人工椎间盘置换术在颈椎间盘病治疗中应用.docx
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人工椎间盘置换术在颈椎间盘病治疗中应用
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BioDur108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Cervidisc,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(orPrestige)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NFCJ(newFrenchaycervicaljoint),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。
并发症包括1例螺钉断裂,2例短暂的声音嘶哑。
1例置入后又被取出,作者认为是由于术中去骨太多所致。
其他所有假体功能良好。
但是NFCJ的关节面仍是金属一金属结构,无法吸收震荡。
此外,Pointillart等设计了L形碳素颈椎间盘假体装置。
该假体关节由凸形碳素假体与凹形的上位椎体终板构成关节。
在2001年报道的10例中8例临床症状改善但仍有潜在疼痛,但是影像学检查显示,手术节段的运动没有被保留,1例因术后持续性疼痛而取出假体并进行融合。
目前在欧洲应用较多的是Bryan人工颈椎间盘。
假体采用复合材料制成,上下终板为钛合金材质,表面凸起并呈微孔状,每个壳外层设计由250μm的小钛珠构成微孔钛层,便于骨质长入实现生物固定。
上下终板之间是人工髓核,为高分子材料聚胺酯,具有高耐磨性。
最外层的鞘是由聚胺酯材料组成,具有半透膜性质,连接上下终板,将髓核包在其中,并灌满生理盐水。
由于髓核是被封闭在半透膜内,因此即使产生磨损,细小微粒也不会对周围组织造成影响,从而避免了炎症反应,并可防止软组织的卡入和假关节囊的形成。
Bryan人工椎间盘置换术最早由JGoffin在2002年报告。
60例单节段、平均12个月的随访。
优良率为85-90%,未见假体下沉,由2例出现可疑假体移位。
在置换节段未见骨桥形成。
颈椎的节段性运动得到了比较好的保留。
2003年他再次报道了应用Bryan系统治疗单节段一双节段椎间盘退行性疾病的多中心中期随访观察,临床优良率仍然超过了85%,假体运动功能良好,屈伸范围单节段平均7.9°±5.3°、双节段平均7.4°±5.1°。
Bryan人工椎间盘的发明者、美国脊柱外科医师VincentE.BryanJr报告了一组多中心研究、最长随访2年的97例单节段Bryan人工椎间盘置换术的结果。
89%的患者获得了神经系统症状的明显改善,优良率达到89%。
影像学检查未见假体下沉现象,假体在前/后方向的位移达到2mm者有1例,其原因是椎体终板削磨不到位所至。
并发症:
1例出现一过性呼吸困难,2例由于减压不彻底出现肩臂痛改善不满意。
在1年随访时,86%(38/44例)患者置换节段的屈/伸活动度等于或大于2度,平均为8度。
2年随访时100%(10/10例)患者置换节段的屈/伸活动度等于或大于2度,平均为11度。
另外Sekhon在2003年报告一组单节段7例、最长17个月的随访证实Bryan人工椎间盘置换术后颈椎运动节段的活动得到了比较好的保留,但是在增加椎间隙的高度方面似乎不如椎体间植骨明显。
Bryan人工椎间盘置换手术适应症:
脊髓型颈椎病、神经根型颈椎病、颈椎间盘突出症需要进行前路减压,不存在明显椎间隙退变,节段性不稳定者。
手术禁忌症:
严重骨质疏松症、严重节段性不稳定、创伤、肿瘤、感染等。
五、人工颈椎椎间盘的生物力学研究
(一)对相邻节段运动的影响
人们通常认为颈椎的椎体间融合可加速相邻节段的退行性变,因此设计发展了颈椎人工椎间盘技术,并期望其成为替换融合手术的一种方案。
Wigfield等利用McNaly和Adam在研究腰椎间盘时采用的技术方法,分析比较了Bristol人工颈椎间盘置换、前路cage+颈椎钢板固定及对照组相邻节段椎间压力的分布情况。
该研究测量了在4种不同体位下的应力分布和屈曲位下在髓核和纤维环内的盘内压。
运动分析结果提示假体与正常组的应力分布类似,但4组的均值和峰值在不同体位上无统计学差异。
