椎弓根螺釘自動規(guī)劃系統(tǒng)在機器人輔助腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用

中圖分類號 R681.5 TP242 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2025）08-1282-06

Application of automated pedicle screw planning system in robot-assisted lumbarpediclescrewfixation

CAO Zhiwei1，ZHU Haitao'， ZHU Kuoyun'， CONG Lin1，LI Bingle2，LI Chunlin2， ZHU Yue1 （1.DeparmentofOrthopedics，teistHospitalofChia MedicalUniversityShenyang1ooo，Chia;2.Beijinganzihangdical Technology Co.， Beijing 100096， China）

AbstractObjective：Toinvestigate theapplicationof anautomated pediclescrewplanningsysteminrobot-asstedlumbarspine surgery.Methods：Clinicaldataof45patients wounderwentrobot-asistedposteriorlumbarpediclescrewfixationusinganautomated planning systembasedonintraoperativeO-arcone-beamcomputedtomography（CBCT）imagesat theDepartmentofOrthopedics，the FirstHospitalofChinaMedicalUniversityfromJune224toFebruary2O25wereretrospectivelynalyedSrewplanningaccracywas assessed using theGertbein-Robbins gradingsystem.Screwtrajectoriesfrom manualanotationandautomated planning wrecompared. Planingtimeandscrewadjustmentrateswererecorded.Results：Atotalof232screwsweresuccessfullplanned.Among normal vertebrae，216 screws were acceptable，achieving a planning accuracy of 99.08% . Among fractured vertebrae，1O screws were acceptable， with a planning accuracy of 71.43% .No statistically significant difference was found between manual annotation and automated planning of screw trajectories Pgt;0.05 ）.The average screw planning time was （8.29±0.53 ）s.137 screws were adjusted in normal vertebrae（adjustment rate： 62.84% ），and12screwswereadjustedin fractured vertebrae（adjustmentrate： 85.71% ）.Amongthese adjustments，143screws were modified in the transverse plane （adjustment rate： 61.64% ），while 6 screws were adjusted in the sagittal plane （adjustment rate： （204號 2.59% ）.Conclusion：Theautomated pediclescrew planning systemusedinthis studycanachievehighacuracyinlumbarpediclescrew placement while significantly reducing planning time，which is worthy of clinical promotion.

Key WordsPedicle Screw; Automatic Planning; Orthopedic Robot; Clinical Application

椎弓根螺釘貫穿椎體前中后三柱，具有良好的三維固定作用，廣泛應(yīng)用于脊柱內(nèi)固定術(shù)[]。然而脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍毗鄰豐富的血管、神經(jīng)等，因此如何快速、準確、安全地置入椎弓根螺釘成為脊柱內(nèi)固定術(shù)的研究熱點[2-5]。近年來，隨著數(shù)字化、智能化理念在外科領(lǐng)域的推廣，機器人輔助技術(shù)得到了普遍認可[6-8]。骨科機器人在保證置釘準確性和安全性的同時，降低了椎弓根破裂、血管神經(jīng)損傷、螺釘錯位等風(fēng)險[9-12]。常規(guī)機器人輔助手術(shù)中，圖像采集傳輸、機械臂校準定位等環(huán)節(jié)已實現(xiàn)自動化，但螺釘軌跡的規(guī)劃仍需手動操作完成。理想的螺釘軌跡需要操作者在CT圖像上找出螺釘?shù)娜朦c，根據(jù)椎體和椎弓根情況確定螺釘置入方向，評估螺釘直徑和長度。此過程繁瑣冗雜，耗時耗力，會導(dǎo)致手術(shù)時間延長。因此，探索一種高效、智能的螺釘軌跡規(guī)劃系統(tǒng)是必要的[13]。本研究依托UNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立了基于CBCT圖像的椎弓根螺釘自動規(guī)劃系統(tǒng)，旨在探索該系統(tǒng)在腰椎手術(shù)中的應(yīng)用，評價螺釘規(guī)劃的準確性、規(guī)劃時間、規(guī)劃軌跡及螺釘調(diào)整率。

