機器人輔助系統在青少年特發性脊椎側凸手術治療中植釘精準度的應用研究

師浩東，劉世長，許曉舟，宋宗讓，郝定均*

(1.延安大學醫學院，陜西 延安；2.西安市紅會醫院，陜西 西安)

0 引言

特發性脊柱側凸是青少年人群中最常見的脊柱疾病，發病率約為0.5%-5%[1,2]，脊柱側凸為患者的脊柱在冠狀位、矢狀位、軸位平面上的3 維畸形[3-5]，嚴重者可能影響呼吸功能、身體軀干平衡等。對于脊柱彎曲程度大、青春期疾病進展速度快及出現脊髓神經癥狀的患者，使用椎弓根螺釘后路側凸矯形已經是青少年特發性脊柱側凸(AIS)的標準治療方法[4]。但是AIS 的患者胸腰椎存在畸形，解剖復雜，又臨近重要組織，使椎弓根螺釘植入難度大，存在術后椎弓根螺釘位置不佳，可能導致患者出現血管、神經、胸膜損傷等并發癥[6,7]。

近年來，脊柱外科大夫為了努力提高椎弓根螺釘的精準度，降低椎弓根螺釘植入不佳而導致的并發癥，機器人輔助手術系統得以發展[8,9]。通過術前將患者的CT 掃描數據輸入計算機工作系統，醫生可以在工作站中設計出最佳的椎弓根螺釘路徑，術中按照術前規劃的釘道植入椎弓根螺釘，保證椎弓根螺釘位于椎弓根內。雖然計算機輔助系統可減少椎弓根螺釘植入失敗的發生率[10]，但是脊柱機器人在青少年特發性脊柱側凸中的臨床應用文獻報道較少，本研究將回顧性分析2018 年5 月至2019 年10 月在我院采用手術的24 例AIS 患者臨床資料，通過CT 評估脊柱機器人植釘的精準度，來研究機器人輔助系統的臨床應用。

1 臨床資料

1.1 患者選擇標準

納入標準：(1) 接受脊柱后路椎弓根螺釘矯正手術的AIS 患者；(2)18 歲以下；(3) 單主胸或雙胸曲曲線型；排除標準：(1) 合并有先天性脊柱側凸的患者；(2)合并有低位圓錐、馬尾綜合癥等神經系統發育異常；(3)術前評估無法耐受手術者。本研究納入2018年5 月-2019 年10 月西安市紅會醫院AIS 患者24 名。本研究獲得西安市紅會醫院倫理委員的批準，所有患者術前均已簽知情同意書。

1.2 一般資料

青少年特發性脊柱側彎患者24 例，其中12 例患者術中應用機器人系統輔助螺釘植入(A 組)，其中男性3 例，女性9 例，年齡13-18 歲，平均15.1 歲；其余12 例患者依靠徒手植入螺釘(B 組)，有男2 例，女性10 例，年齡12-18 歲，平均14.9 歲。

1.3 手術方法

本研究所有的手術均是由同一組脊柱外科大夫團體完成，主刀醫師具備

透視下徒手完成后路矯形的手術能力。所有病人術前有全脊柱站立位正側位X 線片、Bending 位X 線片及薄層CT( 層厚2mm)，根據患者術前影像學資料確定手術節段。

1.3.1 A 組

12 例患者均使用脊柱機器人(Renaissance，MzaorRobotocs公司，以色列) 進行手術治療。術前將患者薄層CT 數值輸入Renaissance 工作站，根據患者術前CT 圖像，對每一個椎體進行分割，調整椎弓根掃描平面，設計出理想的進針點及進針角度，設定合格的螺釘長度及直徑，最后逐個確定設計螺釘位置，避免椎弓根螺釘出現皮質穿透。

術中放置體位標識，將初始校正圖像發送至Renaissance 工作站。患者全麻取俯臥位，手術節段正中切開，仔細顯露脊柱后路組織，沿棘突用電刀骨膜下暴露至小關節突外側緣，仔細清理關節突上的軟組織，避免損傷關節囊。將術前設計的手術方案導入Renaissance 系統，將固定夾子于棘突，根據所需螺釘外展角度選擇合適的工作平臺，安裝多功能橋。分別進行正位和斜位的透視，將正位和斜位的圖像傳至主機，通過計算機的計算，對比術前CT掃描資料，完成每一個椎體的注冊，并對部分釘道進行微調，滿意后在計算機輔助下按照設定的釘道軌跡連接機械臂及套筒，用限深電鉆建立釘道，探子檢查四壁完整性，絲攻、探子再次確定釘道，植入椎弓根螺釘。根據術前資料和所需手術固定節段，完成一組植釘后，改變夾子的位置，再次重復以上植釘操作。植釘完成后，雙側安裝棒矯形，必要節段行截骨矯形，融合節段去皮質，植入自體骨和同種異體骨。沖洗縫合切口，切口內留置引流管。

