經皮椎弓根螺釘植入影像輔助技術的新進展

李永犇（綜述），潘進社（審校）

（河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北石家莊 050051）

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經皮椎弓根螺釘植入影像輔助技術的新進展

李永犇（綜述），潘進社*（審校）

（河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北石家莊 050051）

外科手術，計算機輔助；手術，微創(chuàng)性；綜述文獻

傳統(tǒng)開放椎弓根螺釘植入術由于過度剝離椎旁肌，并發(fā)癥較多，越來越多的學者開始采用微創(chuàng)椎弓根螺釘植入技術［1-3］。為了提高經皮椎弓根螺釘植入術的準確性，一些先進的計算機輔助導航系統(tǒng)被引用到脊柱外科。本文在此對用于經皮椎弓根螺釘植入術的各種導航技術作一綜述，以期對臨床有一定幫助。

1 C型臂X線機在經皮椎弓根螺釘植入術中的應用

目前用于指導經皮椎弓根螺釘置入的透視法包括2種：正側位雙向透視法，椎弓根軸位側位雙向透視法。椎弓根軸位像可以較準確顯示椎弓根周圍皮質，更利于判斷螺釘的內外側角度和椎弓根的直徑；標準的正側位透視方法雖然相對簡單，但不能真實反應椎弓根中心及其直徑，在其引導下容易選擇直徑偏小的螺釘，螺釘穿出椎弓根的概率也較高［4］。

以上2種方法有一個共同的缺點——使用中需反復調整C型臂的位置，不僅增加手術時間，而且增加醫(yī)生和患者的X線輻射量。Idler等［5］通過一個特殊的影像導航系統(tǒng)（Neuro Vision M5）提高了定位椎弓根軸位像的效率，降低了X線輻射量。該系統(tǒng)包括裝配在C型臂上的探測裝置，與其相連的Neuro Vision導航系統(tǒng)，一臺微電腦和一個顯示屏。探測裝置為該系統(tǒng)的核心部件，包括3部分：①裝配在影像增強器上的分劃板；②加速計，即C型臂傾斜傳感器，可以確定C型臂在各種平面上的傾斜角度；③激光瞄準器，用于確定皮膚入點和導針的方向。術前對患者椎體進行CT掃描，利用CT影像計算出每個椎弓根與矢狀面的夾角，并輸入微電腦，術中便可在屏幕上顯示出C型臂需要向椎體內外側傾斜的角度。術中攝椎體側位像后，傳輸到Neuro Vision導航系統(tǒng)，便可在屏幕上測量出C型臂需要向頭尾側傾斜的角度。然后，激光瞄準器在皮膚上定位出最佳進釘點和進釘方向。Idler等［5］采用該技術共植入326枚螺釘（L3～S1），準確率達98.47%。他們認為該技術不僅提高了C型臂X線機的效率及準確性，而且降低了手術難度和C型臂相關的術區(qū)污染率。

2 計算機輔助導航系統(tǒng)在經皮椎弓根螺釘植入術中的應用

近年來，計算機輔助導航系統(tǒng)在脊柱外科中的應用進一步提高了椎弓根螺釘植入的準確性。伴隨技術的發(fā)展，計算機輔助導航系統(tǒng)已由依賴外科醫(yī)師進行手動配準［6-7］發(fā)展成了自動配準，使該技術應用在經皮椎弓根螺釘植入術成為可能。目前，應用在經皮椎弓根螺釘植入術的計算機輔助導航系統(tǒng)包括基于光學空間定位技術的二維/三維導航系統(tǒng)，以及基于電磁空間定位技術的電磁導航系統(tǒng)。

2.1 二維導航系統(tǒng)：基于CT的影像導航系統(tǒng)曾經被看做計算機輔助導航技術的標準［8-9］。但該技術需要外科醫(yī)師將椎體的術前影像與術中實際解剖結構進行手動配準，需要開放手術充分暴露椎體后側骨性結構，不能用于微創(chuàng)手術。隨后出現的具有自動配準功能的二維導航系統(tǒng)對脊柱外科來說是一次重要的變革。

