椎弓根螺釘輔助置入的研究進展

申洪全綜述，柯珍勇審校（重慶醫科大學附屬第二醫院骨科，重慶 400010）

自Roy－Camille等［1］20世紀70年代報道脊柱椎弓根釘技術后，經過了多年的發展成為目前治療脊柱疾病的一個主要技術。但脊柱椎弓根螺釘置釘技術操作復雜且學習曲線較長。因為脊柱手術過程中可供辨認的解剖標志有限、椎弓根形態變異等因素使得螺釘的置入非常困難。此外，椎弓根周圍許多重要的神經和血管結構及其變異性也增加了置釘準確的難度。值得關注的是，在開路錐直接穿破椎弓根壁后損傷血管神經和不當的放置螺釘存在將神經和血管結構損傷的嚴重危險。這種椎弓根壁破損后神經血管損傷可導致許多潛在的問題，例如感覺異常、神經損傷和大量失血。誤置螺釘也可以導致內固定失敗或假關節形成。因此，即使對經驗豐富的脊柱外科醫生，僅僅依靠手感作為引導也難免出現意外而導致各種嚴重后果。面對這些挑戰，依靠現代科技富有成效的導向技術應運而生。本文就近期一些輔助置釘技術進行介紹，綜述其現狀與進展。

1 計算機輔助手術規劃和仿真技術

計算機輔助手術規劃和仿真系統是依靠計算機技術對手術擬訂方案進行思考和仿真。它通過術前獲取的相關醫學圖像進行三維重建模型，在三維模型上進行相關解剖學測量（長、寬、面積等），對手術對象獲取更為直觀地了解以便指導椎弓根螺釘等內置物的選擇和使用。通過模擬可用確定手術路徑、組織切割讓手術醫師更加了解手術的過程。

Aubin等［2］在脊柱側凸畸形矯正時應用S3系統，該系統能夠在虛擬系統內進行相關操作后評估不同術前計劃及不同內固定方式的手術效果，從而可以從計劃中選擇最佳的術式。Aurouer等［3］采用Spine View 軟件對11例脊柱畸形患者進行術前計劃，對不同術式進行評估并采用最佳的手術方式，11例患者術前規劃后，術后有8例與術前計劃一致。

2 計算機輔助個性化手術

個性化手術治療是骨科臨床技術的發展方向，結合逆向工程原理和快速成形技術為脊柱椎弓根螺釘置入開辟了一種的個體化方法。它目前主要采用CAD－RP技術構建個性化椎弓根導航模板及椎體模型。個性化的導航模板可實現對應椎體椎弓根的定位和定向，從而提高置釘的準確性和節省手術時間。椎體模型具有直觀感、可視性和可觸摸性，能對椎弓根釘置入進行術前規劃、指導術中操作。

陳國平等［4］通過對下頸椎個體化設計，制作了54個導航模板，術中在其指導下共輔助置入108枚頸椎椎弓根螺釘。術中將椎板后方軟組織剝離干凈后導航模板均與相應的頸椎后部骨性解剖結構貼合良好，椎弓根螺釘均順利的置入，僅需完成后透視1次，無血管和神經損傷的并發癥。王遠政等［5］成功建立了和擬手術標本高相似度的頸椎實物模型，通過術前觀察、測量設計了各個椎弓根置釘的相關參數，成功置入148枚頸椎弓根螺釘，術后CT 掃描示140枚在椎弓根皮質內，8枚稍穿出椎弓根皮質骨。

3 手術導航和監測系統

3.1 影像輔助導航技術

3.1.1 術中X 線片透視對實施脊柱手術椎弓根螺釘內固定的患者，術中透視提供二維圖像，且一般術中進行側位透視下指導螺釘置入。在椎弓根鉆孔或置入螺釘時進行透視，通過正側位透視二維圖像可評估螺釘置入的準確性。但其代價是患者和醫生將接受大劑量的射線輻射。射線輻射的劑量取決于術中透視的次數和時間。Fu等［6］在通過胸腰椎X 透視引導椎弓根螺釘置入的報道中稱，利用透視可使置入的準確性達93.2%，該類手術優點可不需要術前CT 掃描，且監測具有實時性。由于從二維圖像獲得的信息有限，為了進一步評估螺釘植入的準確性，3D 透視技術應運而生。其特點是在不同的角度和方向進行多次透視，然后對獲得2維圖像進行重建。其代價是比一般透視更高的射線暴露。Ito等［7］報道利用該技術頸椎螺釘植入的成功率達97.2%，即使發生誤置（2.8%）的患者也均無臨床癥狀。目前國內北京積水潭醫院引進的德國西門子“Iso－C”C型壁，對頸椎行椎弓根螺釘置入，共置釘142枚，椎弓根內達136（準確率95.8%）［8］。

