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腰椎间盘退行性疾病（degenerative disc disease,DDD）是脊柱外科常见疾病，是成年人疼痛和伤残的主要原因之一〔1〕。传统观念认为腰椎融合术的临床效果是成功的，但它并不是一种完美的手术，没有保留脊柱的生理运动功能。现已证实腰椎运动节段的融合加快了邻近节段椎间盘及关节突关节的退变〔2〕。腰椎功能解剖学和生物力学领域深入的研究使得不同构造和材质的现代人工椎间盘装置的发展成为可能。人工腰椎间盘置换术（artificial disc replacement,ADR）作为腰椎融合之外治疗DDD的另一合理的选择，目的是使退变椎间盘引起的疼痛得到长期缓解，重建椎间隙高度以保护神经组织，保留脊柱运动以避免晚期关节突关节及邻近节段的病变。随着人工椎间盘研究的不断深入，在美国和欧洲的临床应用已证实短期内可以恢复脊柱的运动学和载荷特性，恢复脊柱功能单位的稳定性和运动能力〔3～6〕。本综述的目的是阐释人工腰椎间盘假体设计原理，介绍在欧美该领域研究及临床应用进展。
1 腰椎解剖及生物力学原理
对于正常及退变腰椎的解剖、生物力学及运动学有全面、准确的认识对设计一种成功的椎间盘假体有重要的意义。腰椎作为机械结构的复合体，提供躯干的正常运动，同时保证对躯干的支撑功能并保护神经组织不受损害。腰椎结构是稳定性和运动性的结合体，平移和旋转发生在三维空间。椎间盘是腰椎运动的主要约束与缓冲装置，允许一定范围和程度的运动〔7〕，既是最主要的运动限制装置，又是最主要的脊柱功能单位稳定装置〔8～10〕。前柱在直立时承担了躯干绝大部分的重量，后柱承担了身体16%的轴向载荷。亲水的髓核对纤维环产生张力，在抵抗压力和载荷时可以允许产生一定的移动〔11〕。30岁以后，髓核开始逐渐丢失水分，体积也慢慢萎缩，失去应力载荷的传导和分散作用，纤维环承担的载荷随之增加，从而逐渐变薄弱和破裂〔12〕。椎间盘退变可引起椎间隙高度的变化、终板的不规则及椎间盘的钙化，最终导致脊柱活动度的减少〔13〕。
基于腰椎解剖和生物力学基础的研究，成功的ADR假体的设计目标包括患者疼痛得到有效缓和控制，重建椎间隙高度以保护神经组织及恢复脊柱运动以避免邻近节段的病变。假体应最大程度接近正常生理椎间盘的尺寸和运动功能以避免减小或增加关节面的负荷。
2 腰椎间盘假体设计
脊柱运动的生物力学机理要求设计出一种能够重建和保留正常脊柱生理运动的假体。设计的难点是如何设计好每个腰椎运动节段旋转的中心，这个中心随着屈伸、侧屈和旋转运动而变化，且腰椎侧屈的同时伴有轴向旋转〔5〕。Gunzberg等综述了椎间盘假体设计的原理〔14〕，每个节段水平存在3个关节；椎间盘提供一种活动性与稳定性的复杂组合机理；某个运动节段旋转的中心随着该节段位置或姿势的改变而变化。最早的假体是由Fernstrom在上世纪50年代后期描述的〔11〕，当时采用了一种不锈钢球假体。从此ADR技术不断改善，假体的种类也有了很大的发展。迄今为止，已经设计出了100种以上的人工椎间盘假体，仅很少一部分在动物模型上得到试验，其中更少的达到临床应用的水平〔12〕。真正妨碍设计一种成功的假体的原因是缺乏一种可信度高的动物模型，人类直立行走的特性使人类腰椎的受力机理不同于动物。目前假体设计的主要原则是模拟椎间盘生理性运动，这些假体一般由金属和聚乙烯材料构成。
