East and Central African Journal of Surgery Association of Surgeons of East Africa and College of Surgeons of East Central and Southern Africa ISSN: 1024-297X EISSN: 2073-9990 Vol. 14, Num. 2, 2009, pp. 9-12

East and Central African Journal of Surgery, Vol. 14, No. 2, July-Aug, 2009, pp. 9-12

Tear-drop Fractures of the Cervical Spine

N.S. Motsitsi,  L.N. Bomela.

Department  of  Orthopaedic  Surgery,  University  of  Pretoria,  Kalafong  Hospital,  Pretoria,  S.  Africa.
Correspondence to:Dr.N.S. Motsitsi,  Fax  :  +  27  12  373  9031, E-mail:  silas.motsitsi@up.ac.za. 

Code Number: js09027 

Tear-drop  fractures  of  the  cervical  spine  are  relatively  rare  injuries.  Those  involving  the  upper  cervical  spine  commonly  occur  in  older  patients  following  minor  trauma.  However,  they  may  occur  following  major  trauma  like  car  accidents,  falling  from  heights  and  diving  into  shallow  water.      They  are  stable  injuries  and  are  treated  conservatively  with  relatively  good  outcome.  They  are  usually  not  associated  with  neurological  deficits  unless  they  are  associated  with  injuries  at  other  levels.  The  cause  of  neurological  fallout  is  commonly  due  to  associated  injuries. 

Tear-drop  fractures  of  the  lower  cervical  spine  are  usually  caused  by  severe  trauma  including  sports.  About  83% -  87%  of  tear-drop  fractures  due  to  sports  are  accompanied  by  neurological  fallout.  Tear-drop  fractures  of  the  lower  cervical  spine  are  regarded  as  unstable.  The  management  of  tear-drop  fractures  of  the  lower  cervical  spine  is  very  controversial.  The  controversies  are:  should  all  these  fractures  be  managed  surgically?   If  so,  what  is  the  best  surgical  approach?  Unfortunately, available literature does not offer convincing answers.  Current  surgical  techniques  provide  acceptable  stability,  at  least  according  to  biomechanical  studies.  It  is  still  to  be  established  whether  these  biomechanical  findings  are confirmed  clinically.  

Introduction

Tear-drop  fractures  of  the  cervical  spine  are  defined  as  fractures  involving  the  antero-inferior  angle  of  the  cervical  vertebral  body,  with  the  vertical  dimension  of  the  triangular  fragment  being  equal  to,  or  greater  than  the  transverse  dimension¹.  They are relatively rare injuries.  There  are  two  major  groups  of  tear-drop  fractures  of  the  cervical  spine:  those  involving  the  upper  (C1-C2)  cervical  spine  and  those  involving  the  lower  (C3-C7)  cervical  spine.  These  two  groups  also  differ  with  respect  to  mechanism  of  injury,  the  incidence  of  neurological  deficits,  management  principles  and  outcome. The  purpose  of  this  article  is  to  review  the  Pathophysiology  of  tear-drop  fractures  of  the  cervical  spine,  their  clinical  presentation,  radiological  features,  principles  of  management  and  outcome.

Pathophysiology

The  management  of  any  clinical  pathology  is  predicated  on  knowing  its  Pathophysiology.  The  Pathophysiology  of  the  two  categories  of  tear-drop  fractures  is  different.  It  is  their  Pathophysiology  that  forms  the  bases  of  management   approach.

The Upper Cervical Spine. 

The vertebra that is commonly fractured is the axis (C2).  Tear-drop  fractures  of  the  axis  forms  3%  of  the  cervical  spine  trauma².  The incidence may be as high as 26%³.  Hyperextension  dislocation  of  the  axis  constitutes  about  32%  of  the  axis  fractures⁴.  Fractures  of  the  axis  commonly  occur  in  the  elderly  following  minor  trauma  and  tend  to  be  stable¹.  However,  they  may  follow  severe  trauma: car  accidents,  falls  and  diving  into  shallow  water².  The mechanism of injury is hyperextension.  The  tear-drop  fracture  is  caused  by  avulsion  by  the  anterior  longitudinal  ligament.  The  disco-ligamental  complex (supraspinous  ligaments,  interspinous  ligament,  the  joint  capsule,  the  intervertebral  disc  and  the  posterior  longitudinal  ligament)  is  preserved.  This  injury  pattern  makes  tear-drop  fractures  of  the  axis  to  be  stable  injuries.  About  half  of  these  injuries  are  associated  with  injuries  at  another  level².  Isolated  tear-drop  fractures  of  the  axis  are  not  associated  with  neurological  deficits,  but  associated  fractures  may  cause  neurological  fallout.  Tear-drop  fractures  of  the  atlas  (C1)  are  very  rare;  no  series  of  these  injuries  have  been  reported  in   the  English  literature.

