導航技術在椎弓根螺釘內固定術中的應用現狀與進展

李欣宸，姬 燁，陳光華，閆景龍

哈爾濱醫科大學附屬第二醫院骨科，哈爾濱 150010

椎弓根螺釘內固定技術因其優越的生物力學性能在脊柱外科領域得到廣泛應用，如脊柱骨折、脊髓損傷、脊柱腫瘤、脊柱畸形及脊柱退行性病變等的治療［1］。隨著現代醫學的進步，脊柱外科手術不斷向更加精細和微創的方向發展，這對椎弓根螺釘置入的精準性提出了更高的要求。導航技術可在術中引導操作方向并準確定位椎弓根螺釘等內固定物［2］，以避免椎弓根螺釘置入過程中對神經、血管造成損傷，降低手術風險。隨著技術的發展，導航技術已應用于頸、胸、腰全部脊柱節段的手術。導航技術通過收集和分析術前、術中及術后數據并分析轉化后實現圖像的二維或三維可視化，進而降低誤操作率。目前的導航系統通過整合術前定位、術中儀器跟蹤及成像技術，能在一定程度上提高手術準確性，且在計算機技術、傳感器技術和機器人技術領域有巨大的發展空間。本文重點闡述應用較為廣泛的導航技術在椎弓根螺釘內固定術中的應用現狀，對比其優缺點，現綜述如下。

1 導航技術優勢

不同脊柱節段有不同解剖學特點和好發疾病，如腰椎退行性疾病，尤其伴有腰椎滑脫的患者腰椎常出現旋轉、滑移及增生，腰椎原有解剖學結構改變，增加了徒手置釘的難度［3］。Costa等［4］的研究對導航與非導航手術的退行性腰椎滑脫患者資料進行比較，結果顯示，導航組手術時間明顯縮短，置釘準確性優于非導航組；導航組和非導航組的手術時間分別為（92±31）min和（119±43）min；置釘精確率為96.2%和91.1%；不良置釘率為0%和0.8%。

相較腰椎而言，胸椎椎弓根直徑較腰椎更為狹窄，置釘時穿破皮質的風險也隨之增加。王巖等［5］徒手置入405枚胸椎椎弓根螺釘，其中124枚螺釘不同程度地穿破皮質（21枚穿破皮質距離＞4 mm）。同時胸椎也是脊柱側凸的主要累及節段，且脊柱側凸患者往往有著個體化的脊柱結構變異，在脊柱矯形手術中，如何安全準確地置入椎弓根螺釘是重中之重。Kotani等［6］回顧性分析了脊柱矯形手術中416枚椎弓根螺釘的置入情況，術中采用O形臂3D導航輔助置釘與傳統透視置釘，單個螺釘的置釘時間分別為（5.4±1.1）min和（10.9±3.2）min，導航輔助置釘時間明顯縮短、椎弓根螺釘穿孔率下降了約2%。

與其他節段相比，頸椎椎弓根最細小且變異性較大，頸椎椎弓根螺釘多用于頸椎穩定性的重建，如頸椎骨折脫位的復位固定或嚴重后凸畸形的矯形［7］。Singh等［8］在計算機輔助導航下置入的52枚上頸椎椎弓根螺釘，僅1枚為非精確置釘，且患者并未因此出現神經功能損傷。Abumi等［9］徒手置入頸椎椎弓根螺釘準確性的研究顯示，即使是經驗豐富的脊柱外科醫師，徒手置入669枚螺釘中仍有45枚不同程度穿破皮質，其中2枚損傷神經根。