3.1.2 計算機輔助手術計算機輔助手術也稱為計算機導航手術（手術導航技術），是通過標記物和相關的軟件，使得醫生能夠實時追蹤和檢測手術器械與患者解剖結構的相對位置。其目的在于完善術前計劃、減少失誤，從而提高患者的治療效果。同樣可以允許高年資外科醫生在旁邊監測低年資住院醫生的操作過程，并予以指導［9］。模擬的路徑圖則是由術前及術中的CT 和MRI掃描構成。通過手術器械上的跟蹤傳感器或信號傳送器，可在路徑圖上面定位手術器械的位置［10－11］。一系列的商品化傳感器包括電磁傳感器、超聲傳感器以及光學傳感器。光學傳感器較小，被動接受或主動發送光學信號；而電磁傳感器主要由小的線圈構成；基站感知到這些傳感器的位置，而后中轉到計算機。可以模擬最佳椎弓根螺釘通道路徑及實時具體地了解椎弓根釘道的制作過程。

郭東明等［12］首先使用紅外光影像導航系統對20例腰椎不穩患者行椎弓根螺釘內固定，將置入后影像與導航虛擬路徑對比得出：椎弓根釘進入點偏差平均2.2mm（最大3.3mm）、平均角度偏差3°（最大5°）、平均軸線角度偏差2°（最大4°）；術后CT 掃描得出按4個級別分類：彎曲在椎弓根內為0級，涉及皮質為1級，分別為94枚（椎弓根內96%）、4枚（4%）；2級（小于2mm）1枚；3級（大于2 mm）1枚。劉亞軍等［13］使用CT 導航輔助頸椎椎弓根釘置入，椎弓根釘滿意率為97.5%，患者術中、術后均未出現明顯神經、血管并發癥。

迄今為止，各大學和科研機構合作研發了百余套計算機導航系統，盡管一些仍在試驗階段。目前，應用最多的、商業化導航系統包括ARCADIS Orbic 3D、奇目成像移動式X 線系統、StealthStation O－Arm、eNLight and NavSuite 以及VectorVision。

3.2 非影像導航／監測技術

3.2.1 神經電生理監測判斷螺釘位置神經電生理監測是以肌肉和神經細胞電活動為基礎，用來術中評估評估脊髓、神經的電位活動情況。如果椎弓根通道制作及螺釘置入過程存在異常，將刺激到脊髓、神經受將產生異常的電活動，因此可識別椎弓根通道是否正確。目前常用的監測方式有以下3類：運動誘發電位（MEP）、體感誘發電位（SEP）和肌電圖（EMG）。以上監測方法均有其靈敏性和特異性，如May等［14］曾報告SEP在頸椎手術中靈敏性可達99%，但特異性僅27%。因此Sloan等［15］提出了多模式術中監測方式（MIOM），它是結合兩種及以上的監測技術來綜合評估脊髓、神經根功能完整性神經電生理監測技術，從而反映椎弓根側壁是否存在破壞。目前MIOM 是主流監測方式，不僅可以全面監測神經脊髓上行、下行傳導的完整性，還能最大程度上避免監測的假陽性和（或）假陰性的發生。相關研究分析表明MIOM 模式假陰性率僅0%～0.79%。Azabou等［16］在脊柱側彎中行椎弓根螺釘置入矯形中發現以下因素會影響神經電生理監測的準確性和特異性：特發性脊柱側彎、術前常規神經系統的異常體征、術前MEP 和SEP記錄值。在以后的工作中，還需深入研究才能提高神經電生理對椎弓根置入過程的準確監測。

3.2.2 組織電導率植入監測技術（ECD）在低頻電流作用下，不同組織結構的電阻抗存在明顯差異，是電阻抗分辨皮質骨、松質骨以及結締組織的基本原理。Myers等［17］通過研究表明完整的椎弓根皮質骨電阻抗比松質骨及軟組織的電阻抗大得多，在被皮質骨穿破時，監測到的電阻抗將明顯減低。因此，椎弓根探查時通過監測電阻抗的變化，可以及時發現椎弓根皮質骨穿破與否，這樣就可使椎弓根螺釘正確放置在椎弓根內。