SB Charité是目前为止研究最深入的人工腰椎间盘假体，有超过10余年的令人满意的临床应用结果〔17〕。这种装置由两个钴铬合金终板及介于之间的超高分子量聚乙烯滑动髓核组成。每个终板都包括3个用来铆合的齿状突起和一个纯钛及羟磷灰石材料的外膜，用以加强它和椎体之间的生物固定。SB CharitéⅢ假体体外的生物力学测试结果为聚乙烯材料能够耐受1千万次疲劳试验〔16〕。尸体标本的脊柱生物力学研究提示这种假体能够保留L4、5节段的正常运动，其旋转中心是椭圆形可以移动的〔15～17〕。ProDisc Ⅱ同样包括3个部分：钴铬合金终板外表镀钛，2个纵向的翼状结构用来固定在椎体上，超高分子量聚乙烯核充填于终板之间。另一种假体Sofamor Danek（Memphis.TN）目前正在临床前期试验，它由一个金属球和金属杯构成。
2004年10月，FDA正式批准了SB Charité Ⅲ人工椎间盘应用于临床治疗L4～S1单节段腰椎间盘退变。与360°脊柱融合术对比，ProDisc Ⅱ假体的随机多中心试验临床试验已经完成，得出结论它的所有的指标都达到或者优于同样测试的作为对照的脊柱融合术。
3 适应证和禁忌证
应用新技术，病人的选择至关重要。目前ADR适应证规定为：年轻，单节段椎间盘退变，无骨质疏松，不伴严重的小关节病变，不伴腰椎不稳，无椎管狭窄或后方神经根受压。这些适应证与上述FDA试验的纳入标准相符合〔10〕。理论上讲，椎间盘置换适于各期退行性椎间盘病变。由于医疗费用高昂及存在的潜在风险，现常用于严重的椎间盘退变疾病。许多欧洲学者认为ADR指征包括有腰痛症状的椎间盘退行性病变和椎间盘切除术后失败综合征等。美国骨科医师协会（AAOS）将ADR的适应证列为：（1）有症状的椎间盘破裂；（2）有症状的椎间盘退变；（3）脊柱融合所致邻近节段退变不稳。禁忌证则包括：（1）手术节段的脊柱畸形；（2）严重的骨质疏松；（3）Ⅱ度以上腰椎滑脱；（4）骨性椎管狭窄；（5）手术瘢痕黏连引起的腰痛。
4 手术方法
在欧美，ADR通过前方入路经腹膜外植入假体，与前路腰椎椎间融合（ALIF）入路相似。手术步骤（以SB Charité Ⅲ人工椎间盘为例）简介如下〔10〕：沿腹中线做小切口，经腹膜外暴露脊柱前方，行标准的前路椎间盘摘除，注意不要破坏骨性终板。用撑开钳撑开椎间隙，设计好假体的尺寸后植入假体终板。假体中心的位置通过正位X线透视确定，侧位片上，由矢状面椎体中线向后2 mm的位置比较理想。聚乙烯椎在确定试核位置正确后植入，放开撑开钳，拍片确认假体植入成功，常规关腹。目前微创ADR也已经有了一定的发展。
5 临床应用研究结果
美国FDA对Charité Ⅲ人工椎间盘进行了多中心前瞻性研究〔10〕，56例患者中，最短随访时间为6周，仅22例患者随访时间在12周以上，52.7%的患者VAS评分得到改善，39.2%的患者ODI评分得到改善。McAfee等〔23、24〕报道了纳入FDA试验的60例患者的结果，41例患者用Charité Ⅲ假体行ADR，19例用BAK椎间融合器行ALIF，平均随访时间为2年，结果2组患者手术前后ODI评分都有显著改善，无假体因脱位或移植失败而被取出，并发症主要是手术入路不同造成。
