輔助技術應用下脊柱側凸矯形手術的研究進展

封顯濤，陸曉生

（1.右江民族醫學院研究生學院，廣西 百色 533000；2.北流市人民醫院骨外科，廣西 玉林 537400）

脊柱側凸常伴有三維畸形，累及冠狀面、矢狀面及橫斷面，特發性脊柱側凸是常見類型，約3%青少年受累[1]，其癥狀可因側凸程度不同而不同，包括影響美觀、心肺功能受限及脊髓神經損傷等。Cobb 角是評估脊柱側凸的金標準，治療方式取決于脊柱側凸畸形程度，對于嚴重或進展速度快的青少年特發性脊柱側凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者最終仍需手術治療。椎弓根釘棒系統內固定為常用的手術方式，以矯正畸形，解除脊髓、神經壓迫，恢復穩定性及減緩或阻止進程等為手術目的，其中選擇融合節段也至關重要[2]。椎弓根解剖形態對手術影響較大，側凸畸形患者椎弓根常嚴重變細、變形或缺如，椎弓根螺釘難以通過甚至無法通過，此時置釘侵入椎管、損傷脊髓神經及大血管風險高，并發癥將對患者造成嚴重的負面影響。崔冠宇等[3]研究發現青少年脊柱側凸患者在胸椎椎弓根參數與正常青少年在胸彎頂椎附近差異明顯，在凹側椎弓根寬度較窄。為了提高置釘精確度、降低相關手術風險，輔助技術逐漸被應用于臨床，幫助術者預判置入椎弓根釘和手術難度、提高側突矯形成功率具有重要作用。本研究檢索國內外文獻，對輔助技術應用下脊柱側凸矯形手術的研究進行總結，以期為臨床提供有益參考，現綜述如下。

1 有限元分析

有限元分析（FEA）利用數值求解工程和數學建模中出現的微分方程的技術，對模型進行力學模擬，先離散、后整合，以有限元素（即單元）模擬復雜的真實系統，現已廣泛用于生物力學研究中[4]，如在脊柱外科領域可進行模擬仿真手術等。許陽陽等[5]建立正常與Lenke 1型側凸脊柱三維模型，發現應力應變在頂椎變化最明顯，凹凸側應力不均衡，生理應力曲線改變，一側需代償維持；椎弓根螺釘后路矯形融合的效果已被認可，但仍存在螺釘松動、拔出和斷裂等并發癥，Musapoor 等[6]研究矯正力大小與螺釘密度關系，結果顯示使用更高的螺釘密度，應力分布明顯更大；上椎體固定技術 （UIV）可能對側凸矯形后相鄰節段疾病、交界處后凸畸形和假關節形成有影響，Nevzati等[7]通過三種固定技術進行對比，發現椎弓根螺釘剛性強，上椎體應力、拔出力最高，橫突鉤剛性小，但相應上椎體應力小，由于生物力學存在差異，在指導選擇上端固定技術方面可能需要對患者進行個性化評估；Wu 等[8]利用FEA 研究脊柱縮短的力學實驗中發現，在符合需要時，脊柱畸形矯正需盡量保留脊柱長度，以防止脊髓損傷、內固定物骨折和鄰近節段病（ASD）；鄔超等[9]通過FEA 側凸椎體及椎間盤的不同位置受力及位移情況，同時提供整體到局部的量化指標；吳曉薇等[10]對側凸患者進行活動度及應力應變的模擬，結果發現畸形最明顯處的椎體應力變化趨勢與靜態時相反，提示脊柱側凸改變了正常生物力學。通過FEA 可了解脊柱側凸后應力分布及鄰近組織受力情況，將復雜、抽象化的信息轉變為可視化的，利于對應解釋復雜變化。辛大奇等[11]對AIS 在前后5 年模擬矯形手術，對比結果示胸、腰椎側凸的矯形率及矯形效果均明顯下降，同時各術式下的螺釘應力最大區域也發生了變化，建議有手術指征的患者盡快選擇合適的術式；王永清等[12]對Lenke5 型AIS 患者T3～L5節段鈦棒應力變化進行分析，結果顯示鈦棒在胸彎下端椎與腰彎上端椎應力較大，尤其在左、右旋轉工況下。模擬螺釘置入術后并分析與各椎體間的應力變化，同時在效仿人體活動時受力情況，對螺釘失效方面有力學參考價值。

