人工椎间盘置换术在颈椎间盘病治疗中的应用解读

人工椎间盘置换术在颈椎间盘病治疗中的应用孙宇北京大学第三医院骨科100083自从Robinson 和Smith 在1955 年首先报道颈椎前路减压融合术以来，该项技术已经成为治疗颈椎退变性疾病和颈椎外伤的重要方法。

但是20 世纪70 年代以来，很多学者的研究发现，前路融合后相邻节段容易产生退变和不稳定，甚至可以造成原有的症状复发或加重，是影响颈椎前路减压治疗颈椎病远期疗效的一个重要因素。

Baba 观察了106 例前路术后的患者，平均随访8.5 年，有17 例由于相邻节段退变引起症状复发或加重而再次手术。

Hilibrand 随访374 例患者，最长达21 年，发现前路术后伴有症状的相邻节段退变在10 年之内的年发生率为 2 .9% ，经过统计学计算有25.6% 的患者在10 年内将出现与相邻节段退变有关的症状。

Teramoto 对一组45 例前路融合的患者随访 4 年以上，发现其中有51.1% 出现相邻节段退变，其中11.1% 出现神经症状的加重。

北医三院对一组前路融合术66 例患者平均10.5 年的随访结果提示，相邻节段不稳定的发生率为72.73% 。

因此，现行的前路椎间盘切除、椎体间植骨融合术虽然在解除神经系统压迫症状方面具有持久、稳定的疗效，但是在维持颈椎功能方面却存在着明显的问题。

患者术后需要颈部制动6-8 周，以保证植骨融合所需要的基本条件。

融合后虽然手术节段获得了长期的稳定，但是这是非生理状态的稳定，颈椎由此失去了相应的运动节段，造成颈椎总活动度减少，相邻节段出现退变加快等问题。

一些患者甚至需要再接受相邻节段的融合术。

因此人们一直在观察前路融合术后相邻节段发生退变的规律并努力寻找解决的办法。

人工颈椎椎间盘置换术是20世纪后期出现的新技术，其设计理念是在前路椎间盘切除后通过在椎间隙植入一个可以活动的装置，代替原来的椎间盘并行使其功能，实现保留运动节段、减少出现相邻节段继发性退变的目的。

一、人工颈椎椎间盘的应当具备的基本特性理想的假体设计应遵循以下原则：（ 1 ）保持椎间关节的运动，维持颈椎的生物力学性能。

假体应当能够模拟颈椎复杂的生理运动，具备椎间盘在矢状位、冠状位和轴位各个平面上的正常运动范围，具有符合或高度接近生理状态下的旋转、弯曲、滑移的瞬时运动轴线。

人工椎间盘在运动中应能够吸收震荡，这既可以合理地分布应力，又能减少假体的磨损。

假体能够沿着颈椎重力负荷轴线精确传导应力，传导轴线过于偏前可以导致颈椎出现后凸畸形、而如果明显偏后则将大部分应力转移到小关节。

另外，人工椎间盘还应当能够重建颈椎前凸角度，达到假体、小关节、韧带受力均衡，增加该节段的稳定性，防止置入物移位、小关节应力上升而影响假体的寿命。

（ 2 ）重建椎间隙高度。

颈椎椎间盘退变导致不同程度的椎间隙塌陷，继而导致颈椎周围韧带组织松弛，出现节段性不稳定、黄韧带肥厚、椎间孔狭窄等病理变化，从而压迫脊髓、神经根，小关节所受应力也明显增加。

