность методики установки пластины на уровне С1-С2 и изучили анатомические особенности различных структур, встречаемых при выполнении трансорального доступа. Руководствуясь полученными данными, авторы выполнили 2 операции по трансоральной декомпрессии и стабилизации С1-С2-позвонков пластиной, констатировав эффективность одноэтапного трансорального подхода к хирургическому лечению атлантоаксиальной дислокации с компрессией спинного мозга за счет передних структур, особенно в случаях базилярной инвагинации. В заключение авторы отметили, что правильная установка винтов в боковые массы С1-позвонка и транспедикулярная установка винтов в С2-позвонок является залогом правильной фиксации пластины и получения хорошего результата лечения. Методика трансоральной стабилизации изучается давно, активно проводятся работы по изготовлению и модернизации пластины для фиксации С1-С2-позвонков. А.А. Луцик и соавт. [3] разработали методы переднего атлантоаксиального спондилодеза, в том числе с помощью конструкций из металла с памятью формы и пористыми титанникелевыми имплантатами. Однако громоздкость и ненадежность фиксации ограничили их использование в медицинской практике [2, 4, 17]. В нашей работе мы не оценивали остаточную мобильность фиксированного сегмента. Максимальное сохранение полноценного объема движений на краниовертебральном уровне является неотъемлемой составляющей оперативного лечения позвоночника. Рядом авторов была проведена оценка остаточной стабильности. Так, B. Lu и соавт. [5] изобрели протез атлантозубовидного сустава и провели оценку эффективности стабилизации и изменения объема движений по сравнению с пластиной Harms. Использованы 24 свежих трупных блока с резецированной передней дугой С1-позвонка и удаленным зубовидным отростком. По результатам использовании протеза атлантозубовидного сустава имелись ограничения сгибания и разгибания, однако в отношении осевого вращения показатели были сопоставимы с нормой. Пластина Harms обусловливала ограничение сгибания, разгибания и осевого вращения [5]. X. Cai и соавт. [15] несколько модифицировали протез атлантозубовидного сустава и также провели эксперимент на трупных блок-препаратах. Модификация протеза коснулась в основном способа крепления пластины к С2-позвонку: винты стали вводить не только в тело позвонка, так и транспедикулярно, что значительно улучшило показатели прочности фиксации. В заключение авторы отметили, что разработанный протез атлантозубовидного сустава для стабилизации атлантоаксиальной нестабильности в значительной степени сохраняет объем движений, который существенно уменьшается при использовании традиционных методов фиксации [14]. Говоря о дорсальных системах фиксации С1-С2-позвонков, многие отечественные и зарубежные авторы отдают предпочтение методике фиксации по Harms. Метод задней трансартикулярной винтовой фиксации данного уровня считается наиболее прочным [21- 24]. Ламинэктомия С1-позвонка и ревизия спинного мозга при этом осуществляются без существенного ущерба стабилизирующему эффекту операции. Проведение трансартикулярной фиксации винтами по Magerl ограничено определенными сложностями: по ходу введения винта располагаются, с одной стороны, позвоночная артерия, а с другой - спинной мозг. Это требует постоянного использования двухплоскостной ЭОП-скопии ввиду риска ранения вертебральных артерий. Р. Vergara и соавт. [15] в эксперименте сравнили эффективность фиксации С1-С2-позвонков по методикам Magerl и Harms. Исследование выполнено на 200 пациентах с атлантоаксиальной нестабильностью. Из 200 операций 90 были выполнены по методике Harms (группа H) и 110 - по методике Magerl (группа М). Группы были сопоставимы по длительности оперативного вмешательства, кровопотере, выраженности боли в послеоперационном периоде и срокам госпитализации. Положительная динамика выраженности боли и функции верхних и нижних конечностей после операций имела место в обеих группах, но не являлась статистически значимым результатом. Частота интраоперационных осложнений составила 2,1% в группе H и 21% в группе М (р<0,05), частота послеоперационных осложнений - 10,6 и 21% соответственно (р>0,05). Самыми частыми осложнениями были повреждение позвоночной артерии (2,1% в группе H и 13,1% в группе М, р=0,05) и перелом винтов (2,1 и 9,2% соответственно, р>0,05). Скорость сращения костных отломков оказалась незначительно выше в группе H. Диапазон движений при сгибании/разгибании на уровне С1-С2 в конце наблюдения был меньше в группе Н (р=0,017). В выводах авторы отметили, что методы фиксации по Magerl и Harms эффективны при стабилизации атлантоаксиального комплекса, однако метод Harms представляется более безопасным ввиду меньшего числа осложнений и более надежной длительной фиксации. С особой осторожностью следует относиться к выполнению окципитоспондилодеза, если он используется как основной метод лечения. Данная операция является операцией «отчаяния» и должна проводится по строгим показаниям, так как значительно ограничивает объем движений в краниоцервикальном отделе позвоночника. D. Grob и соавт. [7] провели биомеханическое сравнительное исследование окципитоспондилодеза и трансартикулярной фиксации для определения степени ограничения движений (флексии, экстензии, бокового изгиба и осевого вращения). При этом они отметили значительно более надежную фиксацию по Magerl ротационных движений, в то время как флексионно-экстензионные смещения надежнее фиксировались методами окципитоспондилодеза. Эти наблюдения были подтверждены и другими исследователями [1, 2, 8]. Заключение. Проведенное нами экспериментальное исследование показало, что по степени прочности и стабильности фиксации индивидуальная металлическая пластина краниовертебрального сегмента не уступает дорсальным системам фиксации. Предложенная нами индивидуальная металлическая пластина может занять достойное место в хирургии краниовертебрального сочленения.

About the authors

A. A Kuleshov

Central Institute of Traumatology and Orthopaedics named after N.N. Priorov

A. N Shkarubo

Scientific Research Neurosurgery Institute named after the academician Nikolay Nilovich Burdenko

N. S Gavryushenko

Central Institute of Traumatology and Orthopaedics named after N.N. Priorov

I. S Gromov

Central Institute of Traumatology and Orthopaedics named after N.N. Priorov

Email: gromoff1987@mail.ru

M. S Vetrile

Central Institute of Traumatology and Orthopaedics named after N.N. Priorov

L. V Fomin

Central Institute of Traumatology and Orthopaedics named after N.N. Priorov

V. V Marshakov

Central Institute of Traumatology and Orthopaedics named after N.N. Priorov

References

Supplementary files