生理载荷下上颈椎活动度的在体三维运动学研究

The upper cervical spine represents quite a unique anatomy compared with other regions of the spine and displays a complicated combination of motions. In vitro studies have previously been the only method for obtaining quantitative data on three-dimensional (3D) intervertebral motions. However, the lack of physiologic tonus of musculature makes the results of in vitro study impractical. In vivo 3D motions of the upper cervical spine have remained largely unexplored. This project intends to use digital orthopedic technology to measure 3D kinematics of the upper cervical spine in vivo. Asymptomatic volunteers and patients undergoing fusion procedures were recruited for this study. Three-dimension models of the upper cervical spine were reconstructed from CT scans. The dual fluoroscopic system was used to capture the instantaneous spine motion while the subjects performed flexion, extension lateral bending and axial rotation movements under physiologic loading conditions. Using the 2D/3D image registration method, instantaneous spine motions were then reproduced by matching dual fluoroscopic imaging system with reconstructed bone models. Relative motions of the cephalic vertebrae with respect to caudal vertebrae were calculated at each of the segments in 6DOF. This study can dynamically, accurately, noninvasively and comprehensively measure 3D kinematics of the upper cervical spine in vivo. The results have broad application prospects. It not only contributes to the understanding of the pathogenesis of cervical disease, providing the theoretical basis for a variety of innovative technologies and treatment concepts of internal fixation, but also provides an objective basis for the use and optimization options of new technologies.

上颈椎作为一个独立的生物力学系统，具有与其他颈椎节段截然不同的运动特性，有关其运动学的研究具有重要的理论价值和临床意义。然而目前上颈椎运动学的研究主要是体外研究，其真实三维运动形式和运动范围国内外尚无明确阐释。本课题应用数字骨科技术，以正常志愿者及上颈椎融合术后患者为研究对象，采用CT数据重建上颈椎三维模型，使用双平面X线透视系统连续采集上颈椎运动过程中的瞬时X线影像；利用2D/3D影像配准技术将动态的双平面二维影像转化为三维模型的仿真运动，真实再现出上颈椎在体瞬时三维运动状态；通过不同运动位置的采集计算，最终获得生理载荷下上颈椎6个自由度的运动范围。本课题可在体、动态、精确、无创、全面的研究正常及术后上颈椎三维运动特性，其结果有助于理解上颈椎疾患的发病机制，为各种创新性内固定技术及理念，特别是上颈椎非融合固定技术提供理论基础，同时为新技术的使用及优化选择提供客观依据，具有重要的理论价值。

上颈椎位于颅颈交界区，该部位解剖关系复杂，生理功能重要，并且拥有与其他颈椎节段截然不同的运动特性，在协调大范围的头部运动和保持颈椎稳定性方面发挥着重要的作用，有关上颈椎三维运动学的研究一直以来是脊柱外科医生关注的问题，具有重要的理论价值和临床意义。国内相关研究虽然起步较早，但由于体外研究的缺陷，均无法反映活体生理载荷下的上颈椎运动状态，上颈椎的真实运动形式和运动范围目前仍不清楚，相关研究十分匮乏。本项目在以往研究的基础上，应用数字骨科技术，以正常志愿者及上颈椎融合术后患者为研究对象，利用影像学技术和三维运动捕捉系统，动态、精确、无创、全面的测量了上颈椎在体三维活动度，获得了上颈椎各节段旋转、伸屈及侧屈方向上的在体三维运动数据，同时将研究方法延伸至下颈椎，获得了颈椎整体在体三维活动度数据。研究结果显示： 单侧轴位旋转时，头部最大可旋转74.4°±4.4°, 其中上颈椎作为整体旋转角度约为43.2°，寰枕关节相对旋转角度约为2.8°，寰枢关节相对旋转角度约为40.3°，寰枢关节间的旋转运动约占整个头颈部轴位运动的54%，上颈椎的93%。侧屈运动时，头部最大侧屈角度为40.5°±6.7°，上颈椎整体侧屈约3.6°，占头颈部侧屈运动的8.9%，其中寰枕关节侧屈角度平均为2.4°，寰枢关节平均为1.8°。Oc, C1和 C2的最大伸屈角度分别为80.3°±6.5°，78.6°±10.2°和71.8°±13.0°。极度前屈时，上颈椎整体前屈角度约为1.8°，其中寰枕关节前屈角度范围为-1.4°±5.3°，寰枢关节为0.28°±5.7°。极度后伸时，上颈椎后伸角度约为6.6°，其中寰枕关节后伸角度范围为4.8°±2.9°，寰枢关节为9.3°±7.8°。该研究结果不仅可指导上颈椎新型内固定系统的设计与改进，有助于研发新器械、新技术、新方法；还可量化评价其临床手术后在患者体内的实际应用效果，通过对比分析术前术后上颈椎运动特点，评估手术疗效，优化手术方式，具有重要的理论价值和临床意义。