人工椎间盘植入后应能重建椎间隙高度，恢复应力分布。

同时要考虑个体差异，根据椎间隙的高度、横截面大小及不同节段的椎间角，设计不同规格的人工椎间盘。

（ 3 ）有良好的生物相容性。

所选材料必须具有良好的组织相容性，例如抗腐蚀和耐磨损，能在体内长期存在，其降解产物无致癌性和器官毒性，尽可能避免产生诸如炎症、神经性损害等明显的组织病理反应。

（ 4 ）耐久性、安全性。

由于因患颈椎间盘疾患而接受手术的患者的最小年龄可以为20 岁左右，因此理论上所用生物材料必须经受相当于50 年的循环加载。

按平均每年 2 百万次负载和12.5 万次弯曲计算，人工椎间盘在体内要能耐受约10 亿次的颈椎运动而不损坏。

人工椎间盘与其它人工关节不同，其周围相邻着神经根、交感神经干、大血管、脊髓及其它重要的脏器，假体的损坏和磨损碎屑可能导致邻近组织的损伤。

所以人工颈椎间盘的设计必须考虑其安全性，确保其任何一部分的损坏都不引起严重后果。

（ 5 ）牢固固定。

人工颈椎间盘假体植入后应当能够维持即时和长期的稳定。

即时稳定可以通过螺钉、U 形钉固定于上下椎体，或通过齿、钩等与周围骨质嵌合。

长期稳定依靠假体与椎体的骨性连接。

当前人工椎间盘都有多孔表面，为骨组织长入提供了空间。

McAfee 等的研究表明，根据减压术中是否保留后纵韧带，将假体分为保留后纵韧带的颈椎人工椎间盘和不保留后纵韧带的颈椎人工椎间盘。

后者为固定型假体，与前者不同之处在于它有固定于椎体的侧翼，适用于那些需要将椎体后缘连同后纵韧带一起切除的病例。

（ 6 ）可翻修。

在患者进行不适当运动、感染等导致置换失败时，人工椎间盘应易于翻修，而且在翻修后仍可以保留颈椎的节段性运动及稳定性。

应用可翻修材料及可翻修设计利于术后翻修，避免行融合手术。

另外，行人工颈椎间盘置换手术时应尽可能多地保留椎体骨量，为可能进行的翻修留有余地。

二、人工椎间盘的生物材料人工椎间盘的发展离不开新型生物材料的研制。

在假体设计中生物材料的优化得益于人工全髋、全膝关节的发展。

用于人工椎间盘的材料已经经历半个多世纪的发展，目前常用的材料主要有合金、高分子聚合体和陶瓷。

（一）合金1. 钛合金生物相容性方面优于不锈钢合金，对MRI 、CT 干扰较小。

应用较为广泛的是纯钛(CPTI) 和钛合金(Ti-6Al-4V) 。

纯钛有较高的延展性，表层所形成的氧化物具有良好的抗腐蚀性能，主要用于假体的多孔表面。

钛合金在机械性能方面优于纯钛，其弯曲刚度只有不锈钢合金、钴钼铬合金的一半，扭转、轴向强度更接近骨骼，理论上应力遮挡小。

R- 钛合金是新型钛合金，具有更高的抗疲劳强度，同时降低20% 的弹性模量，从而更接近骨骼，使应力遮挡降至最低。

2. 钴合金人工椎间盘所用的为钴铬合金，钼用来降低微粒大小并改善合金的机械性能，表面形成的氧化铬具有抗腐蚀性。

尽管钴钼铬合金在所有用于制造人工椎间盘的合金中强度、硬度、抗疲劳性能最高，但焊接多孔钛表面后，其上述性能明显降低。

3. 不锈钢合金用于人工椎间盘的大多是316LV( 真空铸造的低碳奥氏体不锈钢) 。

虽然不锈钢的力学性能稍逊于其它合金，但它的延展性是其它合金的 3倍，所以不锈钢仍有应用前景。

新型不锈钢合金，如BioDur 108 是一种不含镍的奥氏体不锈钢，在延展性、抗疲劳强度、抗腐蚀方面都有改善。

（二）超高分子聚乙烯分子量在 2 × 106 ～10 × 106 。

超高分子聚乙烯提供光滑的关节表面并吸收震荡，其最大的缺陷是聚乙烯磨损，应用化学和射线技术可提高超高分子聚乙烯抗磨损能力，但过强的射线反而会降低其拉伸强度及破裂强度。