1 資料與方法

1.1一般資料回顧性分析2024年6月—2025年3月于行機器人輔助腰椎后路椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的45例患者臨床資料。其中男15例，女30例，年齡為（ 57.83±13.31 ）歲；腰椎管狹窄癥18例，腰椎滑脫15例，腰椎骨折7例，腰椎間盤突出癥5例。納入標準： ① 腰椎疾病患者，包括腰椎管狹窄癥、腰椎間盤突出癥、腰椎滑脫、腰椎骨折等，手術(shù)方式以腰椎后路椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)為主； ② 術(shù)中采用O臂掃描得到的CBCT圖像行椎弓根螺釘自動規(guī)劃。排除標準： ① 腰椎椎弓根形態(tài)不完整； ② 合并嚴重的基礎(chǔ)疾病或重度骨質(zhì)疏松； ③ 脊柱腫瘤或病理性骨折患者。

1.2自動規(guī)劃系統(tǒng)的構(gòu)建方法自動規(guī)劃系統(tǒng)構(gòu)建了包含700例腰椎CBCT圖像的數(shù)據(jù)集。首先將數(shù)據(jù)導(dǎo)人3DSlicer中進行椎弓根螺釘?shù)臉俗?，標注原則如下：矢狀面上，選擇椎弓根中點作為螺釘入釘點，與椎體上終板平行作為螺釘入釘方向。橫斷面上，選擇上關(guān)節(jié)突基底部外緣作為線段的起點，使線段通過椎弓根通道最窄部位橫切線的中點，前方與椎體皮質(zhì)相交，相交點作為線段終點，完成椎弓根螺釘?shù)臉俗ⅲㄈ鐖D1）。將標注后的數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗證集、測試集，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型完成對椎弓根螺釘軌跡的規(guī)劃[14]。訓(xùn)練集和驗證集由600 例C臂數(shù)據(jù)構(gòu)成，其中訓(xùn)練集450例，驗證集150例。測試集由100例0臂數(shù)據(jù)構(gòu)成，經(jīng)測試，該自動規(guī)劃系統(tǒng)運行良好，現(xiàn)搭載于天璣Ⅱ骨科手術(shù)機器人（型號：TiRobotForceProSuperior）投人臨床應(yīng)用。1.3術(shù)中規(guī)劃流程手術(shù)機器人工作臺與0臂X線機連接，將無菌罩固定于機械臂上，確保機械臂的活動范圍可以覆蓋整個手術(shù)區(qū)域。將示蹤器固定于患者髂后上棘，完成機械臂校準，使患者、機械臂、示蹤器均處在光學(xué)追蹤器掃描范圍內(nèi)。使用0臂X線機掃描術(shù)區(qū)，采集術(shù)中CBCT圖像，上傳至工作臺。進入自動規(guī)劃系統(tǒng)，點擊“虛擬螺釘”按鈕，系統(tǒng)自動生成虛擬螺釘軌跡（如圖2）。術(shù)者根據(jù)手術(shù)需要選擇相應(yīng)節(jié)段添加規(guī)劃螺釘，并從橫斷面、矢狀面、冠狀面逐一查看所選螺釘。根據(jù)術(shù)中情況手動調(diào)整螺釘?shù)娜脶旤c、入釘角度、直徑及長度，待上述參數(shù)經(jīng)術(shù)者認可后方可執(zhí)行（如圖3）。

圖1螺釘標注示意圖Figure1Schematic diagram of screw labeling注：A.矢狀面；B：橫斷面

圖2虛擬螺釘軌跡Figure2Virtual screwtrajectory注：A.冠狀面；B.橫斷面；C.矢狀面

注：A～B.自動規(guī)劃螺釘?shù)墓跔蠲?、矢狀面視圖；C～D.調(diào)整前后L3右側(cè)螺釘?shù)臋M斷面視圖；E～F.調(diào)整前后L3右側(cè)螺釘軌跡在橫斷面的角度；G～H.調(diào)整前后螺釘軌跡的冠狀面、矢狀面視圖，灰色為自動規(guī)劃螺釘軌跡，彩色為調(diào)整后螺釘軌跡機械臂按規(guī)劃軌跡運行至人釘位置，借助套筒置入克氏針，0臂掃描驗證克氏針位置良好后（如圖4），沿克氏針置入椎弓根螺釘，0臂再次掃描驗證螺釘位置（如圖5）。透視螺釘位置滿意后，根據(jù)患者病情完成狹窄椎管的減壓、滑脫或骨折椎體的復(fù)位等。完成上述操作后，C臂掃描螺釘及連接棒位置（如圖6）。