FDA对Charité Ⅲ假体进行了2年多中心临床随访〔25、26〕，304个患者中205例行Charité Ⅲ假体置换，99名行ALIF作为对照。63%的试验组患者及53%的对照组患者临床效果满意，试验组术后6周和6个月随访ODI评分显著改善，75%的试验组和70%的对照组受试者VAS疼痛评分明显改善，试验组73%和对照组66%的患者生活质量评分至少改善了15%，Charité假体组患者腰椎活动度7.4°。置换术后2年有3例人工假体移位超过3 mm，试验组腰椎活动度相对基线平均增加13.6%，而对照组平均减少82.5%，试验组患者椎间隙高度明显高于对照组（P＜0.05），假体沉陷明显少于对照组。得出结论：Charité假体ADR疗效在2年内至少与ALIF相当。ADR手术可以恢复并维持术前腰椎活动度，相对于ALIF而言ADR可以更好的恢复椎间隙的高度和防止假体下沉。术后腰椎活动度及临床随访结果与手术精确性存在相关。
Cinotti等〔19〕报告应用Charité Ⅲ假体进行ADR共46例56个间隙，平均随访3.2年，63%的患者效果良好。既往有腰部手术史或者有2个水平椎间盘疾病的患者术后效果不佳。Lemaire等〔18〕曾报道应用Charité假体行ADR共105例154个间隙，平均随访51个月，腰腿痛改善率超过90%，87%的患者恢复工作。Zeegers等〔21〕报告应用Charité假体行ADR 50例75个间隙，平均随访时间2年，65%患者术后腰痛症状改善，其中15个患者术后止痛药服用减量或停用，43%患者术后恢复既往工作。12例患者经历了24次翻修手术，其中7个再次手术源于术后并发症（如术后血肿），6个是在植入假体的节段，11个是在其他节段。3例患者腿部感觉永久丧失，4例患者交感神经功能被永久阻断，1例术后假体移位造成大动脉的损伤。van Ooij等〔21〕报告27例患者应用Charité假体行ADR，平均随访时间53个月，主要的晚期并发症是椎间盘或关节面的退变以及假体的下沉。
Lemaire报告了应用Charité假体后临床和影像学随访结果〔22〕，100例患者随访超过10年，共植入147个假体，62%的病人获得了极好的临床效果，28%效果优良，10%疗效很差，95例病人恢复工作，63.2%的重体力劳动的病人恢复原工作。全部手术节段平均屈伸活动度为10.3°，平均侧方活动度为5.4°。矢状位上，6.1%的假体偏前，34%假体居中，59.9%假体位置中心偏后；冠状面上，75%假体居中，25%假体偏外侧。有1例椎间盘高度丢失1 mm，2个病人发现假体轻度下沉，但不需要二次手术。未出现假体半脱位，未见自发性脊柱融合，5个病人行Ⅱ期后路脊柱融合，优良率达到90%，经过至少10年的随访，Charité人工椎间盘具有极好的屈伸及侧方活动度而没有显著的并发症，优于文献中脊柱融合的疗效。
最近Putzier M报告了ADR术后17年临床和影像学随访结果〔28〕。71例中重度DDD患者共植入了84个Charité Ⅰ～Ⅲ型假体，53例患者在17年中得到了随访，60%的患者Charité人工椎间盘置换后导致了自发性脊柱融合，3种类型假体的临床结果并无显著差异，11%的患者需要再次手术，虽然17%的患者并未观察到人工椎间盘植入临近节段发生退行性变，但这些病人比那些自发性脊柱融合的患者满意程度要低。ADR目的是保留脊柱节段功能，进而替代脊柱融合术。术后短期效果可以肯定，但缺乏有关远期效果的报告。目前缺乏长期随访结果作为证据说明DDD患者行ADR疗效优于或至少等同于脊柱融合术。
目前对Charité Ⅲ椎间盘假体的研究结果证明了它确定在一定程度上取得了成功，但文献中反映出的问题和矛盾也很明显。目前为止，大多数发表的临床系列研究样本数量较小，缺乏随机对照，对并发症的报道不完全，缺乏长期随访结果。临床上应用的失败率、长期的疼痛缓解以及翻修术的选择等几个问题亟待解决。