超高分子聚乙烯对热敏感，通常用γ射线消毒。

（三）陶瓷应用较为广泛的是氧化铝和氧化锆陶瓷，具有低磨损性，每十年的破损率小于1 ／2000 。

陶瓷化学性能稳定，具有相对的生物相容性，在全膝关节置换术中的应用日渐普及。

目前在人工椎间盘假体中陶瓷主要用于羟基磷灰石亲骨表面喷涂和一些新型人工椎间盘( 如Cervi disc ，由氧化锆陶瓷制成) 。

（四）表面喷涂材料特殊的表面及表面喷涂有助于骨的长人。

假体表面处理有传统的粗糙钛表面和由钴铬、钛丝网或一些非金属的生物活性材料( 如羟基磷灰石或其它的钙磷化合物) 所形成的多孔表面。

用电化学方法可以形成比传统喷涂方法更好的表面( 如TiCaP) ，即使在孔、隙内的表面上也可以形成完美的镀层。

在形态上TiCaP 为微绒毛状，更利于骨组织的长入。

现在大多数人工椎间盘假体用钛合金喷涂在钴钼铬合金制成的终板上。

三、人工颈椎间盘的命名和分类20 世纪90 年代，随着众多类型人工椎间盘的不断问世，国际上颈椎研究团体提出适用于颈椎关节成形术的命名体系。

目前，人工椎间盘分为三大类型：无关节结合面、单一关节结合面和双关节结合面。

内植物的构成可以是金属与金属的设计、金属与高分子聚合体的设计、陶瓷与高分子聚合体的设计、或者是陶瓷与陶瓷的设计。

人工椎间盘可以是组合式的（具有可以更换的部件）或非组合式的（没有可以更换的部件）。

有些还配有与椎体固定的螺钉，有些则没有，个别人工椎间盘终板的设计具有促进骨质长入的生物固定的作用。

从运动方面来看，人工椎间盘可以是限制性的、半限制性的或非限制性的。

综上所述，人工椎间盘可以依据以下标准进行分类：关节结合面、材料、设计、固定、和运动学。

附图颈椎研究团体的人工颈椎椎间盘命名系统可以对各种颈椎间盘内植物进行分类四、人工颈椎间盘的发展过程1966 年，Fernstrom 报道了在将椎间盘切除后将不锈钢球置入椎间隙的研究结果。

总共有191 个假体植入到125 个患者体内（包括颈椎和腰椎），颈椎的假体直径为6-10 毫米，共置换了13 个椎间盘（8 位患者）。

术后长期随访显示大多数椎间隙高度未能得以维持，金属球沉入椎体中，所以这种手术逐渐被放弃。

具有活动功能的人工颈椎间盘出现于20 世纪80 年代，目前比较成熟并已经被美国FDA 批准进行临床研究的颈椎间盘假体主要有Bristol (or Pre stige) 和Bryan 两种假体。

20 世纪80 年代后期出现的Bristol 假体由两片凸凹面对合的不锈钢构件组成，属金属一金属界面关节。

并带有伸出的L 形柄侧翼分别将凸面或凹面构件固定于相邻椎体的前缘上，并可防止假体后移压迫脊髓。

Cummings 等在1998 年报道的20 例中19 例有既往手术史或先天性融合，18 例获得随访。

术后16 例症状改善并在影像学上可见假体关节的活动。

但是由于早期的经验不足，出现了较多的并发症。

最初的 5 例只使用了一枚螺钉固定每一侧的构件，有 3 例出现螺钉部分拔出， 1 例断钉， 1 例假体半脱位。

后来改用上下各二枚螺钉固定，但是还是出现 2 例螺钉部分拔出， 1 例断钉， 1 例半瘫， 3 例伴有轻度持续的吞咽困难， 1 例再次手术取出松动的假体。

而且这种早期的假体在多节段置换时有明显不稳定表现。

作者认为原因是没有考虑个体的解剖差异而采用了相同规格的假体。

侧翼过大可能是导致吞咽困难的原因。

由于关节的接触面都是金属的，不能吸收震荡，所以关节面相互摩擦产生的金属碎屑致使血清中的金属离子显著升高。

Bristol 椎间盘虽然存在疑义，但大部分患者颈椎的运动得以保留。

Wiegfield 等把Bristol 的半球形假体改为碟形设计，并对螺钉锁定也进行了改进。

即NF CJ(new Frenchay cervical joint) ，它是一种半限制型的关节，可以在三个平面上进行旋转，模仿人中下位颈椎的运动，生物力学上更接近正常颈椎的运动。

该关节可以进行一个或多个椎间盘置换。

他在2002 年报告的15 例患者既往均有手术或先天的颈椎节段融合史。

术后 2 年随访提示46% 的臂痛改善和45% 的颈痛改善。