Doctor of Medicine dissertation summary: Research the clinical, diagnostic imaging characteristics and evaluate the surgical outcomes of traumatic C1-C2 fracture

Describe the clinical and diagnostic imaging characteristics of unstable traumatic C1 - C2 fracture. Describe the clinical and diagnostic imaging characteristics of unstable traumatic C1 - C2 fracture.

AND TRAINING

MINISTRY OF NATIONAL DEFENCEMILITARY MEDICAL UNIVERSITY

KIEU VIET TRUNG

RESEARCH THE CLINICAL, DIAGNOSTIC  IMAGING CHARACTERISTICS AND  EVALUATE THE SURGICAL OUTCOMES 

Hanoi ­ 2020

The thesis will be defended before the university grade thesis examination board in military medical university: 

The thesis can be found at:

­ National library of Viet Nam

­ Library of military medical university

INTRODUCTIONUpper cervical spine injury is a very serious injury in general, particularly in spinal injury. The mortality or severe sequelae rate caused by cervical spine injury are very high. The upper cervical spine including the atlas (C1) and the axis (C2) is the transition area between   the   skull   and   the   spine,   which   is   one   of   the   most complicated joints in the body. At the Neurosurgery Department of the Da Nang Hospital, we have applied this technique for 10 recent years for unstable C1 – C2 injury treatment. Through clinical practice, 

we realize that the  unsolved  problem  in  C1  – C2  fracture  is  a full understanding of the injury characteristics, classification, indications for surgery and the selection of techniques and tools  for surgery as well as bone graft. In order to make new contributions to the process 

of diagnosis, selection of treatment method and plan for unstable C1 – C2 injury, we conducted the thesis "Research the clinical, diagnostic imaging  characteristics  and   evaluate   the  surgical   outcomes  of traumatic C1 – C2 fracture ” with 2 objectives: 

1. Describe the clinical and diagnostic imaging characteristics of unstable traumatic C1 ­ C2 fracture.

­ Provided the effectiveness of a surgical method and the use 

of bone­graft materials which helped patients have no pain at the 

bone   donor   site,   shorter   operation   duration   and   100%   bone healing rate.

­       Showed   further   postoperative   outcomes   (long   time tracking, 18 months); the VAS score, NDI and ASIA were better than before surgery with statistical significance (11.24% compared with 52.8%) 

The thesis structure: The thesis consists of 137 pages including 

45   tables,   68   pictures   and   4   charts   The   layout   includes   the introduction (3 pages); chapter 1: Overview (35 pages); chapter 2: patients   and   methods   (26   pages);   chapter   3:   results   (28   pages); chapter 4: discussions (41 pages); conclusions (2 pages); the list of research publishes (1 page); references (128 documents including 7 Vietnamese and 121 English documents) and appendices

CHAPTER 1: OVERVIEW1.1.  The cervical spine anatomy 

1.1.1. The bone structure

1.1.1.1.  The atlas C1

The C1 vertebral has no vertebral body. It is ring­like, rugged and consists of two large lateral masses  which contain two superior concave facets for articulation with occipital condyles and two inferior concave facets for articulation with the axis C2. The structure of the atlas includes anterior arch, posterior arch,  lateral mass,  anterior tubercle, posterior tubercle, transverse process, transverse foramen, articular facet with occipital condyles and articular facet with the axis.  The anterior and posterior arches are thinner to the two sides and where contact 

1.1.1.2.  The axis C2

The axis is the thickest and strongest vertebra in the cervical spine with a goose­like shape. The axis is easily identifiable due to its dens (odontoid process) which extends superiorly from the anterior portion of the vertebra. The dens is upward cylindrical, about 16.6 

mm   high   and   9.3mm   wide   The   anterior   facet   of   the   dens   apex contains the facet for articulation with the concave at the posterior facet of the atlas anterior arch and the posterior facet of dens apex contains the facet for articulation with the transverse ligament, which form the medial atlanto­axial joint

1.1.2.  The system of articulations and ligaments between C1 and C2

The transverse ligament of the atlas is stronger than the dens, 

therefore the odontoid process is often broken before the ligament in trauma  However, the transverse ligament is not strong enough in some people and it is one of the pathological causes of atlanto­axial joint instability. 

