改良經皮椎弓根穿刺技術的研究進展

許峻川，費琦，楊雍，孟海，李健

(首都醫科大學附屬北京友誼醫院骨科，北京 100050)

經皮椎弓根穿刺技術目前已經廣泛應用于經皮椎體成形術(percutaneous vertebroplasty，PVP)、經皮椎體后凸成形術(percutaneous kyphoplasty，PKP)、經皮椎體活檢、經皮椎弓根螺釘內固定等手術中，適應證包括椎體壓縮性骨折、椎體惡性溶骨性腫瘤、侵襲性椎體血管瘤等。作為一種微創脊柱外科的基本技術手段，其具有創傷小、出血少、恢復快等優點，在臨床實踐中不斷得到推廣，但是依然存著放射暴露大、操作時間長、穿刺失敗風險高等缺點。近年來隨著影像設備和計算機輔助技術的發展，各種改良的經皮椎弓根穿刺技術不斷涌現。本文就目前常見的改良經皮椎弓根穿刺技術的研究進展綜述如下。

1 傳統經皮椎弓根穿刺技術及缺陷

經皮椎弓根穿刺技術目前主要適用于胸腰椎節段，傳統技術主要依賴術中C型臂X線機反復透視。術中標準正位以患椎體下緣為“一線影”的基準，在標準正位下用克氏針確定椎弓根位置并在皮膚做標記。皮膚入點在胸椎T4～12節段上常選擇棘突旁開3～4 cm，而腰椎椎弓根粗大，常棘突旁開4～8 cm[1]。穿刺針外展角大小因手術節段的變化而不同，根據袁翠華等[2]對60具尸體的椎弓根穿刺和影像研究發現，穿刺最佳外展角在L1～4節段為5°～10°之間，而L5一般為20°，最大不得超過25°，胸椎T6～12為5°左右。在側位透視上當穿刺針進入椎弓根1/2時，正位像穿刺針尖端應該位于椎弓根影中線處。椎弓根內部穿刺時，需多次透視保證穿刺針位于椎弓根內。當側位顯示穿刺針尖端到達椎體后壁時，正位尖端則應該位于椎弓根內側緣，此時可繼續穿刺至穿刺針尖端最終位于椎體前1/3處，完成整個穿刺過程。

這種經典穿刺方法尚存在諸多不足：a)術中穿刺針的頭/尾傾角及外展角度主要依賴手術醫生的經驗來確定。不同患者腰背部皮膚、肌肉的厚薄和椎弓根的解剖結構均不同，皮膚入點及角度的偏差會影響穿刺的成功率。以PVP手術并發癥為例，其最常見的骨水泥滲漏與穿刺過程聯系密切，Saracen等[3]報道其發生率可達20%。郝定均等[4]回顧性分析穿刺失誤的嚴重并發癥有0.51%，包括周圍器官損傷、椎弓根皮質斷裂、硬膜損傷等；b)穿刺過程需要反復X線透視，增加了患者和術者的放射暴露風險。有研究表明[5]PVP術中采用傳統X線透視時，在不超過每年放射劑量標準的情況下術者1年手術量僅推薦150臺；并且患者平均皮膚透視劑量為688 mGy，需要采取措施降低患者的皮膚劑量；c)經皮椎弓根穿刺技術有一定的學習曲線，不容易掌握，對于初學者而言學習和掌握的時間較長。

2 改良經皮椎弓根穿刺技術的方法及其優缺點

2.1 數字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)三維重建技術 DSA是常規造影術和電子計算機圖像處理技術相結合的產物。二維DSA僅能獲得斷層信息，而基于旋轉DSA技術的DSA三維重建則能進一步處理圖像，從而得到立體的圖像效果。目前3D-DSA在PVP、PKP等手術中均有應用。3D-DSA的優點有：a)操作靈活，相比CT引導穿刺、導航輔助穿刺等操作更簡單；b)在手術過程中實時反映穿刺過程，降低穿刺并發癥和失敗率；c)能從橫斷面、矢狀面、冠狀面三個方向同時觀察針尖位置，對穿刺的把握更準確。Cannavale等[6]行PVP手術對比實驗的結果表明DSA三維重建組(25例患者35節段椎體)與CT引導穿刺組(25例患者37節段椎體)相比，手術時間更短(DSA三維重建組38.2 min，CT引導穿刺組60.2 min，P=0.02)，患者接受放射劑量更小[DSA三維重建組(6±1.3)mSv，CT引導穿刺組(23±1.3)mSv，P=0.02]，兩組的并發癥概率相同。王福安等[7]通過回顧性研究35例PVP手術患者術后骨水泥情況發現，同樣的35例患者3D-DSA術后發現骨水泥滲漏的能力高于二維DSA(3D-DSA發現率為37.1%，二維DSA發現率為25.7%)，并且更容易發現骨水泥Ⅱ型滲漏(經引流靜脈滲漏型；3D-DSA發現率為20%，二維DSA發現率為17.1%)。3D-DSA也有局限性，主要有：a)其空間分辨率較CT圖像差，如果患者出現的神經癥狀較為明顯，需要準確地了解椎管受壓、神經孔及靜脈叢滲漏等情況時，更高精度的檢查仍然是必要的；b)目前大多數平板DSA旋轉速度緩慢，圖像質量易受呼吸影響，圖像質量有待進一步提升；c)過度術中透視可能增加術者及患者的放射暴露劑量，對健康有損。