FEA 可對側凸患者術前進行可視化模擬仿真手術，分析在矯正力作用下螺釘、椎體及鄰近節段椎體、椎間盤等應力變化及矯正規律，為臨床提供生物力學參數及指導；其次了解脊柱各節段的運動學特性，可對比手術前后活動度丟失程度，預測椎體退變情況。但FEA 是否能真實、可靠反映側凸患者實際情況，與建模有很大關系，脊柱周圍解剖復雜，在側凸基礎上增加了變異可能，實際應用需在臨床工作中進一步驗證。

2 3D 打印

3D 打印技術在降低脊柱側凸矯形置釘難度中起到很大幫助，通過重建手術節段脊柱三維模型，導入3D 打印機后得到解剖實體模型，在體外實體模型中模擬手術，研究適合的進針點、角度及螺釘長度、大小，并可在三維層面觀察解剖區域和畸形細節[13]。高笛等[14]對76 例脊柱側凸患者研究中發現，3D 打印組可以提升手術效果，提高矯形成功率；沈建輝[15]對12 例脊柱后凸畸形患者進行頸椎體截骨術，結果顯示結合3D 打印技術可減少手術創傷、提高置釘成功率。體外手術節段3D 模型可幫助術者詳細了解局部特殊解剖特征，構建手術計劃，并可反復進行手術關鍵操作，增加熟練度，對真實術中情況有預判作用。此外，衍生出3D 打印導航模板，通過脊柱后方椎體骨性標志設計出與后方緊密相貼的定位標志模板，可以術前規劃置釘角度、深度及大小等，制作出個體化模板輔助置釘，姜成浩等[16]運用3D 打印導航模板對9 例脊柱側凸患者畸形矯正，結果顯示置釘安全率為83.9%；徐會法等[17]研究認為3D 打印組與導航模板組在置釘精確度比較，差異無統計學意義，在手術時間、置釘時間、術中出血量方面3D打印組占優，可能與3D 打印組無需安裝定位模板有關；白云松等[18]使用3D 打印技術清晰、直觀顯示兒童先天性脊柱側凸的脊柱結構及形態，在置釘準確率上明顯高于對照組；李雷等[19]研究將3D 打印技術應用于AIS 后路內固定矯形手術，可提高螺釘置入準確性，縮短置釘時間。3D導航模板猶如提前設計置入通道，在充分暴露解剖部位后安裝好即可進行操作，以上研究均顯示3D打印可明顯提高置釘準確性，一定程度上減少反復術中透視和輻射暴露，在矯形效果方面有所改善。導航模板在脊柱后方如何穩定安裝是其重要點，根據后方解剖結構，王輝等[20]采用棘突和椎板鄰近關節突區域作為固定點，具有較好的安裝穩定性，這是準確置釘的基礎，否則可影響置釘角度、增大誤差等。

在臨床應用中，3D 打印技術可以提供手術節段模型，在術前模擬手術、了解術中關鍵點，同時設計置釘導航模板，幫助手術醫生置釘、定位等，特別是對于年輕醫生來說，可減少學習曲線，提高置釘精確度，避免嚴重并發癥的發生。但是3D 打印耗時長，時效性差，對患者CT 數據質量及3D 打印硬件要求高，同時費用較昂貴，其在解剖變異明顯的患者中可能應用價值更高。且也存在模型與實體之間的誤差，術中仍需謹慎操作。