1.3.2 B 組

12 例患者采用透視下徒手植入椎弓螺釘。患者于全麻下取俯臥位，保持腹部懸空。透視定位椎體，確定手術節段，后路正中切開，顯露方式同機器人，參考解剖標志，直視下行定位針植入，再透視確認位置無誤后，開口器、導椎擴大釘道，探子探查四壁完成性，確認位置無誤后值入椎弓根螺釘。矯形及螺釘植入方式同A 組。

1.4 術后處理

術后予以抗感染、止痛等對癥治療，避免長期臥床并發癥，例如褥瘡、雙下肢靜脈血栓、肺炎、泌尿系感染等。待患者引流量低于50mL/天，拔出引流管。并復查全脊柱X 線片及手術節段CT。術后3 月門診復查。

1.5 影像學評估

所有患者術后均完成CT 檢查，術后CT 圖像數據由未參加手術的醫生對椎弓根螺釘位置進行評估，按照改良的Gertzbein-Robbins 評分系統[11]評估每個患者的軸向、冠狀和矢狀面圖像，以確定皮質穿透。穿透的方向分為內側、外側、前部、上部或下部，等級從0 到4：0 級表示無皮質穿透；1 級為穿透1-2 mm；2 級為穿透3-4 mm；3 級為穿透5-6 mm；4 級皮質穿透大于6 mm。

1.6 統計方法

采用SPSS 22.0 統計分析軟件對本研究所有數據進行處理和研究，組間率比較采用檢驗，等級資料組間比較使用秩和檢驗，P＜0.05 時，差異具有統計學意義。

2 結果

A 組患者植入202 例螺釘，有24 枚(11.2%) 螺釘穿透皮質超過2mm，B 組患者植入220 例螺釘，有51 枚(23.1%) 螺釘穿透皮質超過2mm。差距有統計學意義(c2=9.202，P=0.002)；參考Gertzbein-Robbins 評分系統來評估植釘精準度，A 組0 級138枚、1 級40 枚、2 級20 枚、3 級3 枚、4 級1 枚，B 組0 級118 枚、1級51、2 級39 枚、3 級10 枚、4 級2 枚，差距具有統計學意義(Z=-3.391，P=0.001)。

3 討論

青少年特發性脊柱側凸患者在后路手術畸形矯正中，螺釘錯位是最常見的椎弓根螺釘植入的并發癥[12,13]。椎弓根螺釘位置不正常的發生率在脊柱側凸矯正中比成年人患者中要高的多，青少年椎弓根尚未發育完全，胸椎椎弓根直徑較小[14]。并且由于發育不全，在上、中胸段側凸的凹面，椎弓根通道中松質骨通常不足[4,5]，導致椎弓根螺釘植入難度較大，植入失誤有損傷血管和脊髓神經系統的風險，特別是在嚴重的胸廓畸形患者中，椎弓根狹窄并發育不良，脊髓與椎弓根內側直接接觸[15]。因此，無論任何方式的椎弓根螺釘移位都可能導致嚴重的并發癥。椎弓根螺釘植入過程中向內側移位可能導致脊髓損傷的風險，前移可能會損傷前方的主動脈和食管，脊髓神經根可能會因椎弓根螺釘上、下錯位而受到損傷，并且也可能穿透并損傷椎間盤。所以，提高螺釘的植入精度對醫生和患者都至關重要[16]。