Tear-drop Fractures of the Lower Cervical Spine (C3-C7). 

They are caused by severe trauma.  The incidence is fairly high:  8.8% - 23%⁵.  There  are  two   forces  that  cause  tear-drop  fractures  of  the  lower  cervical  spine¹:

1. Tension:  this  causes  disruption   of  the  disco-ligamentous  complex  (  DLC)  and  thus  injury  to  the  posterior  column.  The posterior column fails in tension.
2. Compression:   the  anterior  column  fails  in  compression  and  causes  tear-drop  fracture.

The  upper  cervical  column  may  displace  posteriorly  leading  to  anterior  compression  of  the  spinal  cord.  Tear-drop  fractures  of  the  lower  cervical  spine  are  regarded  as  unstable.  Complete  spinal  cord  injury  may  occur  in  38%  -  91%  of  cases⁶.  The majority of spinal cord injuries are incomplete.  Anterior  spinal  cord  syndrome  accounts  for  80%  of  incomplete  spinal  cord  lesions⁷.  Other lesions like Brown Sequard Syndrome may occur.

There  may  be  an  additional  force  in  the  mechanism  of  injury  of  the  lower  cervical  spine:  lateral  flexion  or  rotational  force.  This force causes and additional injury to the vertebral body.  The fracture line is orientated in the sagittal plane.  The  force  can  cause  fracture  of  the  vertebral  body  and  the  laminar  leading  to  a  ‘hemi vertebra’.  Laminar   fractures may be bilateral. The  incidence  of  laminar  fracture  may  reach  up  to  84% .  The   facet can also be involved.  This  additional  fracture  pattern  further  compromises  the  stability  of  the  injury^8,9,.

Tear-drop   fractures may also occur in athletes.  It is common in most sports.  These   fractures show two fracture patterns and the incidence of neurology¹⁰:

1. Isolated tear-drop fractures:  the incidence of neurology is 83%.
2. Three  -  part,  two  plane  fracture  pattern:  the  incidence  of  neurology  is  87%.

 Injuries  to  the  vertebral  and  the  carotid  arteries  (thrombosis  or  dissection)  must  always  be  borne  in  mind  in  all  injuries  involving  the  upper  cervical  spine  and  fractures  or  fracture-dislocation  of  the  lower  cervical  spine.  Carotid artery injury is unusual  and  tends  to  be  symptomatic⁷.  These injuries must always be excluded.

Clinical presentation

Patients  who  sustain  tear-drop   fractures  of  the  cervical  spine  do  not  have  specific  ways  of  presentation.  Elderly  patients  with  tear-drop  fractures  of  the  axis  may  give  a  history  of  minor  trauma  like  bumping  their  heads  against  a  wall.  Clinical examination may reveal tenderness in the upper cervical spine.  There is usually no neurological deficits. The  majority  of  patients  will   give  a  history  of  severe  trauma:  motor  vehicle  accidents,  diving  into  shallow  water  and  falling  from  a  height.   Those  who  sustained  fractures  of  the  axis  will  have  no  clinical  neurological  deficits  unless  there  are  associated  fracture(s)  at  other  levels.  About  two-thirds  of  patients  who  sustain  lower  cervical  spine  tear-drop  fractures  as  a  results  of  diving  have  neurological  deficits  on  presentation⁶.

Radiological investigations

Radiological  investigations  are  the  key  to  the  diagnosis  of  tear-drop  fractures  of  the  cervical  spine.

1. Standard Radiological investigations (X-rays). 

     These are the first lines of investigations.  Features that must be noted are:

• Soft  tissue  shadow:  pre-vertebral  soft  tissue  swelling  (especially  in  uninitiated  patients)  may  show   either  localized  or  diffuse  swelling  ¹.   Diffuse  soft  tissue  swelling  is  significant  if  it  extends   to  at  least  one  level  above  or  below  the  level  of  injury.
• The character of the avulsed fragment.  The  shape  of  the  avulsed  fragment  is  triangular,  with  the  vertical  dimension  being  equal  to,  or  larger  than  the  transverse  dimension.  This  is  a  critical  concept  to  understand  in  order  to  distinguish  it  from  the  fragment  due  to  hyperextension  dislocation  (H D)  and  the  quadrangular  fracture.  In  HD  the  avulsion  is  mediated  through  intact  Sharpey  fibers  which  penetrate  the  former  ring  apophysis¹.  The  fragment  originates  from  the  antero-inferior  endplate  of  the  involved  vertebra.  It  is  small,  flat  and  wedge-like  with  the  vertical  height  being  less  than  the  transverse  width¹.  It  is  rarely  found  in  the  upper  cervical  spine.  Patients  with  this  type  of  injury  ( HD)  almost  always  have  neurological  deficits.  Quadrangular fractures are due to compression fractures.  They  resemble  tear-drop  fractures,  but  they  respond  poorly  to  posterior  fusion.  Farero and Van Peteghem¹¹  outline  major  differences  between  quadrangular  fractures  and  tear-drop  fractures,  although  some  authors  use  these  two  terms  interchangeably.  They are also different from burst fractures¹².

2.  Computed Tomographic Scan (CT – SCAN). 

It  is  an  ideal  method  for  demonstrating  sagittal  fracture  involving  the  vertebral  body  and  posterior  elements.  It  is  highly  recommended  that  CT  -  SCAN  must  always  be  done  in  patients  with  tear-drop  fractures  of  the  cervical  spine, especially  the  lower  cervical  spine.

3.      Magnetic Resonance Imaging (MRI). 

It  is  the  best  mode  for  demonstrating  the  extend  of  soft  tissue  and  spinal  cord  injury.  The  extend  of  DLC  disruption  can  be  well  demonstrated  by  this  modality.  It  will  also  exclude  any  possible  mechanical  compression  to  the  spinal  cord.  MRI-Angiography can be added to exclude possible vascular injury. 

Management Principles

Management  of  tear-drop  fractures  of  the  upper    cervical  spine  is  conservative  because  these  fractures  are  stable^13,3.  But  the  management  of  lower  cervical  tear-drop  fractures  is  controversial. Scheider and Kahn¹⁴ emphasized that these fractures must always be management surgically.  They maintained that conservative treatment leads to late neurological deterioration.  The first controversy is whether they should all be operated.  Unfortunately,  studies  available  in  the  English  literature  are  all  retrospective,  and  there  are  no  randomized  controlled  trials.

Fisher  et  al⁵  reviewed  45  of  their    patients of whom 24  were treated  conservatively  and  21  treated operatively.  Five  of  conservatively  treated  patients  had  to  be  operated  because  of  loss of  alignment  and  neurological  deficits  in  two  patients.  Those  whose  fractures  united  on  conservative  treatment  developed  significant  late  kyphosis.  All their operated  patients  had  100%  union  rate.  Cabana  and Ebersold¹⁶  treated  their  8  patients  surgically  and  had  successful  outcome.  Koivikko  et  al¹⁷   confirmed  better  outcome  in  tear-drop  fractures  treated  operatively  compared  to  conservative  treatment.  Korres et al¹⁵  in  their  latest  study  maintained  that  not  all  tear-drop  fractures  of  the   lower  cervical  spine  need  surgical  intervention.  They  stated  that  there  are  certain  parameters  that  need  to  be  taken  into  account  before  one  decides  whether  to  operate  or  not which include  size  of  the  triangular  fragment,  the  presence  or  absence  of  sagital  fracture,  the  presence  or  absence  of  retrolisthesis,  the  magnitude  of  the  retrolisthesis,  the  presence  or  absence  of  dislocation  and  the  presence  or  absence  of  locked  facet.  They  proposed  a  classification  system  that  serves  as  a  guide  whether  to  operate  or  not.

The second controversy is the surgical approach.  The  currently  favored  technique   is  anterior  discectomy,  grafting  and  anterior  cervical  plating.  Posterior  procedures  like  plating  and  grafting  are  also  surgical  options..  Biomechanical  studies¹⁸  showed  that  currently  practised  surgical  techniques  provide  good  or  acceptable stability. Future  or  prospective  studies  are  needed  to  answer  or  address  the  following  pertinent  clinical  questions  or  issues:

• Comparison  between  operative  and  non-operative    treatment  of  tear-drop  fractures  of  the cervical  spine  using  randomized  controlled  trials.
• Development of  classification  system  for  these  fractures  or  validation  of   proposed  classification  system(s)  currently  available.