2.2 計算機輔助導航技術 計算機導航系統是將空間三維立體導航、計算機圖像處理及三維可視化技術與臨床手術結合起來的技術，近幾年來術中三維透視導航逐漸成為熱點。術中三維透視導航系統主要通過三維C型臂或O型臂獲取實時三維圖像，排除了體位改變、解剖位置改變等干擾因素，無需匹配自動注冊。目前常見的術中三維導航系統包括Iso C-3D、Orbic-3D、O-arm等。世界上第一臺術中可三維重建的C型臂X線機Iso C-3D由西門子公司生產，目前因影像質量不及CT，且在應用內植物時更明顯，故主要應用于骨盆骨折和四肢骨折。之后改進為Orbic-3D導航系統，其最大旋轉角度達190°，精度最大誤差1.18 mm，平均為0.47 mm，標準差為0.21 mm[8]。黃彥等[9]報道，應用Orbic-3D導航系統引導經皮微創椎弓根釘治療老年胸腰椎壓縮骨折取得良好療效，24例單節段患者平均手術時間(56.5±10.5)min，術中出血量(60.5±15.8)mL，無神經損傷等手術相關并發癥，植入的96枚椎弓根釘術后CT復查均在椎弓根內。O型臂CT導航系統(O-arm)由美敦力公司生產，其精度更高，平均位置誤差是0.2 mm，標準差是±0.07 mm[10]，圖像質量更高，能清晰的顯示骨骼的解剖結構。已有多篇文獻報道其應用于脊柱經皮椎弓根穿刺手術中[11-13]。Schils等[11]在O-arm導航下為54例患者行PKP手術治療骨質疏松性椎體壓縮骨折，其平均手術時間為38 min，平均透視時間為2.5 min，平均放射劑量為220 mGy。Kim等[12]報道O-arm引導下290例經皮椎弓根螺釘置入，其準確率達96.6%。Wood等[13]也證實其腰椎椎弓根釘的失誤率僅3.8%(24/627)。

總體而言，術中導航系統能提高手術精度，實現術中實時操作，給臨床醫生更好的手術計劃，減少術中失誤和術后并發癥的發生。王黎明等[14]還認為應用導航還可擴大手術適應證，過去胸椎壓縮超過50%，腰椎壓縮超過75%，骨性椎體后壁不完整均被認為是手術禁忌證，但是其認為在滿足一定時間平臥恢復、患者脊髓前方的后縱韌帶、硬膜囊等組織完整的條件下，借助導航多方位、高精度的觀察則可以手術。導航系統也存在不足之處：a)設備昂貴、手術費用較高會加重患者經濟負擔。b)影像漂移：即真實結構和導航影像的誤差，Arand等[15]報道其發生率高達66%，其與傳感遮擋、設備松動、結構移動等均有一定關系。目前導航系統被報道有2%～15.7%的失誤率和0～7.42%的再手術率[16]。新興的術中三維導航有望較少手術失誤和再手術的發生，但有關其在經皮椎弓根穿刺技術中的應用還有待于進一步的研究證實。