1.4評價指標

1.4.1規(guī)劃準確性依據(jù)椎體形態(tài)將椎體分為正常椎體和傷椎，由兩名脊柱外科醫(yī)生共同審核，分別對正常椎體和傷椎的螺釘軌跡按Gertbein-Robbins分級進行評級。A級：螺釘未穿破骨皮質(zhì)；B級：螺釘穿破骨皮質(zhì)長度 ?2mm ；C級： 2mmlt; 螺釘穿破骨皮質(zhì)長度 ?4mm ；D級： 4mmlt; 螺釘穿破骨皮質(zhì)長度 ?6mm ；E級：螺釘穿破骨皮質(zhì)長度 gt;6mm 。其中A級和B級為可接受的螺釘軌跡，C～E級為規(guī)劃失敗的螺釘軌跡。

1.4.2規(guī)劃時間記錄患者術(shù)中自點擊“虛擬螺釘”按鈕至系統(tǒng)自動生成虛擬螺釘軌跡所需時間。

1.4.3規(guī)劃軌跡按照標注原則進行螺釘軌跡的手動標注，并測量螺釘在橫斷面及矢狀面上的相關(guān)角度[15]，與自動規(guī)劃的螺釘軌跡進行比較，實現(xiàn)螺釘軌跡的定量評價（如圖7）。 ∝ 越大代表外展角越小，∝ ’越大代表尾傾角越大。

圖3調(diào)整前后螺釘軌跡及調(diào)整示例 Figure3Screw trajectorybeforeandafter adjustment with demonstration

圖43D-CT驗證克氏針位置Figure 4 3D-CTverification of Kirschner wire position注：A.L3右側(cè)克氏針；B.L3左側(cè)克氏針；C.L4雙側(cè)克氏針；D.L5雙側(cè)克氏針

圖53D-CT驗證螺釘位置Figure 53D-CTverification of screwplacement注：A.L3雙側(cè)椎弓根螺釘；B.L4雙側(cè)椎弓根螺釘；C.L5雙側(cè)椎弓根螺釘

圖6C臂術(shù)中透視Figure 6Intraoperative fluoroscopy of C-arm注：A.腰椎DR正位；B.腰椎DR側(cè)位

圖7測量螺釘角度 Figure 7Screw angle measuring

注：A～B.分別沿椎體橫斷面視圖的矢狀面中線（平分椎體、椎管和棘突）和矢狀面視圖的下終板繪制參考線（藍色），沿螺釘軌跡（綠色）長軸繪制參考線（橙色）。 ∝ 為螺釘在橫斷面上與參考線垂線的角度； ∝ ’為螺釘在矢狀面上與參考線垂線的角度

1.4.4螺釘調(diào)整率分別記錄正常椎體、傷椎、橫斷面及矢狀面的螺釘調(diào)整數(shù)目，計算螺釘調(diào)整率。螺釘調(diào)整率 調(diào)整的螺釘數(shù)目／自動規(guī)劃的螺釘數(shù)目。

1.5統(tǒng)計學(xué)方法所有數(shù)據(jù)采用SPSS26.0統(tǒng)計學(xué)軟件進行統(tǒng)計分析，經(jīng)檢驗服從正態(tài)分布且方差齊的計量資料以均數(shù) ± 標準差 ）表示，計數(shù)資料以頻數(shù)（ n ）表示，組間比較采用配對樣本 χ_t 檢驗，以 Plt;0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1螺釘規(guī)劃準確性本研究共成功規(guī)劃螺釘232枚，T1212枚、L116枚、L218枚、L324枚、L470枚、L574枚、S118枚。其中正常椎體規(guī)劃螺釘218枚，規(guī)劃準確度為 99.08% ，傷椎規(guī)劃螺釘14枚，規(guī)劃準確度為 71.43% （見表1）。