綜上，相較于徒手置釘，導航技術在脊柱各節段的置釘效率和準確性上均有著不同程度的優勢，并且這一優勢在椎弓根狹窄和解剖結構復雜的部位體現更為明顯。

2 常用導航技術

2.1 C形臂X線機及Iso-C 3D影像系統

術中C形臂X線機透視是目前臨床上較為常用的一種導航技術，因價格低廉、操作簡單在各級醫院應用廣泛。但C形臂X線機的局限性也較為明顯，如需要反復多次透視，增加術區污染風險的同時對醫患造成輻射［10］；透視圖像為透視方向上全部結構的二維疊加，解剖學標志相互重疊，空間位置不清晰，術中的定位很大程度上依賴對二維投影信息的人為解讀，而這種解讀又完全依賴醫師的經驗及主觀認知，無法做到客觀和準確；此外，該方法還面臨著術者無法直接操作設備，而設備操作者不能準確領會術者對透視角度的要求等問題。為解決這一問題，Hofstetter等［11］提出了基于透視的計算機輔助導航系統，該系統由定位系統、C形臂X線機及計算機圖像處理系統組成，可對透視圖像進行處理后直觀地顯示圖像中的三維空間位置。1999年，德國西門子公司基于此原理研制出基于C形臂X線機的計算機三維影像導航系統（Iso-C 3D系統）［12］。Iso-C 3D系統具體工作流程［13］：①術前先將影像設備（C形臂X線機等）與導航工作站計算機連接，固定患者體位后常規剝離顯露解剖學標志，并在目標節段的鄰近節段棘突上安裝定位參考裝置（通常選取視野內最高位棘突）。②以C形臂X線機進行190°掃描，確保需固定的椎體均在掃描范圍內，上傳的影像數據經工作站計算機處理后在導航屏幕上重建脊柱的橫截面、冠狀面及矢狀面影像。③再對術中器械，如開口錐、開路錐等，進行定位注冊，即可在導航屏幕影像實時指示下選取進釘通道并置入椎弓根螺釘。Iso-C 3D系統可直觀且實時觀察螺釘與椎弓根的位置關系，并根據術中情況隨時改變進釘角度，較傳統C形臂X線機透視下置釘，其準確率具有明顯優勢。Ishikawa等［14］的研究顯示，傳統方式與Iso-C 3D導航下置釘的0級（未穿破皮質）置釘率分別為73.0%和81.3%，3級（穿出皮質距離≥2 mm）置釘率分別為12.7%和3.3%，在精確置釘率和不良置釘率方面，Iso-C 3D系統均具有更明顯的優勢。吳登將等［15］對16具成人頸椎標本分組進行C形臂X線機透視下置釘及計算機實時導航下置釘，2種方法置釘成功率分別為83.3%和97.9%，同樣證實了相較傳統的C形臂X線機透視，Iso-C 3D系統導航下輔助置釘準確率更高。但術中器械對患者的牽拉所造成的影像漂移是其面臨的最大問題，會導致注冊圖像與實時情況不匹配從而引起誤置［16］，可通過術中輕柔操作、盡可能減少患者與模擬坐標系的位移等方法來避免。

2.2 超聲導航系統

皮質骨與松質骨的結構與密度的明顯差異使二者具有截然不同的超聲反射信號，椎弓根螺釘的置入要求是螺釘在松質骨內走行而不穿破皮質骨。因此，利用超聲系統在術中分辨椎弓根螺釘是否在松質骨骨道內成為可能。Kantelhardt等［17］最早嘗試使用超聲技術在椎弓根螺釘置入過程中導航，但是經過一系列的臨床試驗發現，常用的醫用超聲由體外入射時，軟組織與骨組織界面聲阻抗差異較大，會在骨皮質后方形成聲影［18］，不同的超聲頻率在組織中的穿透深度是不同的，低頻的超聲可以實現更深的穿透，但成像分辨率也會隨之下降，所以能夠達到導航穿透要求的超聲頻率所產生的超聲圖像分辨率通常較差，無法滿足導航對圖像清晰度的要求［19］。目前，骨內超聲是脊柱外科超聲導航領域的新方向，即在術中常規剝離暴露進釘點的解剖標志，去除進釘點處的骨皮質后將超聲探頭伸入椎弓根骨道內［20］，或將超聲探頭安裝在開路錐前端，在開路錐由椎弓根向前進入椎體的過程中實現對釘道方向的實時監測，目前國外已有研究者申請了該專利［21］，但是以目前的技術手段仍無法制造出尺寸能進入椎弓根骨道的探頭。相較于其他導航手段，超聲導航系統具有價格低廉，可實時成像，無輻射損傷的優勢，如超聲探頭的制作技術能夠進一步發展，相信會為該技術的臨床應用帶來更為廣闊的前景。