3 骨科機器人

隨著醫學智能化發展，骨科智能機器人逐漸應用于脊柱外科，以提高椎弓根釘置入精確度。該系統通過CT 掃描獲得手術節段影像數據并導入控制系統，對手術節段螺釘角度、大小進行設置并執行，視蹤系統監視下機械臂運動到指定位置，并借助定位通道置釘。特發性脊柱側凸主要累及胸椎和腰椎，胸腰椎椎弓根各有不同，胸椎椎弓根寬度偏小，特別是T4或T5[21]，然而對于側凸患者，椎弓根解剖變異明顯，凹凸側差異大，甚至一側缺如，使置釘難度大大增加，同時損傷脊髓神經和大血管的風險增加，特別是嚴重側凸者，對置釘精準度、術者技術要求高。目前骨科機器人在置釘方面展現出明顯優勢。宋玉鑫等[22]研究發現，與3D 打印技術比較，機器人輔助下明顯提高了A類螺釘置入的準確率；張同同等[23]研究發現，機器人置釘可以減少D 類級結果；凡君等[24]研究比較骨科機器人和徒手置釘的效果，結果顯示骨科機器人不僅在提高置釘準確度、減少出血量及縮短住院時間等方面占優，同時還可提高整體療效；Chen 等[25]使用機器人對退行性脊柱側凸矯形，置釘準確率為98.7%，高于徒手置釘的92.2%。在提高置釘精確的同時，骨科機器人手術術后效果也有很大改善。李軍杰等[26]運用天璣機器人對伴有椎體旋轉的脊柱側凸患者進行導航置釘，總誤置率為1.1%，無二次調釘，術后效果滿意；包夢穎等[27]對一位主彎Cobb 角40°的特發性脊柱側凸患者矯形，機器人輔助下術后側凸畸形明顯改善。翟功偉[28]用Mazor 機器人輔助置釘28 例，與徒手置釘比較，在單個螺釘置入時間上占優，可能在連接系統、機器人操作等方面耗時多，但一次性精準置釘后減少反復調整螺釘及透視次數。同時骨科機器人的出現也帶動了脊柱微創置釘的演變，術前規劃完畢后可經皮置入螺釘，遠比常規顯露手術部位創傷小。

機器人輔助導航技術無疑為椎弓根安全置釘提供幫助，提高置釘準確性、安全性，但可能會增加手術時間、經濟費用等，特別是定位出現故障時，將導致整體出現偏差，此時需要多次調整螺釘或重啟設備。盛偉超等[29]分析可能的原因包括椎體節段定位錯誤、解剖位置暴露不良、通道管滑移及手術臺位置變化等，要求手術醫生需術前、術中注意任何一個操作細節，否則可能會影響全局。

4 總結與展望

FEA 能可視化模擬手術，了解固定器置入后應力應變情況，提供關鍵定性生物力學參考；3D 打印技術提供側凸模型，制訂個性化置釘導航模板，深入了解手術節段解剖細節及為術者提供體外練手機會；骨科機器人系統體外規劃螺釘進針點、角度及大小，可重復操作直至滿意，同時也推動了微創置釘的發展。總之，輔助技術應用于脊柱側凸矯形手術極大提高椎弓根螺釘置入精確度，減少螺釘誤置導致的嚴重并發癥風險，特別是對于嚴重側凸患者，但各輔助技術應用也存在相關局限性。

當前脊柱矯形融合以椎弓根釘棒系統內固定為主要方式，然而脊柱側凸椎弓根變異也是手術面臨的棘手問題。針對椎弓根置入螺釘條件差的情形，有學者提出椎弓根外內固定，如新型脊柱改良系統。該系統無需進入椎管，以橫突為固定點，只需顯露橫突或椎板進行操作，從而降低手術風險和減少并發癥，經過生物力學及FEA 研究，從理論上可以達到冠狀面和水平面類似于椎弓根釘棒固定強度，存在微動態固定，可減緩鄰近節段退變[30-31]；但該系統目前仍處基礎研究階段，其中一個關鍵點在于橫突鉤與橫突的契合度，胸腰椎橫突形態學三維角度差異大，前期研究主要集中在腰椎方面，然而脊柱側凸在胸椎發生率不低，深入研究胸椎必不可少，后期需大量動物實驗、生物力學及臨床研究進一步證實其可行性，以期該系統能作為椎弓根釘棒系統的有益補充。