2.3 手術機器人 隨著導航技術的成熟，大量基于導航系統的手術機器人不斷出現。手術機器人目前以半主動式導航機器人為主，其可以幫助醫生在一定范圍內控制手術器械，但是如果器械超過安全范圍，系統可以終止操作，在一定程度上提高了手術的安全性。目前應用于脊柱外科的手術機器人較少，包括SpineAssit、韓國研發的SPINEBOT及BiTEBOTⅡ、國內研發的無框架脊柱導航手術機器人等。目前Mazor醫療技術公司研發的SpineAssit系統相對比較成熟，已獲得美國FDA認證并有臨床初步報道，它是一種器械引導型系統，主要為脊柱椎弓根螺釘植入提供方向引導。該系統通過術前CT的影像進行三維重建，獲得螺釘的進入點、角度及植入路徑等。術中利用T-Hover固定框架將機器人安裝在脊柱骨性標志上，在完成患者正側位透視后進行圖像匹配和注冊，最終使用SpineAssit工作站和計算機導航系統在導針引導下完成人工置釘。據報道傳統置釘手術有3%～50%的椎弓根螺釘植入偏差在2 mm以上，而SpineAssist機器人能做到96%的螺釘偏差在1 mm以內[17]。Devito等[18]回顧了SpineAssit系統引導的635例病例的3 271枚椎弓根螺釘的植入情況(其中49%的病例采用經皮椎弓根穿刺植入)，發現98.3%的螺釘落在安全區內(其中89.3%的螺釘完全在椎弓根內，9%的螺釘穿透椎弓根2 mm內)；1.4%的螺釘穿透在2～4 mm之間，而只有0.3%(2枚螺釘)從椎弓根壁偏移超過4 mm；所有病例僅有4例觀察到神經功能受損，隨訪后癥狀消失沒有永久性神經損傷。上述報道在一定程度上說明現階段機器人的置釘準確度較高，能降低失敗率和術后并發癥。同時機器人系統能減少術中放射時間，減少術者疲勞，更進一步保證手術的安全。目前機器人仍處于初步階段，其效果有待進一步驗證，同時其價格昂貴、術中需要進行創傷性固定等問題也有待改善。

2.4 基于術前影像的數字化設計輔助技術 基于術前影像的數字化設計輔助技術是指術前對患者進行CT等影像檢查，得到患者相應部位的骨骼信息，通過術前設計得到術中穿刺的頭傾/尾傾角、外展角、進針深度等數字化信息進而輔助實際操作，保證術中穿刺的精準及手術安全。Tan等[19]將術前橫斷面和矢狀面CT放在三維坐標系中進行設計，其進行的108例PVP手術患者的對比實驗表明，三維設計組(58例63節椎體)比傳統組(50例52節椎體)成功率更高(三維設計組92%，傳統組63.5%)，手術時間更短[三維設計組(28.5±5.5)min，傳統組(37.5±5.5)min]。兩組術前和術后的VAS評分沒有差異。但是目前這種重建方法局限性明顯，很難應對椎體旋轉等復雜情況，效果不佳；對術前CT檢查和術中體位要求較高，必須保證椎體棘突位于正中位置，可能延長操作時間和透視次數。

近幾年來基于術前CT圖像的三維重建設計正逐漸成為熱點。術前在患者病椎的背部皮膚上粘貼定位片，并通過俯臥位CT薄掃得到小于1 mm層厚的斷層影像。在MIMICS軟件內利用人工擦涂的方式在各層面上分離骨骼與軟組織，在軟件中重建出患椎的三維模型。MIMICS軟件中可以觀察患椎的具體情況，并模擬椎體成形術的真實手術過程，從而確定其進針點、進針角度及深度。在費琦等[20]的報道中，7例接受術前數字化設計改良PVP手術的單節段患者，術前通過CT得到患椎影像后通過MIMICS軟件重建并設計入路，均采用雙側入路方式。所有患者皮膚入點僅需一次即可以確定，整個手術時間為(16.57±2.07)min，術中放射透視數(7.86±1.68)次。患者癥狀均得到緩解，并未有滲漏、神經損傷等發生。Li等[21]進一步報道該技術用于治療1例76歲女性的L1節段椎體壓縮性骨折，術中僅需1次透視便可確定皮膚穿刺點，手術時間23 min，患者總暴露劑量為4.5 mSv。術后患者癥狀明顯改善，VAS評分從術前9分改善至術后2分，ODI評分從80%改善至57.8%，術后未發現骨水泥泄露等并發癥。這種術前數字化設計的優點有：a)在建模過程中可以提前了解傷椎的結構情況，對于終板破裂、后緣破損的情況可以提前設計，針對不同的患者能個性化的設計手術方案；b)可在軟件下模擬整個手術過程，借此獲取穿刺點位置、穿刺精度等參數，進一步提高了手術精度和手術安全性；c)通過術前設計，能縮短手術時間及術中透視次數，減少術者和患者的放射暴露；d)與導航系統相比，該方法在術前僅僅通過個人電腦即可完成Mimics軟件的分析和操作，更加簡單、高效，具有臨床推廣性。目前該方法缺點在于患者術前CT體位與術中體位不完全一致，可能會導致設計結果出現一定偏差，進而導致設計結果和實際情況存在誤差(作者認為應用“水平尺”等工具可以使誤差在可接受的范圍內)。另外，在實際操作中尚缺少精準的測量工具輔助穿刺的操作過程，有待于進一步優化。