假体组仅在髓核前部应力分布小于融合组。
以往对于行前路颈椎间盘切除融合术的患者,医生们常常忽略了后纵韧带的作用,认为后期其力学作用对于融合节段来说已无意义。
解剖上后部纤维环中间部分与后纵韧带紧密相连,并延续成为后纵韧带的一部分。
McAfee提出了功能性后纵韧带的概念,并从生物力学的角度评价了后纵韧带在颈椎间盘置换术及非融合中的重要性。
他测量比较了正常组、前路椎间盘切除保留后纵韧带组、带有微孔外层设计的保留后纵韧带的PCM假体组(lowprofileporouscoatedmotioncervicaldiscreplacement)、椎间盘+后纵韧带切除组、带有螺钉固定系统不保留后纵韧带的PCM假体组、单纯三面皮质骨移植组、植骨+颈椎钢板组共7组标准6方向的运动。
结果单纯前路椎间盘切除组稳定性明显高于椎间盘+后纵韧带切除组。
7组轴向压缩无明显差异。
旋转测量:
椎间盘+后纵韧带切除组、三面皮质骨移植组与其它各组有显著性差异。
屈伸测量:
椎间盘十后纵韧带切除组、三面皮质骨移植组、椎间盘切除与其它各组有显著性差异。
侧屈测量:
椎间盘十后纵韧带切除组与各组有显著性差异。
使用保留和不保留后纵韧带的PCM假体与正常组在运动范围上无统计学差异,可见PCM假体的稳定性良好。
而上述的Bryan假体与保留后纵韧带的PCM假体相似,Bristol(orPrestige)假体与不保留后纵韧带的PCM假体相似。
而且临床上在减压术中为了恢复椎间高度也常常进行牵引。
这可导致外侧纤维环、钩突韧带,外侧关节囊韧带的力学性能改变,从而使后纵韧带在椎间盘切除后对稳定性显得尤为重要。
全膝关节置换术已形成了区分后交叉韧带保留和不保留型两种假体的概念。
因此在颈椎间盘置换手术中也许应该根据后纵韧带是否处于减压范围内来选择不同类型的假体。
此外12只进行假体置换的山羊术后6个月未出现假体松动、神经并发症和来自磨损颗粒的炎症反应。
(二)磨损分析
关节置换术失败常常由于磨损和继发的微颗粒样物质形成,并随后继发的炎症反应。
因此测量新型假体的磨损是十分必要的。
Anderson和McAfee对椎间盘假体进行了磨损分析。
Anderson以Bryan系统为对象,同时进行了磨损分析和动物的生物学反应评价。
对6个假体在一个颈椎模拟器上进行了1或4千万次负荷和运动,3个附加负荷,碎屑均采用美国材料协会ASTM的标准进行检查;在2只大猩猩身上进行局部反应观察;9只山羊进行了局部和远处组织的生物学反应观测;3只山羊进行关节融合术作为对照组。
结果模拟的日常活动的负荷和运动的碎屑量为1.2mg/百万次。
每百万次高度减少0.02mm,其中77%是由于持续压力负荷下髓核的蠕变所致。
产生的颗粒直径平均3.9pm。
碎屑存在于假体周围和硬膜外,没有观察到明显的炎症反应,且在远处器官如淋巴组织、肝脾中也未发现磨损颗粒。
由此认为Bryan系统的磨损特性良好,不会产生明显的炎症反应。
六、Bryan人工椎间盘置换手术操作要领
1.术前准备:
常规颈椎前路术前准备,并进行气管推拉练习3-5天,以减少术后咽部刺激症状。
摄颈椎正、侧位和过屈过伸侧位X线片。
进行手术节段上、下位椎体的CT平扫,扫描部位包括椎体中部以及接近终板水平,扫描平面与终板平行。
根据CT测量预选相应直径的假体。
2.手术操作要点(以C5-6节段为例):
(1)病人仰卧位,颈肩部垫薄枕,保持颈部呈中立位。
C-臂机透视确定C5椎体后上角与C6椎体后下角的连线与量角标尺上垂直线的夹角度数(C5-6椎间隙与垂线的夹角度数)(图1)。
(2)右侧颈前常规入路,C-臂机透视定位。
安装牵引支架并与手术台固定。
安放颈长肌拉钩和切口上、下端拉钩并与牵引支架固定(图2)。
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图1C-臂机透视确定C5椎体后上角与C6椎体后下角的连线与量角标尺上垂直线的夹角度数。
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图2安装牵引支架并与手术台固定安放颈长肌拉钩和切口上、下端拉钩并与牵引支架固定。
(3)用小刀和刮匙切除前纤维环、髓核组织和软骨板至两侧钩突。
用球形磨钻去除相邻终板前缘的骨赘,手枪式椎板咬骨钳切除部分C5椎体前下缘(图3)。
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图3用球形磨钻去除相邻终板前缘的骨赘,