1.1.2.2. The lateral atlanto­axial joints 

of   C1  The   movements   occur   on   the   three   articular   facets simultaneously and mostly are rotation. 

1.1.3. Nerves:

The cervical spinal cord originates in the medulla oblongata and passes through the foramen magnum. It is wider at C3 and widest at C6 with the circumference of 38mm. The spinal cord consists of the white   and   grey   matter   that   can   be   distinguished   on   magnetic resonance   imaging  At   the   upper   cervical   spine,   the   spinal   cord occupies only 2/3 of the spinal canal circumference, so the nervous clinical   symptoms   are   very   poor   in   trauma   in   spite   of   the   spine dislocation

The shape of cervical spinal cord: It is divided into 2 balanced 

parts by the anterior median fissure and posterior median sulcus. The fissure  is  deeper   and  wider   than  the  sulcus   The  posterior   sulcus contains blood vessels and a fold of the pia mater

1.1.4. The blood vessels:  The vertebral artery, which originates from the subclavian artery is the main blood supply for cervical cord. In most cases, the vertebral artery enters the transverse foramen of C6, goes through the transverse foramen of vertebrae along the sides of cervical spine, bypasses the lateral mass and posterior arch of C1 and enters the foramen magnum

1.2. THE BIOMECHANICS OF C1 ­ C2 STRUCTURE

The C1, C2 and occipital cranium form a complex that contains the most complicated joints in the body because they support the head and its movement, protect the spinal cord and other important structures. 

Most of rotation and a part of nodding and turning of the head movements   occur   at   the   superior   cervical   spine   (C0­C1­C2)   The loosening of joints allow the cervical spine to rotate nearly 50%. The tension is enough strong to protect the delicate spinal cord structures, blood  vessels and withstand  the weight  of  head and  the force of antagonistic muscles. 

1.3. THE CLINICAL SYMPTOMS OF C1 – C2 INJURY

The clinical symptoms of C1 – C2  injury are often poor, mainly are neck pain, stiff neck, radiating pain and numbness in the occipital region and limited head rotation and flexion movements. Patients with C1  – C2  trauma combined with severe spinal cord injury often die before hospitalization because upper spinal cord trauma causes damage   to   respiratory   and   circulatory   centers   in   the   medulla oblongata

The Spence index is calculated by the lateral overlap of the C1 

lateral   masses   on   both   sides   against   the   lateral   borders   of   C2, normally less than 6.9mm. If the Spence index is > 6.9 mm, it is a definitive diagnosis of a transverse ligament rupture and the damage 

is unstable and requires surgical treatment

The C1 – C2 dislocation was diagnosed based on the ADI index, which was calculated by the distance between the dens and anterior arch of  C1. In general, the  ADI  is  < 3 mm  in adult and < 5 mm in 

1.4.1.1. Motion X ­ ray

It is applied in chronic  C1  – C2  dislocation,  suspicion about pseudarthrosis of the dens or transverse ligament rupture to evaluate the ADI index

1.4.2. Computed Tomography (CT scanning)

Until now, CT scanning image has been considered as the gold standard in definitive diagnosis and classification of upper cervical spine injuries

* Fractures of C1: It is classified according to Levine and Edwards, including 3 types:

Type I:  Single C1 posterior arch fracture, the most common, stable fracture, without transverse ligament damage. 

Type   II:   Fracture   of   one   anterior   and   one   posterior   arch caused by a straight compressed force in tilt­head position, rare 

Type III: Burst fracture of C1 (Jefferson fracture), commonly after   type   I   fracture,   caused   by   a   straight   compressed   force   in intermediary­head position, fractures of 2 points on anterior arch and 

Type 1

Obliquely oriented fractures through the tip of the odontoid

Type 2

Occur through the base of the dens, where is contiguous to 

the C 2 body

Type 3

Fracture runs through the metaphyseal bone of the C2  body and fracture through the body of the axis