2.3 快速成型導航模板

個體化椎弓根導航模板是脊柱外科導航領域的新技術之一，該技術主要通過計算機影像處理，逆向工程原理，3D打印及快速成型技術來重建出完全貼合患者脊柱解剖形態的導航模板［22］，首先在術前對術區骨組織進行CT掃描并對結構進行三維重建，將三維的影像信息導入逆向工程軟件后逆向重建與患者解剖結構貼合的反向模型并根據影像測出預期的椎弓根螺釘釘道，再通過3D打印技術實現對實體模型的制作［23］。在術中充分剝離患者棘突及椎板上的軟組織后，將模板充分貼合于患者脊柱，并沿術前測量并設計好的進釘通道來置入椎弓根螺釘。該方法術前即可根據患者脊柱解剖學特點重建出導航模板，一定程度上縮短了手術時間。Jiang等［24］的研究表明，模板組的術中透視時間和手術時間分別為（2.76±0.72）min及（171.84±22.46）min，傳統置釘組分別為（3.97±0.94）min及（182.76±28.40）min，可見導航模板相較傳統置釘技術能夠明顯減少術中透視時間及手術時間，從而間接減少術中出血量與感染風險。聞志靖等［25］的針對該方法的薈萃分析結果顯示，導航模板在螺釘置入的準確率上優于傳統置入方法。Kanayama等［26］對使用導航模板輔助下置釘的準確性進行研究發現，置入的80枚螺釘中僅有2枚穿破皮質，且穿破皮質部分未超過螺釘直徑的50%，未引起并發癥，分析其原因，可能與術中對椎板表面軟組織剝離不徹底，導航模板無法與椎板完全貼合有關。這也是該技術目前存在的問題之一，在某些情況下模板不能完全貼合脊柱，需要完全清除棘突、椎板上的軟組織及殘留肌肉組織［27］，但是這樣做會在一定程度上增加術中出血量和軟組織損傷。同時，該技術的成熟也需要模型加工精度的進一步提高；此外，制作模板的聚合材料不耐高溫高壓消毒，而金屬模板所帶來的加工難度又會進一步降低精度并增加制作時間和制作成本［28］。

3 導航技術的發展方向

3.1 多模式信息融合

主流的影像學檢查如CT、MRI、PET和X線等可為臨床醫師提供不同結構和組織的影像學信息。然而，至今仍沒有一種影像學檢查可以完整展示全部組織結構。在脊柱外科手術中，除了骨組織以外，同樣需要關注如神經、血管、肌肉等骨骼以外的組織結構。因此，多模式信息融合對脊柱外科導航至關重要［29］。術中導航領域實現多模式影像信息的無縫融合是脊柱外科導航的未來發展方向之一。

3.2 形態感知技術

目前較為先進的光學導航模式是利用安裝在解剖學標志及手術器械上的信號發射裝置來實現術前方案設計與術中位置校準。術中手術器械的定位注冊非常重要，但存在術中患者由于體位變化或器械牽拉所產生的影像漂移，一旦出現這種情況，則須重新定位注冊，大大增加手術時間。如果可以使用空間形態感知技術來跟蹤解剖結構和手術器械，那么這一技術將有可能大大提高導航的精度［30］。形態感知技術最近已經在一些微創手術中開始應用［31］，相信未來將會在更多領域得以應用。

3.3 骨科機器人

骨科機器人早在1992年就應用于全髖關節置換術［32］。隨后，機器人輔助手術也廣泛應用在膝關節單室關節成形術中，導航的目的是實現手術的精確性，而手術的精確性主要取決于導航系統、操作環境及操作技術。骨科機器人整合了以上3個變量，在使用相同導航系統的情況下，避免了手術室內人員及器械對導航信號的干擾（如紅外線傳感器的光學信號接收器）以及因疲勞和情緒等因素所造成的人為失誤等。機器人輔助置釘能滿足精準性、穩定性方面的要求，有效防止誤操作導致的神經、血管損傷［33］。SpineAssist作為世界上唯一通過美國食品藥品監督管理局（FDA）和歐盟CE認證批準的脊柱外科機器人［34］，目前已完成2 500余例手術，輔助置釘15 000枚，未發生永久性神經損傷的報道［35］。盡管機器人輔助骨科手術仍受到各種技術上的限制，但其相較傳統置釘技術有更高的準確性［36］。其在提高操作靈活性、穩定性等方面具有一定優勢，在與虛擬現實技術結合后，這一領域未來將擁有巨大的發展前景。

4 總 結

自椎弓根螺釘技術誕生以來，置釘的準確性就一直是脊柱外科醫師所追求的目標，傳統的導航手段面臨著精準度不高、人為因素影響大的問題；新技術同樣也面臨著價格昂貴、操作繁瑣等問題，且各種導航手段均或多或少地受到各種技術水平的限制，并沒有一種技術能夠以明顯的優勢成為行業標準模式。未來除了須突破現有的技術瓶頸外，亦需要在經濟性和易用性上進一步發展，期待多模式信息融合、形態感知技術、骨科機器人等脊柱外科導航技術發展能將脊柱外科推向智能化手術的全新階段，讓更多的患者受益。