The role of intraoperative neurophysiological monitoring in prediction of neurological outcome after spine surgery

Background: Spinal surgery represents the treatment of choice for numerous degenerative, traumatic, and neoplastic conditions of the vertebral column. These procedures, however, are associated with an inherent risk of intraoperative neurological injury, which may result in postoperative motor and/or sensory deficits. To mitigate this risk and allow timely corrective action by the surgical team, intraoperative neurophysiological monitoring (IONM) has been introduced. Through electrophysiological techniques, IONM enables real-time assessment of the integrity of sensory and motor pathways and nerve roots. Objectives: This study was designed with four primary aims: (1) to determine whether TcMEP values undergo measurable changes between the beginning and the end of surgery, serving both as early warnings of spinal cord stress or injury and as potential indicators of improved motor conduction; (2) to compare changes in amplitude (µV) and stimulus intensity (mA) in order to assess whether the two parameters provide concordant information; (3) to evaluate whether intraoperative TcMEP improvements correlate with postoperative and long-term outcomes, including neurological function and pain, thereby extending the role of monitoring from a safety measure to a possible prognostic tool; and (4) to identify the diagnostic categories that benefit most from the prognostic use of TcMEP changes. The overarching objective of this thesis is to promote a more evidence-based and patient-centered application of intraoperative neurophysiological monitoring. Materials and Methods: A retrospective analysis was performed on 136 patients who underwent spinal surgery at the Orthopedics and Traumatology Unit of Padua Hospital. One patient was excluded due to missing postoperative monitoring, leaving 135 cases for evaluation. Patients were categorized into three groups according to intraoperative TcMEP trajectory (improvement, stability, or deterioration) based on predefined criteria applied to either stimulus intensity (mA) or muscle response amplitude (µV). Analyses were conducted separately for each metric. TcMEP changes were correlated with clinical outcomes, assessed using the Visual Analog Scale (VAS) for pain and the Frankel scale for neurological function, measured preoperatively, postoperatively, and at scheduled follow-ups. In addition, patients were stratified by underlying pathology to explore diagnosis-specific trends. Results: With respect to amplitude, 21 patients showed improvement (0.6% ± 306%), 31 remained stable, and 83 deteriorated. Regarding stimulus intensity, 59 patients demonstrated improvement (12.8% ± 49.7%), 42 showed no significant change, and 34 worsened. The rate of VAS improvement across groups was 45% ± 98.7%, 42% ± 79.1%, and 53.5% ± 81.3% for amplitude, and 48.6% ± 54.3%, 52.5% ± 55.6%, and 53.3% ± 58.9% for stimulus intensity, with no statistically significant differences in patients who exhibited TcMEP improvement. Comparison by pathology indicated that disk herniations showed a slightly greater early postoperative improvement, though long-term outcomes were comparable across diagnostic categories. Conclusions: Variations in TcMEP monitoring values differed substantially depending on whether amplitude or stimulus intensity was considered. Nonetheless, improvements in TcMEP parameters did not correlate with clinical recovery in our cohort, contrasting with some findings reported in the literature. Moreover, at long-term follow-up, improvements in both pain and motor function were found to be comparable across different surgical procedures, suggesting that the prognostic role of TcMEPs requires further validation.

Presupposti dello studio: La chirurgia spinale rappresenta l’opzione terapeutica di riferimento per numerose condizioni degenerative, traumatiche e neoplastiche della colonna. Tali procedure comportano tuttavia un rischio intrinseco di danno neurologico intraoperatorio, potenzialmente responsabile di deficit motori e sensitivi postoperatori. Per ridurre tale rischio e consentire un intervento correttivo tempestivo da parte dell’équipe chirurgica, sono state introdotte le tecniche di neuromonitoraggio intraoperatorio (IONM), che attraverso metodiche elettrofisiologiche permettono di valutare in tempo reale l’integrità delle vie motorie, sensitive e delle radici nervose. Scopo dello studio: L’indagine si propone quattro obiettivi principali: (1) verificare se i TcMEP presentino variazioni significative tra inizio e fine intervento, utili sia come allerta precoce di stress midollare sia come indicatore di un miglioramento della conduzione motoria; (2) confrontare le variazioni di ampiezza (µV) e di soglia (mA) per valutare la concordanza informativa dei due parametri; (3) esplorare se i miglioramenti intraoperatori dei TcMEP si correlino con gli esiti clinici a breve e lungo termine (funzione neurologica e dolore), trasformando il monitoraggio da strumento di sicurezza a potenziale marcatore prognostico; (4) individuare le categorie patologiche che traggono maggiore beneficio dall’analisi delle variazioni dei TcMEP. L’obiettivo complessivo della tesi è contribuire a un impiego più evidence-based e patient-centered del neuromonitoraggio intraoperatorio. Materiali e metodi: È stata condotta un’analisi retrospettiva su 136 pazienti sottoposti a chirurgia spinale presso l’Azienda Ospedaliera di Padova, con esclusione di un caso privo di follow-up postoperatorio. I soggetti sono stati suddivisi in tre gruppi in base all’andamento intraoperatorio dei TcMEP (miglioramento, stabilità, peggioramento), applicando criteri predefiniti alla soglia (mA) e all’ampiezza muscolare (µV). I gruppi sono stati analizzati separatamente per ciascun parametro e i risultati correlati con lo stato clinico, valutato tramite Visual Analog Scale (VAS) per il dolore e scala di Frankel per la funzione neurologica, registrati in fase preoperatoria, postoperatoria e nei follow-up. I pazienti sono stati inoltre stratificati per patologia al fine di esplorare eventuali differenze specifiche. Risultati: Per l’ampiezza, 21 pazienti hanno mostrato un miglioramento (0,6% ± 306%), 31 non hanno evidenziato variazioni significative e 83 hanno avuto un peggioramento. Relativamente alla stimulus intensity, 59 pazienti hanno registrato un miglioramento (12,8% ± 49,7%), 42 stabilità e 34 peggioramento. I miglioramenti della VAS non hanno mostrato differenze statisticamente significative tra i gruppi: 45% ± 98,7%, 42 ± 79,1%, 53,5% ± 81,3% per l’ampiezza e 48,6% ± 54,3%, 52,5% ± 55,6%, 53,3% ± 58,9% per la stimulus intensity. L’analisi per patologia ha evidenziato un miglioramento leggermente più marcato nelle ernie discali nel postoperatorio, che tuttavia tende a uniformarsi nel lungo termine rispetto alle altre condizioni. Conclusioni: Le variazioni dei TcMEP differiscono in maniera rilevante a seconda che vengano analizzati i valori di ampiezza o di soglia. Tuttavia, nel nostro campione il miglioramento dei TcMEP non si è correlato a un recupero clinico significativamente migliore, in contrasto con parte della letteratura. Inoltre, è stato osservato che, a distanza di tempo, sia la riduzione del dolore sia il miglioramento funzionale risultano comparabili tra le diverse tipologie di intervento, suggerendo che l’uso dei TcMEP come indicatore prognostico richieda ulteriori conferme.