Bertagnoli报道了应用ProDisc Ⅱ行ADR 108例134个间隙，超过90%的术后效果满意〔24〕。其中仅54名患者随访1年，平均随访时间未报道。对ProDisc Ⅰ假体植入后期的影像学评价结果显示〔29〕，利用Cobbs技术测量的在不同的脊柱水平的平均屈伸度在3.2°～4.5°之间。如果假体植入的邻近椎间盘有退变，植入假体节段的活动度相对于邻近椎间盘无病变的患者明显减小，平均1.6°。这个结果一定程度上也支持了保留病变节段的活动度可以减少邻近节段的退变发生的假设。Tropiano等〔30〕报道了53例应用此假体行单个或多个水平椎间盘置换的临床结果，平均随访时间1.4年，腰腿痛及ODI评分都有显著改善，72%的患者恢复工作。并发症有椎体骨折1例，假体移位2例，神经根痛2例，其中3例行翻修手术。
Zigler等〔31〕报告了FDA关于ProDisc假体的多中心前瞻性研究早期结果，试验组采用ProDisc Ⅱ假体行ADR 28例，对照组采用髂骨植入的360°脊柱融合11例，6个月的随访结果显示应用ProDisc Ⅱ行ADR有缩短患者康复时间、增加患者满意度的优点。临床试验得出结论为试验组所有的指标都达到或优于同样测试的作为对照组的脊柱融合术。Tropiano等〔32〕报告了应用ProDisc Ⅰ假体7～11年临床和影像学随访结果，改良的StaufferCoventry评分明显改善，55例患者中33例结果为优，8例为良，14例为差，性别和多节段手术不影响疗效，影像学检查未见假体松动、移位或机械性失败，5例患者出现与入路相关的并发症。
两种新的金属-金属的假体Maverick（MedtronicSofamor Danek,Minneapolis,MN）和FlexiCore（Spinecore,Summit,NJ）正在美国进行临床试验阶段，目前尚无相关资料报告。
6 讨论
前面讨论的2种假体目前应用最广泛，但它们不能代表腰椎间盘置换领域目前所有的设计、技术和研究，许多其他的假体正在临床前期试验〔11〕。目前作者可以得到如下结论：短期的疼痛缓解和功能恢复效果是良好的；目前植入的假体，在短期内是相对安全的；并发症往往和手术入路、手术操作有关，并非早期的移植失败；相对于脊柱融合术，缩短了术后康复时间。尚有几个问题没有完全解决：（1）相对于脊柱融合术的远期效果，这些设计和技术到底有没有真正意义上的进步；（2）疼痛缓解和活动度保持的长期效果如何；（3）体内这些假体的抗疲劳性及使用寿命如何；（4）假体磨损及产生的聚乙烯碎屑是否对假体周围神经组织造成晚期的损害；（5）翻修手术时会面临哪些问题及如何解决；（6）这些人工假体是否能如我们预想的那样可以阻止小关节病变和邻近节段退变的出现和进展。国外进行的大样本临床试验和序列研究将很好的推动对以上几个问题的阐释，可能要5～10年以后患者长期随访结果统计出来后才能得到有价值的资料。
7 前瞻
作者对腰椎间盘置换术持谨慎乐观的态度。虽然有经验的外科医生做这种手术短期效果良好，但需要长期的临床随访和研究改进手术方法、技术及假体设计。目前尚有几个问题没有解决：假体设计的成功与不足如何判定、目前ADR的适应证是否正确以及是否符合实际临床应用都需要大样本长期病例随访资料进行检验。在材料学发展的基础上进行进一步的研究，包括动物模型、实验室研究及临床研究，将不断改善假体的设计和材料的选择。
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作者单位：（卫生部北京医院骨科，北京 100730）