手枪式椎板咬骨钳切除部分C5椎体前下缘。
(4)用椎间撑开棒逐级撑开椎间隙至8.5mm高度。
用横向中点定位仪确定C5椎体前缘横向中点并标记。
将矢状位楔形定位器的弧面中心对准C5椎体横向中心点并插入椎间隙,确认矢状位楔形定位器的停止柄与C6椎体前缘紧密接触(图4)。
(5)将双通道磨钻钻套套入矢状位楔形定位器并确认其中的固定钻套已经与C6椎体前缘紧密接触。
将顺列模块套入矢状位楔形定位器。
将磨钻钻套夹与牵引支架头侧端固定。
将牵引柄调整至所需度数并套入矢状位楔形定位器并与顺列模块连接,借助水平定位仪调整双通道磨钻钻套至四个方向均呈水平位。
用头、尾侧触针插入顺列模块上的孔确认已经与C6和C5椎体前缘接触(图5)。
经顺列模块上的孔在C6和C5椎体前缘钻孔,拧入撑开器螺钉。
调整可调钻套使之与C5椎体前缘接触并确认(图6)。
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图4将矢状位楔形定位器的弧面中心对准C5椎体横向中心点并
插入椎间隙,确认矢状位楔形定位器的停止柄与C6椎体前缘紧密接触。
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图5用头、尾侧触针插入顺列模块上的孔确认已经与C6和C5椎体前缘接触。
(6)用磨钻测深尺测定最靠前的椎体(C6)深度。
根据术前CT测量,选取相应长度的柱状削磨钻。
削磨C5和C6终板(图7)。
选取相应直径终板盘状削磨钻,分别削磨C5和C6终板至成形(图8)。
用刮匙和手枪式椎板咬骨钳刮除后骨刺直至后纵韧带,如果后纵韧带破裂,应当切开后纵韧带并取出游离的椎间盘髓核组织。
使脊髓获得完全减压。
插入假体撑开器。
取下双通道磨钻钻套。
(7)准备相应规格Bryan人工椎间盘,生理盐水灌注,压缩成型后植入椎间隙。
取下椎间撑开器螺钉,稳定。
冲洗。
C-臂机透视观察假体位置。
止血,置负压引流管一根,关闭伤口(图9)。
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图6经顺列模块上的孔在C6和C5椎体前缘钻孔,拧入撑开器螺钉。
调整可调钻套使之与C5椎体前缘接触并确认。
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图7根据术前CT测量,选取相应长度的柱状削磨钻。
削磨C5和C6终板。
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图8选取相应直径终板盘状削磨钻,分别削磨C5和C6终板至成形。
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图9准备相应规格Bryan人工椎间盘,生理盐水灌注,压缩成型后植入椎间隙。
3.术后管理:
负压引流在术后24小时后拔除。
术后第一天可以坐起,第二天可以离床活动。
卧床时不需要围领,起床后软质围领保护1-2周,便于伤口及深部组织愈合,之后去除围领保护,正常活动颈部并进行项背肌锻炼。
术后1个月、3个月和6个月时门诊随访,摄颈椎正、侧位和过屈、过伸侧位X线片。
七、Bryan人工椎间盘置换术治疗颈椎间盘病在我院的应用
(一)临床资料
自2003年12月至2005年5月共有45例患者接受了前路椎间盘切除、人工颈椎椎间盘置换术并获得了随访。
男性25例,女性20例。
平均年龄37.5岁(21岁-54岁)。
诊断:
脊髓型颈椎病35例、急性颈椎间盘突出症导致神经根或脊髓损害5例、神经根型颈椎病5例,45例中合并发育性颈椎管狭窄者7例。
平均病程7.5个月(0.5-14个月)。
脊髓型颈椎病术前JOA评分平均8.5分、40分法平均23.5分。
45例中单节段置换35例,双节段置换9例(其中1例为跳跃式),三节段置换1例。
总共置换56个节段,分别为C3-4节段4例、C4-5节段8例、C5-6节段36例、C6-7节段8例。
手术时间:
单节段平均85分钟(65-100分钟)、双节段平均115分钟(90-140分钟)、三节段为150分钟。
出血量:
单节段平均55ml、双节段平均85ml、三节段为100ml。
45例患者的平均随访时间8个月(1个月-12个月)。
至随访时脊髓型颈椎病患者的JOA评分平均