目前美國Spine Vision 的開發電導率監測裝置Pedi－Guard，它將傳導性監測轉換為視覺和聽覺信號。Chaput等［18］通過該裝置對18例腰椎退變性疾病需行后路椎弓根置入的患者進行隨機對照試驗，共置入78枚椎弓根螺釘（徒手置入39枚vs.PediGuard監測置入39枚）。術后通過CT 評判置入螺釘的位置。以穿破側壁大于或等于2mm 為標準，兩組均發生1例，其準確率均為97.5%，且差異無統計學意義（P ＝1.000），但PediGuard監測組每1枚螺釘透視時間減少30%。而Koller等［19］用于尸體頸椎行前路及后路椎弓根釘置入，術后CT 矢狀位及橫斷面分析發現，前路椎弓根釘準確率達到100.0%，后路椎弓根釘穿破率11.1%。該裝置不僅無輻射、價廉、易學，還不影響外科醫生的操作習慣。

4 手術培訓系統

利用可行手術模擬培訓系統訓練住院醫生，或有助于減少螺釘誤置的發生。第1個相關研究可追溯至2002年，該研究成果是一個小的、獨立的電腦軟件，它可模擬螺釘置入不同的椎體（T10－L5）。隨后的2008年，Rush等［20］研發并應用了骨盆及骶骨微創螺釘精確置入模擬器。該模擬器以CT 掃描圖像為基礎，呈現為具有個體特異性的三維圖像。

Klein等［21］制作了一個軟件模擬系統，旨在讓住院醫師熟悉脊柱三維解剖以及學習椎弓根螺釘置入。使用者可將從尸體獲得的脊柱三維CT 掃描圖像輸入該系統，然后利用屏幕上的模擬螺釘學習不同的椎弓根螺釘置入。該系統可使脊柱影像變得半透明并可觀察到螺釘置入的軌跡，以及顯示是否穿透骨皮質及其程度并對使用者的表現進行打分。

Podolsky等［22］為了證明上述模擬系統是否有助于縮短訓練時間進行了初步研究，他們將住院醫生分為兩組：試驗組首先利用上述的模擬系統對標本椎弓根的螺釘置入進行模擬練習，然后再在尸體標本上置入椎弓根螺釘；對照組直接置入螺釘。但結果發現，兩組間差異無統計學意義（P＞0.05）。其原因可能是試驗方法不當，選取的試驗標本生前患有轉移癌以及嚴重的骨質疏松，使得螺釘置入過程中穿透皮質的概率增加。通過對學員及相關培訓機構的調查一致認為操作模擬系統有利于學員掌握復雜的、特異的脊椎三維解剖。由此可推斷，此類模擬系統具有教育意義。

5 手術機器人

隨著微創脊柱外科的發展，經皮椎弓根釘應用廣泛，給患者帶來較少創傷的同時也存在較高的誤置率和手術醫師也接受大量的輻射。機器人輔助椎弓根螺釘置入能滿足脊柱技術精細、準確、穩定、防止血管神經損傷要求。術者應用機器人系統的三維成像功能與導航技術使二維影像學無法看到解剖結構轉換為實時動態的三維圖像，實現脊柱解剖結構立體可視化，提高術前手術規劃的質量和手術術中操作的準確度。同時，還可以幫助醫師完成人手難以完成的手術操作。

Pechlivanis等［23］應用FDA 皮質的脊柱外科機器人系－Spine Assist微創行腰椎后路減壓椎間植骨融合術，共置入133枚椎弓根螺釘，術后結果與術前計劃對比偏差小于2 mm的達到91.0%～98.5%。Devito等［24］通過多中心應用Spine Assist指導下置入664枚螺釘的回顧性分析得出：98.3%的螺釘在安全區域內（螺釘完全在椎弓根內或超出小于2 mm），＞2～4mm 的螺釘占1.4%，＞4mm 的螺釘占0.3%。綜上所述，機器人輔助椎弓根螺釘置入較明顯提高螺釘置入的準確度，降低神經血管損傷的風險。

6 展望

隨著計算機軟硬件及相關學科的發展，彌補了傳統置釘的不足。利用現代科技提高置釘準確性，降低手術風險，是椎弓根螺釘技術安全開展和普及的保障。但是以上輔助置釘技術均存在優缺點，例如專業要求強、費用高等問題。臨床上根據患者經濟情況、醫療水平、醫師的能力結合使用，讓脊柱外科醫生能夠更準確、安全、方便地實施椎弓根螺釘的置入及相關骨科手術，使椎弓根螺釘技術具有更強的生命力。

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