二維導航系統(tǒng)是傳統(tǒng)C型臂X線機和影像導航系統(tǒng)相結合的產物，增加了傳統(tǒng)透視法的優(yōu)點，減少了其缺點。在手術器械和C型臂裝配示蹤器，并由導航系統(tǒng)照相機追蹤。在C型臂的影像增強器上安裝校準靶，即一個均勻網格分布的校正模板，經過插值運算對X線透視圖像進行幾何校正，計算機工作站就可以建立起一個透視圖像的模型，將追蹤的手術器械與保存的圖像模型疊加在一起，當手術器械對圖像模型進行“操作”時，系統(tǒng)可以同時顯示它們在正側位影像上的位置關系。透視圖像可保存，透視時手術人員可以從手術區(qū)域離開，大大減少了X線輻射。由于不需要手術醫(yī)師進行手動配準，既節(jié)省了手術時間，也避免了較長的學習曲線。

然而，該技術并沒有擺脫傳統(tǒng)透視法的一些缺點［1］，不能提供椎體軸位像，不能很好地顯示椎管，而軸位像的獲取對于提高螺釘植入準確性很重要；對于胸椎、肥胖患者、過度骨質疏松患者或者復雜解剖和姿勢等均不能提供高質量的影像，影響螺釘植入準確性。

近些年來，關于二維導航系統(tǒng)輔助下椎弓根螺釘植入準確性的研究較多。Foley等［10］采用二維導航系統(tǒng)和Sextent系統(tǒng)完成12例經皮椎弓根螺釘植入術，其中優(yōu)良11例，1例進行了翻修手術。Ravi等［11］對41例患者采用二維導航系統(tǒng)經皮植入161枚椎弓根螺釘，無1例神經、血管或者內臟損傷，37枚螺釘（23%）穿出椎弓根，其中穿出＜2mm 31枚螺釘，穿出2～4mm 5枚，穿出＞4mm 1枚，每位患者總的透視時間＜20s。

2.2 三維導航系統(tǒng)：等中心C型臂的發(fā)明使得術中實時獲得三維影像成為可能。三維導航系統(tǒng)是等中心C型臂和影像導航計算機技術相結合的產物。等中心C型臂可以自動沿其190°弧連續(xù)旋轉，對準一個中心連續(xù)攝像，采集256幅數字點片圖像并自動重建三維圖像，將圖像傳輸至導航系統(tǒng)，根據顯示器提供的信息，即可確定理想的進針點和進釘方向［12］。該系統(tǒng)在圖像獲取、重建、數據傳輸到計算機工作站并完成自動注冊總共需時不超過5min，極大的提高了該系統(tǒng)的“親和力”［13］。該技術具備CT影像導航系統(tǒng)的優(yōu)勢——可以重建椎體的軸位、冠狀位和矢狀位影像，清晰顯示椎弓根周圍皮質及椎管影像，為椎弓根螺釘的精確定位提供保障，還可以準確得出所需螺釘的長度和直徑，避免了憑主觀經驗選擇螺釘型號的誤差。該技術也具備二維影像導航系統(tǒng)的優(yōu)勢——無需進行手動配準；無需反復X線透視，攝像后可將C型臂移開，便于術者操作等［14］。此外，該技術可以同時顯示多個節(jié)段（3個腰椎或者4個頸椎），所有掃描水平均自動注冊，可以同時導航多個節(jié)段，是目前一種較為理想的導航方式。

然而，三維導航技術并沒有完全擺脫二維影像導航技術的缺點。當患者肥胖、骨質疏松或者脊柱畸形等情況時，導航的準確性可能受到影響［13］。Verlaan等［15］證實了三維導航技術提供的椎體三維影像數據與真實解剖結構能達到良好吻合。Acosta等［1］第1次將三維導航系統(tǒng)應用到人體經皮椎弓根螺釘植入術中，取得了良好的效果。Holly等［16］的研究表明，該技術與CT影像導航系統(tǒng)具有相似的效果，在腰椎椎弓根螺釘植入術中準確性達到100%，胸椎為92%。van de Kraats等［17］通過尸體研究進一步驗證了三維導航技術在椎弓根內植入克氏針的準確性，他以導航系統(tǒng)計劃出的虛擬針尖位置與術后實際針尖位置作對比，發(fā)現兩者距離之差為（2.5±1.5）mm。