2.2螺釘軌跡規(guī)劃時間所有螺釘軌跡規(guī)劃共耗時373.05s，最短規(guī)劃用時 7.21s ，最長規(guī)劃用時 9.76s 。每例患者的螺釘軌跡規(guī)劃時長為（ 8.29±0.53 ）so

2.3螺釘規(guī)劃軌跡手動標注和自動規(guī)劃螺釘軌跡的橫斷面角度、矢狀面角度相比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（ Pgt;0.05 ），見表2。

2.4螺釘調(diào)整率本研究共調(diào)整螺釘149枚，螺釘總調(diào)整率為 64.22% ，其中正常椎體調(diào)整螺釘137枚，調(diào)整率為 62.84% ；傷椎調(diào)整螺釘12枚，調(diào)整率為 85.71% ；橫斷面上調(diào)整螺釘143枚，調(diào)整率為 61.64% ：矢狀面上調(diào)整螺釘6枚，調(diào)整率為 2.59% 。

表1正常椎體與傷椎的螺釘軌跡評級

Table 1 Screw trajectory grading in normal and injured vertebrae

表2螺釘軌跡的橫斷面與矢狀面角度（ ）Table 2Axial and sagittal angulation of screw trajectory （204號

3 討論

數(shù)字化、智能化是未來脊柱外科發(fā)展的目標和方向[。骨科機器人的出現(xiàn)正是當前理念指導(dǎo)下的產(chǎn)物[17-18]。手術(shù)規(guī)劃作為骨科機器人的關(guān)鍵技術(shù)，決定著手術(shù)的成敗。將人工智能與機器人輔助置釘技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)螺釘軌跡的自動規(guī)劃，在保證規(guī)劃準確性和安全性的同時，為脊柱外科醫(yī)生術(shù)中決策提供了參考依據(jù)[19-21]

3.1自動規(guī)劃系統(tǒng)的準確性與高效性隨著機器學(xué)習(xí)的流行，椎弓根螺釘自動規(guī)劃系統(tǒng)逐漸走向成熟[22-24]。然而手術(shù)規(guī)劃作為骨科機器人的關(guān)鍵技術(shù)，規(guī)劃的準確性和規(guī)劃時間一直備受關(guān)注。有研究報道[25]，在UNnet圖像分割的基礎(chǔ)上應(yīng)用特征提取模塊計算出椎弓根螺釘?shù)奶卣鲄?shù)（包括螺釘入點、中點、止點等）完成對螺釘軌跡的自動規(guī)劃，共規(guī)劃螺釘300枚，準確度達 99.00% ，螺釘軌跡規(guī)劃耗時 7.33s SchererM等人[2基于深度學(xué)習(xí)并應(yīng)用nnU-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)腰椎椎弓根螺釘?shù)淖詣右?guī)劃，共規(guī)劃螺釘256枚，其中A級螺釘達97.00% ，實現(xiàn)了螺釘規(guī)劃的高準確性。BertramU等人[27]通過Brainlab脊柱規(guī)劃平臺自動規(guī)劃螺釘877枚，準確度達 92.90% ，與手動規(guī)劃相比，自動規(guī)劃將每個螺釘?shù)囊?guī)劃時間縮短了7s。有研究[28借助UNet完成對CT圖像的分割，通過使用Yolo神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)椎弓根螺釘?shù)淖詣右?guī)劃，輔助規(guī)劃螺釘110枚，準確度達 95.40% ，單枚椎弓根螺釘規(guī)劃時間為 6.88s ，僅為手動規(guī)劃耗時的37%～41% 。WANGBD等人[2]運用改進的3D-UNet和Hourglass網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研發(fā)出AISPINE自動規(guī)劃軟件，實現(xiàn)了腰椎椎體自動分割和椎弓根螺釘自動規(guī)劃，規(guī)劃螺釘438枚，準確度達 97.70% ，為螺釘置入的精準性提供了保證。本研究選擇上關(guān)節(jié)突基底部外緣作為螺釘入釘點[30-31]，使螺釘通過椎弓根通道最窄部位橫切線的中點來完成椎弓根螺釘?shù)臉俗ⅲ揽糠指钜?guī)劃一體化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)螺釘軌跡的自動規(guī)劃，共規(guī)劃螺釘232枚，正常椎體規(guī)劃準確度達 99.08% ，傷椎規(guī)劃準確度達 71.43% 螺釘軌跡規(guī)劃時間為（ 8.29±0.53 ）s。同一操作者手動規(guī)劃單個椎弓根螺釘耗時 30～40s ，自動規(guī)劃在規(guī)劃時間方面有顯著優(yōu)勢。通過比較手動標注和自動規(guī)劃的螺釘軌跡，發(fā)現(xiàn)兩者間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（ Pgt;0.05 ），由此可見，自動規(guī)劃系統(tǒng)已實現(xiàn)了準確、高效的椎弓根螺釘軌跡規(guī)劃。

