人工椎间盘置换术在颈椎间盘病治疗中的应用 .doc
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参见附件(308kb)。
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 ......
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 ......
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