2.3 電磁導航系統(tǒng)：電磁導航系統(tǒng)屬于特殊的二維導航系統(tǒng)，其空間定位技術采用的是電磁示蹤技術。雖然光學示蹤技術仍是空間定位技術的主流，但由于易受術中手的遮擋、周圍光線及金屬物體鏡面反射的影響，實際應用中有一些不便利之處，電磁導航技術則可避免這一弊端［8］。將電磁發(fā)射器置入傷病椎臨近正常椎體棘突上，每個電磁產生線圈定義一個空間方向，3個線圈確定3個空間方向，然后再根據已知的相對位置關系就可以對金屬目標的空間位置進行定位。在C型臂影像增強器上安裝校準靶和用于測量電磁信號的電磁接收器，進行正側位攝像后該系統(tǒng)可以自動將術中影像與真實解剖結構進行配準，即可實時在正側位影像上進行導航。同樣，該系統(tǒng)具備自動注冊、低X線放射量的優(yōu)點，攝像后C型臂也可從術區(qū)域移除，便于術者操作。電磁導航系統(tǒng)的缺點是容易受手術區(qū)域附近的特定金屬或者其他干涉源的影響，因此手術器械所用材料需要特別選取，這也是其應用受限的最主要原因；離發(fā)射器越遠電磁信號越低，以1/r3的比例減弱（r為磁場半徑），只有在一定磁場半徑內才能維持該導航系統(tǒng)的準確性，一般認為追蹤的目標必須在發(fā)射器45.7cm的半徑內，也就是說該系統(tǒng)最多能準確導航發(fā)射器周圍3個椎體。

電磁導航系統(tǒng)具有與光學導航系統(tǒng)相似的準確性［18-20］。von Jako等［20］采用尸體研究對比了電磁導航系統(tǒng)和C型臂X線機在經皮椎弓根內置入克氏針的準確性和工作效率，發(fā)現2組克氏針置入均100%成功，電磁導航系統(tǒng)組克氏針的位置普遍優(yōu)于C型臂組，電磁導航系統(tǒng)組所需的準備時間長于C型臂組（9.6min∶3.6min），但平均每椎體置釘時間為6.3 min∶9.7 min，每椎體置釘所需平均透視時間為11s∶48s，差異均有統(tǒng)計學意義。von Jako等［21］對比了電磁導航與傳統(tǒng)X線輔助技術的準確性及其他指標，發(fā)現電磁導航系統(tǒng)組理想置釘數明顯多于傳統(tǒng)X線組（62.7%∶40%），螺釘穿出椎弓根數明顯少于傳統(tǒng)X線組（16.2%∶42.5%），電磁導航組在腰椎椎弓根螺釘植入術中的準確性顯著優(yōu)于C型臂組（穿出率為16.2%∶42.5%），而兩組在胸椎和骶椎上沒有顯著差別，電磁導航組總的放射時間比傳統(tǒng)X線組減少了77%，2組植釘時間差異無統(tǒng)計學意義。因此，電磁導航系統(tǒng)在經皮植入椎弓根術中具備一定的準確性，與C型臂X線機輔助技術相比，雖然增加了術前準備時間，但提高了螺釘植入效率，大大減少了術中透視時間。

3 小 結

微創(chuàng)椎弓根螺釘植入術是脊柱外科的一大發(fā)展趨勢，為了提高其準確性，各種導航技術和機器人輔助技術得到了長足的發(fā)展。Neuro Vision M5大大提高了經典的Magerl技術的效率。二維和三維導航技術、電磁導航技術均具備自動配準功能，使其應用在經皮椎弓根螺釘植入術中成為可能。三維導航技術結合了二維導航技術和標準的CT影像導航系統(tǒng)的優(yōu)點，是目前一種較為理想的導航技術。然而目前這些導航系統(tǒng)在胸椎、肥胖患者和嚴重骨質疏松患者術中成像質量不高，影響導航準確性。相信這一問題會隨著科學的進步和技術的發(fā)展得以解決。

［1］ ACOSTA FL JR，THOMPSON TL，CAMPBELL S，et al.Use of intra-operative isocentric C-arm-3-D fluoroscopy for sextant percutaneous pedicle screw placement：Case report and review of the literature［J］.Spine J，2005，5（3）：339-343.

［2］ SASSO RC，BEST NM，POTTS EA.Percutaneous computerassisted translaminar facet screw：an initial human cadaveric study［J］.Spine J，2005，5（5）：515-519.

［3］ SMITH HE，YUAN PS，SASSO R，et al.An evaluation of imageguided technologies in the placement of percutaneous iliosacral screws［J］.Spine（Phila Pa 1976），2006，31（2）：234-238.