機器人輔助系統作為新興發展的科學技術，在外科精準治療中具有劃時代的科學意義，是未來數字化骨科的重要發展方向[16]。目前，在脊柱外科領域，機器人輔助下椎弓根螺釘的植入已經是提高手術精準度的最新方法。雖然有多項研究已評估機器人輔助下椎弓根螺釘放置的精準度，但大多數研究僅限于成年人，AIS 評價研究尚少。并且術后評價椎弓根螺釘的精準度，采用不太精確的X 線成像技術[8,17]。Marcus 等[8]人對機器人與透視引導下的椎弓根放置進行了系統性的比較，排除脊柱側凸的患者，在胸椎、腰椎的螺釘植入準確性中，并沒有發現機器人輔助比透視引導下具有相對優勢，但是推測在螺釘植入失誤率較高的AIS 患者中，機器人輔助手術可以明顯減少螺釘的失誤率。

由于透視引導下植釘多通過探針的觸感反饋、手術大夫的臨床經驗及結合多平面X 線透視下完成[18,19]。但是由于椎弓根形態存在解剖變異和手術中體位擺放不同等因素，同時椎弓根周圍毗鄰脊髓神經、血管等重要組織，該技術對于外科大夫要求極高，椎弓根螺釘偏差2-3mm 可能導致脊髓神經損傷，出現下肢麻木、無力，甚至出現大、小便功能障礙，截癱，特別是上胸椎椎弓根較細，術中X 線透視時肩胛骨阻擋，螺釘與椎弓根的位置不易分辨，風險性較大，可能出現因螺釘植入不佳而損傷血管、神經、脊髓。Kwan 等[20]在青少年特發性脊柱側彎患者行手術治療中透視下植釘中椎弓根誤置率達到20.3%。雖然徒手脊柱是一種相對安全的椎弓根螺釘植入方法，在術中不需要任何其他器械輔助，但是隨著導航及機器人等技術的發展，徒手植釘對于外科大夫而言并不是最佳的治療方式。

目前機器人輔助技術已在臨床上成功運用，在其他疾病中，已有研究表明機器人輔助植釘的精確度明顯高于徒手。Schatlo 等[21]在腰椎退變的患者中比較了機器人輔助系統與透視下植釘術后螺釘位置不佳的發生率，發現透視下植釘位置不佳為21.2%，高于機器人組的16.4%。Macke 等人[13]使用CT 評估脊柱側彎術后螺釘位置，也得到了相似的結果，662 枚植入螺釘中48 枚螺釘位置不佳，發生率僅為7.2%。機器人輔助系統是以術前CT 醫學影像學數據，通過對數據處理，無需切開就可以對局部解剖組織結構化、立體化重建成像，手術機器人術前在工作平臺規劃螺釘位置，通過機械臂的調整，使其按照術前規劃位置植入螺釘，避免徒手植入的誤差，理論上來說機器人輔助下植入的精準度較高。所以，對于青少年脊柱側彎患者的矯形來說，良好的螺釘植入可以減少螺釘位置不佳而損傷脊髓神經、血管等并發癥，也可以提供良好的螺釘把持力。減少螺釘拔出的風險。

本研究中我們比較了機器人輔助植釘與徒手下植釘進準度的差異性。從術后椎弓根螺釘位置來分級評估，結果顯示A 組機器人輔助植釘組總體優于B 組。但是此部分患者為我院早期使用機器人輔助植釘的患者，由于經驗不足，在顯露的過程中可能肌肉組織顯露不徹底，手術視野不佳，造成椎體注冊誤差加大；在螺釘植入過程中過程中未對椎弓根入釘點用開口器處理，導致磨鉆植入時與入釘點發生偏移。在青少年脊椎側彎患者進行手術中，不同于脊柱退變性疾病，胸腰椎機器人工作平臺是較長而且直的導軌，偏離部分脊椎較遠，機器人無法植釘，需要根據脊柱側彎的類型，分段注冊，矯正過程中存在誤差。脊柱側彎患者椎弓根形態畸形，在術前規劃出理想的釘道，但是在手術中由于椎弓根螺釘外傾角度過大，軟組織阻擋，可能導致機器人臂無法達到理想角度，容易導致釘道移位。

綜上所述，在青少年特發性脊柱側彎手術矯正中，與透視下植釘相比，機器人輔助下椎弓根螺釘植入的精準度較高，螺釘發生穿破椎弓根的發生率較低。本研究的不足在于單中心、樣本量少的回顧性研究，通過術后CT 來評估螺釘位置是可能存在金屬偽影干擾植釘準確度的測量，所以我們需要多中心、大樣本量、前瞻性隨機對照研究及科學的觀察指標來探索機器人在AIS 患者中的應用研究，更加嚴謹的指導臨床工作。