2.5 經皮椎弓根穿刺輔助導向設備 基于CT圖像的各種導航輔助導向設備也是一種提高穿刺成功率的方法。通過術前設計確定相關穿刺參數，在手術過程中結合穿刺輔助導向裝置進行穿刺。在術前設計和裝置的輔助下，避免了既往傳統穿刺過程中要同時調節外傾角和上傾角的繁瑣過程，可進一步提高穿刺精度，保證手術安全性。目前國內毛曉芬等[22]、龍浩等[23]、費琦等(專利號2016 2 0427836.4)設計的穿刺輔助設備雖然原理不同，但是均能實現輔助術中穿刺，進一步提高手術精度。毛曉芬等[22]對6例尸體的72個椎弓根隨機分為兩組進行穿刺，定位器組較對照組穿刺用時更短[定位器組(9.42±1.33)min，對照組(13.59±1.26)min，P<0.05]，進行的56例PVP手術患者隨機分組臨床試驗中定位器組穿刺時間較對照組也更短[定位器組(23.55±6.03)min，對照組(29.86±8.96)min，P<0.05]。龍浩等[23]報告的67例PVP手術患者共83個椎體的對比實驗中也有類似結論，定位器組(34例3節段椎體)穿刺次數為(2.3±1.1)次低于常規組(33例40節段椎體)的(3.4±2.3)次(P<0.05)。費琦等(專利號2016 2 0427836.4)設計的經皮椎弓根穿刺導向裝置，采用3D打印底座可以良好固定患者皮膚，并通過其上的導向器裝置實現穿刺角度的精確調整，實現了導向裝置三維導向定位、與正側位透視相聯系和皮膚良好固定等功能，為解決從前導向裝置的諸多問題提供了新的思路。

2.6 3D打印經椎弓根穿刺導向板 個性化3D打印經椎弓根穿刺導向板已經用于開放手術椎弓根螺釘的植入并取得良好效果，目前用于經皮椎弓根穿刺的3D打印導向板技術也有初步的應用報道。通過術前患者的CT影像、皮膚掃描數據結合Mimics軟件重建傷椎，在此基礎上設計穿刺通路并設計出個體化的3D打印經皮椎弓根穿刺導向板，經由快速3D打印機制作完成。術中將導向板和皮膚匹配貼合，通過已設計好的孔道進行椎弓根穿刺。張鷹等[24]報道的案例中，1例54歲女性T12椎體壓縮性骨折患者，在3D打印導向板輔助下成功穿刺并注入骨水泥，效果滿意，術中穿刺僅耗時15 min，透視次數為8次。趙汝崗等[25]10例PVP手術對照實驗表明，5例3D打印導向板輔助改良組(35 min)較5例傳統手術組(45 min)手術時間更短(P<0.01)，透視次數和時間(3次，10 min)也較對照組(9次，20 min)有所優化(P<0.01)。費琦等(專利號2015 2 0631797.5)設計的3D打印導向板在術前應用皮膚定位片定位結合患者的CT影像、皮膚掃描數據，在Mimics軟件中設計出個體化導向板，術中可通過定位片和定位孔直接放置導向板，更加簡單易操作。目前的主要問題在于導向板和術中實際情況，如患者的手術體位、呼吸運動狀態、皮膚貼合的匹配等導致的誤差，相關研究尚未提出滿意的解決方案，需要進一步的研究。

3 總結和展望

隨著新興技術的不斷涌現，各種改良的經皮椎弓根穿刺技術不斷發展。3D-DSA輔助可以實時監測穿刺，臨床操作方便，但其影像質量和放射暴露問題有待改進。以O型臂CT導航為代表的新一代導航實現了術中實時操作、低輻射、高精度等優點，但是導航系統造價昂貴、影像漂移等問題還未克服。機器人系統優勢在于精度高、降低術者放射暴露，目前尚處于早期階段有待繼續研發。近些年計算機輔助的術前設計和3D打印導向板技術在經皮椎弓根穿刺中日漸增多，術前的數字化參數的獲得將經皮椎弓根穿刺的精度進一步提升，實現了手術方案的個體化設計，在此基礎上再輔以導向器或者3D打印導向板則可以幫助術者更精準地完成手術，是一種有潛力、經濟、方便、可行的新技術，在解決臨床驗證、對應誤差等問題后可以臨床推廣應用。隨著導航技術、計算機輔助技術、3D打印技術的日益成熟，更加精準的經皮椎弓根穿刺技術可能會成為微創脊柱外科的輔助手段之一。

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