1.4.3. Magnetic Resonance Imaging

It is applied in C1  fractures to evaluate the transverse ligament damage   A   high   signal   indicates   an   edema   in   bone   marrow   and anterior   soft   tissues   In   addition,   MRI   also  evaluates  the  state  of spinal cord contusion, bleeding and edema in anterior C1  body soft tissues

Brooks – Jenkins technique:  Brooks and Jenkins offered 

an alternative method of posterior C1  – C2  laminar wiring in 1978, two separate autologous bone pieces were wedged in between the C1 and C2 on both sides of the midline and wrapped the posterior arches of the C1 and C2

­   Sonntag   technique:  Dickman   C.A   et   al   described   the 

technique   of   Sonntag   in   the   1990s   Sonntag   modified   the   Gallie technique to improve the rotational stability

1.5.2.2. Posterior C1 ­ C2 transarticular screw technique 

In 1979, Magerl described the technique for the treatment of C1 – C2 dislocation and odontoid fractures. 

1.5.2.3. Occipital­cervical fusion 

The   occipito­cervical   fusion   was   described   in   the   last   40 years,  firstly   used   a   bone­graft   and   posterior   occipito­cervical   area wiring. Newman and Sweetnam (1969)  placed the bone­graft at the occipito­cervical junction .

1.5.2.4. The C1 lateral mass screw with C2  pedicle surgery (Harms  technique).

The C1 lateral mass screw with C2 pedicle screw construct in the treatment for type 2 odontoid fracture was described by Goel and Laheri in 1994. In 2001, Harms and Melcher reported 37 patients who were applied this technique using polyaxial screw and rod

­   Screw   C1   through   the   posterior   arch:   was   proposed   by Resnick and Benzel in 2001, the entry point of lateral mass screw was on the posterior arch. The technique reduced the risk of blood loss and occipital chronic pain due to effect on C2 root. 

1.5.3. Anterior surgery for upper cervical spine injuries

1.5.3.1. Transoral technique

It   goes  directly   to   the   atlas   and  axis   with   a  high  risk   of infection and other risk factors; therefore the technique has limited applications

1.5.3.2. Anterior transarticular screw fixation C1 ­ C2 

Anterior   transarticular   screw   fixation   C1  –   C2  was   first described   by   Barbour  in   1971   Nevertheless,   this   technique   has limited   applications   because   it   has   more   disadvantages   than   the posterior techniques

1.5.3.3. Direct odontoid screw fixation technique

Bohler   and   Nakanishi  et   al   independently   developed   the direct odontoid screw fixation technique for type 2 odontoid process fractures. In 1982, they published the technique. 

+ C1 – C2 dislocation

+ Type 2 C1 fracture with Spence index > 6.9 mm or transverse ligament rupture on the MRI film

2.2. Methods

2.2.1. Research design

Prospective study, invasive non­controlled clinical description, evaluate the results on each patient before and after the treatment.2.2.2. Sampling and sample size 

Convenience   sampling,   selected   all   patients   with   inclusion criteria during the study period

2.2.3. Study process

2.2.3.1. Data collection method

Data was collected according to the established medical record with study criteria. The researcher would

­   Directly   asked   patients,   examined   and   evaluated   patients before surgery

­   Evaluated   the   diagnostic   imaging   methods   with   diagnostic imaging specialists.

­   Contacted   by   phone   or   invitation   letter   to   patients   for   re­examination   at   the   Neurosurgery   Department   of   the   Da   Nang Hospital, with the evaluation questionnaire (NDI scale, VAS, ASIA) and requested patients to review and reply

2.2.4.  Data processing

­ Data was collected and analyzed by the SPSS 22.0 software

CHAPTER 3: RESULTS3.1. General parameters

3.2. Clinical symptoms and diagnostic imaging of C1  ­ C2  unstable injuries

Subjective   symptoms:   Neck   pain   100%;   Limited   neck 

movement   90.9%;   Stiff   neck   30,3%;   Numbness   in   the   occipital region 6,1%