［4］ WIESNER L，KOTHE R，RUTHER W.Anatomic evaluation oftwo different techniques for the percutaneous insertion of pedicle screws in the lumbar spine［J］.Spine（Phila Pa 1976），1999，24（15）：1599-1603.

［5］ IDLER C，ROLFE KW，GOREK JE.Accuracy of percutaneous lumbar pedicle screw placement using the oblique or“owlˊseye”view and novelguidance technology［J］.JNeurosurg Spine，2010，13（4）：509-515.

［6］ HOLLY LT，FOLEY KT.Image guidance in spine surgery［J］. Orthop Clin North Am，2007，38（3）：451-461.

［7］ HOLLY LT，FOLEY KT.Intraoperative spinal navigation［J］. Spine（Phila Pa 1976），2003，28（15 Suppl）：S54-61.

［8］ FOLEY KT，SMITH MM.Image-guided spine surgery［J］. Neurosurg Clin N Am，1996，7（2）：171-186.

［9］ MERLOZ P，TONETTI J，PITTET L，et al.Pedicle screw p lacement using image guided techniques［J］.Clin Orthop Relat Res，1998，（354）：39-48.

［10］ FOLEY KT，GUPTA SK.Percutaneous pedicle screw fixation of the lumbar spine：preliminary clinical results［J］.JNeurosurg，2002，97（Suppl 1）：7-12.

［11］ RAVIB，ZAHRAI A，RAMPERSAUD R.Clinical accuracy of computer-assisted two-dimensional fluoroscopy for the percutaneous placement of lumbosacral pedicle screws［J］.Spine（Phila Pa 1976），2011，36（1）：84-91.

［12］ 陳林林，劉春志，呂文軍，等.3D影像導航系統(tǒng)在新鮮胸腰椎骨折治療中的應用［J］.中國冶金工業(yè)醫(yī)學雜志，2008，25（6）：675-676.

［13］ HOLLY LT，FOLEY KT.Percutaneous placement of posterior cervical screws using three-dimensional fluoroscopy［J］.Spine（Phila Pa 1976），2006，31（5）：536-540.

［14］ WOOD M，MANNION R.A comparison of CT-based navigation techniques forminimally invasive lumbar pedicle screw placement［J］.JSpinal Disord Tech，2011，24（1）：E1-E5.

［15］ VERLAAN JJ，VAN DE KRAATS EB，VANWALSUM T，et al. 3D rotational X-ray imaging for less invasive spine surgery.A quantitative validation study comparing reconstructed images with corresponding anatomical sections［J］.Spine（Phila Pa 1976），2005，30（5）：556-561.

［16］ HOLLY LT，FOLLEY KT.Three-dimensional fluoroscopyguided percutaneous thoracolumbar pedicle screw placement［J］. JNeurosurg Spine，2003，99（Suppl 3）：324-329.

［17］ VAN DE KRAATSEB，VANWALSUM T，VERLAAN JJ，et al. Three-dimensional rotational X-ray navigation for needle guidance in percutaneous vertebroplasty：an accuracy study［J］. Spine（Phila Pa 1976），2006，31（12）：1359-1364.

［18］ QUINONES-HINOJOSA A，ROBERT KOLEN E，JUN P，et al. Accuracy over space and time of computerassisted fluoroscopic navigation in the lumbar spine in vivo［J］.JSpinal Disord Tech，2006，19（2）：109-113.

［19］ RESNICK DK.Prospective comparison of virtual fluoroscopy to fluoroscopy and plain radiographs for p lacement of lumbar pedicle screws［J］.JSpinal Disord Tech，2003，16（3）：254-260.

［20］ VON JAKO RA，CARRINO JA，YONEMURA KS，et al. Electromagnetic navigation for percutaneous guidewire insertion：accuracy and efficiency compared to conventional fluoroscopic guidance［J］.Neuroimage，2009，47（Suppl 2）：T127-132.

［21］ VON JAKO RA，FINN MA，YONEMURA KS，et al.Minimally invasive percutaneous transpedicular screw fixation：increased accuracy and reduced radiation exposure by means of a novel electromagnetic navigation system［J］.Acta Neurochir（Wien），2011，153（3）：589-596.

（本文編輯：劉斯靜）

R814.41

A

1007-3205（2012）07-0859-04

2012-02-18；

2012-04-23

李永犇（1985-），男，河北霸州人，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院醫(yī)學碩士研究生，從事骨外科疾病診治研究。

*通訊作者

10.3969/j.issn.1007-3205.2012.07.046