References

1. J.S. Lee, J.H.  Harris JR., C.F.  Mueller. The  significance  of  prevertebral  soft  tissue  swelling  in  extension  teardrop  fracture  of  the  cervical  spine.  Emergency Radiology. 1997; 132 - 139.
2. D.  S.  Korres, A.B.  Zoubos,  K. Kavadias,  G.C. Babis, K. Balalis.   The  ‘teardrop’  (or  avulsed)  fracture  of  the  inferior  angle  of  the  axis.  Eur Spine J 1994; 3:151 - 4. 
3. D.S. Korres, P.J.  Papagelopoulos,  A.F.  Mavrogenis,  G.S.  Sapkas, A.  Patsinenevelos, P.  Kyriazopoulos,  D. Evangelopoulos.  Multiple fractures of the axis.  Orthopedics: 2004; 27(10):  1096 - 99.
4. J.T.  Burke, J.H. Harris JR.  Acute injuries of the axis vertebra.  Skeletal  Radiology  1989; 18:  335-346
5. C.G.  Fisher, M.F.S.  Dvorak, J.  Leith, P.C.  Wing.  Comparison  of  outcomes  for  unstable  lower  cervical  teardrop  fractures  managed  with  halo  thoracic  vest  versus  anterior  corpectomy  and  plating.  Spine.  27(2):  160 - 166.
6. S.  Aito, M. D’Andrea, L.Werhagen.  Spinal cord injuries due to diving accidents.  Spinal Cord 2005; 43:  109 - 116.
7. S.K. Rao, C. Wasyliw, D. Nunez JR.  Spectrum  of  imaging  findings  in  hyperextension  injuries  of  the  neck.  Radiographics 2005; 25:  1239 - 1254.
8. F. Signoret, F Jacqout, J–M. Feron.  Reducing  the  cervical  flexion  tear-drop  fracture  with  a  posterior  approach  and  plating  technique:  and  original  method.  Eur  Spine  J  1999;  8: 110 -117.
9. K.S.  Kim,  H.H.  Chen,  E.J.  Russell, L.F.  Rogers.  Flexion teardrop fracture of the cervical spine:  Radiographic characteristics.  AJNR 1989;   9:  1221 - 1228.
10. J.S.  Torg, H. Pavlov, M.J.  O’Neill, C.E.  Nichols III, B. Sennet.  The  axial  load  teardrop  fracture:  A  biomechanical,  clinical,  and  roentgenographic  analysis.   Am Journal of Sports Medicine 1991; 19(4):  355 - 364.
11. K.J. Favero, P.K. Van Peteghem. The quadrangular fragment fracture: roentgenographic features and treatment protocol.  CORR, 1989; 239:  40 - 46.
12. A.T. Scher.  ‘Tear-drop’ fractures of the cervical spine - radiological features.  S.  Afr.  med.  J. 1982: 6: 355 - 356.
13. S.  Boran, C.  Hurson, R.  Gul, T.  Higgins, A.  R.  Poynton, J.  O’Byrne, D. McComack.  Functional outcome following teardrop fracture of the axis.  Eur J Orthop Surg Traumatol 2005; 15:  229 -232.
14. R.C. Schneider,  E.A. Kahn.  Chronic  neurological  sequelae  of  acute  trauma  to  the  spine  and spinal  cord.  JBJS (A), 1956; 38-A (5): 985 - 997.
15. D.S.  Korres,  I.S.  Benetos,  D.S.  Evangelopoulos,  M. Athanasssacopoulos, P. Gratsias,  O. Papamichos, G.C. Babis. Tear-drop fractures of the lower cervical spine:  classification and analysis of 54 cases.  Eur J Orthop Surg Traumatol 2007; 17: 521- 6.
16. M.E. Cabanela, M.J. Ebersold. Anterior plate stabilization for bursting teardrop fractures of the cervical spine.  Spine 1988; 13(8):  888- 891.
17. M.P.  Koivikko,  P. Myllynen,  M. Karjalainen,  M. Vornanen, S. Santavirta.  Conservative and operative treatment in   cervical burst fractures.  Arch Orthop Trauma Surg 2000; 120:  448 - 451.
18. A. Ianuzzi, I. Zambrano, J. Tataria, A. Ameerally, M. Agulnick, J.S.L. Goodwin,         M. Stephen, P.S.  Khalsa.  Biomechanical  evaluation  of  surgical  constructs  for  stabilization  of  cervical  teardrop  fractures.  The Spine Journal 2006; 6:514 - 523.    

Copyright © 2009 East and Central African Journal of Surgery