3.2.1.2. Objective symptoms

Thus, there were 9 out of 33 patients with movement disorders (mainly with incomplete or complete paralysis of 2 arms), 42.4% of patients with sensory disorders including mainly with numbness or reduction of 2 arms sensation and some with numb paresthesia. Only 12.1% of hospitalized patients had a smooth muscle disorder

3.2.1.4. Evaluate pain level according to VAS score

The Visual Analogue Scale (VAS) allows patients evaluate their pain level. In our research, the preoperative mean VAS was 5.03 ± 1.74, of which the lowest score was 2 and highest score was 8

CT(n = 33) Percentage %

position mber  Nu

(n)

Perc entage 

%

Num ber  (n) ntage % Perce Type 

Perce ntage %

Nu mber  (n)

Perce ntage % Type 

Total 33 100 33 1003.3.2. Further outcomes

* Subjective symptoms improvements

Table 3.35  Compared the preoperative subjective symptoms with   the last re­examination

Total

Yes  (n) Percentage % No (n) Percentage %

= 33) 5.03   ± 

4.2. Clinical symptoms of C1 ­ C2 unstable fractures

4.2.1. Subjective symptoms

In the study, all hospitalized patients had symptoms of a neck pain and limited cervical spine movement, in which a limited neck rotation was the most striking. Other movements were less limited due to the pain of patients. All 33 patients showed symptoms of neck pain, which caused the patients to have to go to medical clinics. Stiff neck only accounted for  30.3% of  patients  It  might  be the most suggestive symptom of C1  – C2  injury. The less common symptom was numbness in the occipital region (5.2%), which was often seen in patients with severe C1­C2 dislocation due to compression of the C2 nerve root.

4.2.2. Objective symptoms

Evaluating the focal neurological deficits, we found that there were 9 out of 33 patients with limb paralysis (27.3%), of which 1 patient had complete arm paralysis with muscle strength 0/5 and the remaining   8   patients   had   an   incomplete   paralysis   with   muscle strength from 2 to 4/5. The causes of neurological deficiencies were identified on the image due to spinal cord contusion, post­traumatic pulmonary edema and C1 – C2 dislocation causing spinal stenosis at the same level

4.2.3. Evaluate the pain level according to VAS score

In our study, the preoperative VAS was 5.03 ± 1.74 with the highest score of 8. Most of patients in our study had a moderate pain with average VAS of 5 (5­6 VAS score) and some had a severe pain (7­8 VAS score). 

In   our   study,   the   lowest   preoperative   NDI   was   24%   and highest one was 52%, mean NDI was 37.03   9.15 %. Most patients had the NDI in the moderate group (63.2%). 

4.2.5. Clinical neurological evaluation according to ASIA scale

In   33   patients,   we   found   that   24   patients   (accounted   for 72.7%)   had  ASIA  ­   E,   9  patients  had  nerve  damage  including  7 patients   with   ASIA   –   D   (21.2%)   and   2   patients   with   ASIA   –   C (6.1%). No one had complete motor paralysis with ASIA ­ A and ASIA ­ B

4.3  Diagnostic   imaging   characteristics  of  C1  ­   C2  unstable fractures

4.3.1. Plain cervical spine X ­ ray

Our results showed a certain value of conventional X­ray film 

in the diagnosis of C1 – C2 injuries, especially in cases of C2 odontoid fractures or C1 – C2 dislocation type 2, 3 and 4. We diagnosed 74.2% 

of  patients   with   odontoid   fractures  by   conventional   X­ray   (open mouth X­ray film) and 100% of patients with C1­C2 dislocation in the study   In   case   of   a   single   C1  fracture,   conventional   X­ray   had  a limited value

4.3.2. Injury characteristics in CT

C1 fractures characteristics

In our study, 4 patients were diagnosed of C1 fracture including 

2 patients with type 1 and 2 patients with type 2 according to Levin and Edwards classification. Spence index in C1 fracture was used to evaluate the status of the transverse ligament, which was one of the causes leading to  C1  – C2  unstable fracture when the  Spence  index was  >   6.9   mm  We   found   2   single   C1  fracture   patients   with   the Spence  index  >   6.9   mm   and   2  C1  fracture   patients   with   type   2