3.2自動規(guī)劃技術(shù)的螺釘調(diào)整率及調(diào)整原因術(shù)者可依據(jù)O臂采集的術(shù)中CBCT圖像，結(jié)合術(shù)中情況進行螺釘軌跡的手動調(diào)整。正常椎體共規(guī)劃螺釘218枚，術(shù)者手動調(diào)整137枚。橫斷面螺釘調(diào)整率為 61.64% ，矢狀面螺釘調(diào)整率為 2.59% ，主要表現(xiàn)為螺釘在橫斷面上的調(diào)整，具體調(diào)整原因分析如下： ① 開放置釘時，盡可能靠近手術(shù)切口，減少軟組織及肌肉的牽拉力，保持機械臂的穩(wěn)定，減少對置釘精準度的影響； ② 入釘點選擇時，避開陡峭斜面和增生關(guān)節(jié)突，選擇較為平坦的入釘點，降低克氏針打滑的風(fēng)險； ③ 術(shù)中上棒時，整體協(xié)調(diào)螺釘入釘點，盡可能保持同側(cè)螺釘處于一條直線上，以便置人連接棒； ④ 螺釘規(guī)劃時，判定螺釘與椎弓根內(nèi)外壁的距離，避免螺釘穿破椎弓根，造成副損傷。術(shù)者主要針對前三點因素對自動規(guī)劃的螺釘軌跡進行微調(diào)。傷椎共規(guī)劃螺釘14枚，術(shù)者手動調(diào)整12枚，調(diào)整率為 85.71% ，說明當前自動規(guī)劃系統(tǒng)尚不適用于傷椎椎弓根螺釘?shù)囊?guī)劃。這主要是由于傷椎病例數(shù)量少，螺釘軌跡規(guī)劃學(xué)習(xí)不到位。若螺釘規(guī)劃缺失，術(shù)者可手動規(guī)劃出缺失的螺釘軌跡。由此看來，螺釘軌跡的規(guī)劃不僅僅是一個機械的過程，更是人機交互的過程，離不開術(shù)者術(shù)中專業(yè)的判斷，因此結(jié)合術(shù)中情況進行螺釘軌跡的手動調(diào)整是必要的。

3.3研究局限性本研究作為對椎弓根螺釘自動規(guī)劃系統(tǒng)臨床應(yīng)用的初步探索，具有一定局限性：① 納入病例數(shù)量有限，未來需進行多中心、大樣本的臨床研究； ② 目前的螺釘自動規(guī)劃系統(tǒng)尚不適用于傷椎椎弓根螺釘?shù)囊?guī)劃，未來需加強對腰椎傷椎椎弓根螺釘規(guī)劃的機器學(xué)習(xí)； ③ 尚未對胸椎、骶椎數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)，未來需進一步探索和完善。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：曹智偉負責(zé)采集與分析數(shù)據(jù)，文章撰寫；叢琳、朱海濤負責(zé)手術(shù)操作，文章審閱；朱括昀負責(zé)分析數(shù)據(jù)；李丙樂、李春麟負責(zé)軟件研發(fā)、技術(shù)支持；朱悅負責(zé)文章選題，文章指導(dǎo)與審閱。

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收稿日期：2025-03-24編輯：崔明璠