新型脊柱定位儀在椎弓根螺釘植入手術(shù)中的應(yīng)用研究

王作偉 吳浩 陳贊 王興文 袁慶國(guó) 菅鳳增

(1北京醫(yī)院神經(jīng)外科，北京 100730; 2首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院神經(jīng)外科，北京 100053)

脊柱微創(chuàng)手術(shù)近年來(lái)得到了快速發(fā)展，愈來(lái)愈多的微創(chuàng)手術(shù)代替了傳統(tǒng)的開(kāi)放手術(shù)。很多脊柱微創(chuàng)手術(shù)的關(guān)鍵步驟是穿刺定位，如：微創(chuàng)經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術(shù)，(minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion, MIS-TLIF)[1]，脊柱內(nèi)窺鏡手術(shù)[2]，椎體成形術(shù)(percutaneous vertebroplasty, PVP)[3]等，穿刺定位的成功與否往往是決定手術(shù)成敗的關(guān)鍵。但是，即使具備豐富臨床穿刺經(jīng)驗(yàn)的脊柱外科醫(yī)師也常常遇到穿刺困難的問(wèn)題。所以，如何提高穿刺成功率、縮短手術(shù)時(shí)間、減少醫(yī)師與患者X線的接觸量、提高手術(shù)效率是一直以來(lái)的研究方向。

為了提高脊柱微創(chuàng)手術(shù)的準(zhǔn)確性，使手術(shù)更加安全，作者團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)制作了一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的脊柱定位儀，并研制了配套的相關(guān)軟件。本文介紹了定位儀的構(gòu)造，通過(guò)脊柱尸體標(biāo)本椎弓根穿刺試驗(yàn)驗(yàn)證了定位儀的定位準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

對(duì)象與方法

一、定位儀的結(jié)構(gòu)原理和構(gòu)造

空間兩點(diǎn)決定一條直線。如果把脊柱穿刺針穿刺的軌跡看成一條直線的話，根據(jù)這條線上任意兩個(gè)不重疊的點(diǎn)就能確定這條直線。如果這兩個(gè)點(diǎn)設(shè)定為穿刺起始點(diǎn)和穿刺終止點(diǎn)，就可以確定穿刺線的方程，進(jìn)一步計(jì)算出穿刺點(diǎn)坐標(biāo)、穿刺方向和穿刺深度。這樣就把穿刺的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了在三維坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題。

根據(jù)以上原理，我們需要利用定位儀確定穿刺線上兩點(diǎn)的坐標(biāo)，然后計(jì)算出穿刺線的方程，其他穿刺點(diǎn)的坐標(biāo)也就可以計(jì)算出來(lái)了。整個(gè)計(jì)算過(guò)程由自主研制的軟件完成，只需要輸入兩點(diǎn)坐標(biāo)即可。定位儀的主要構(gòu)造包括可以在X線下讀出參數(shù)的標(biāo)尺部分以及可以確定方向的穿刺部分(圖1)。

圖1 脊柱微創(chuàng)定位儀的結(jié)構(gòu)圖

Fig 1 The structural drawing and photo of spinal location system

The main structures of spinal location system included: bracing system, coordinate measurement system and puncturing system.

二、定位儀使用方法

脊柱微創(chuàng)定位儀的使用包括以下主要步驟(圖2)：固定脊柱定位儀(圖2A)；沿x軸方向拍攝脊柱正位X光(圖2B)，根據(jù)標(biāo)尺記錄位于椎骨表面上的第一穿刺點(diǎn)和位于椎骨深部的第二穿刺點(diǎn)在y-z平面內(nèi)的第一位置坐標(biāo)信息；沿y軸方向拍攝脊柱側(cè)位X光(圖2C)，記錄第一穿刺點(diǎn)和第二穿刺點(diǎn)在x-z平面內(nèi)的第二位置坐標(biāo)信息；將第一位置信息和第二位置坐標(biāo)信息輸入配套軟件，計(jì)算出穿刺的方向、角度和深度(圖2D)；根據(jù)得出的參數(shù)調(diào)整脊柱微創(chuàng)定位儀參數(shù)，使得穿刺針與定位的方向和角度一致，進(jìn)行穿刺(圖2E)；穿刺完成(圖2F)。

三、一般材料

選擇4具T2-S1背部結(jié)構(gòu)(皮膚軟組織)完整的成人脊柱尸體標(biāo)本，其中3男1女，年齡約30～50歲(具體不詳)，經(jīng)過(guò)死亡原因調(diào)查、肉眼觀察及穿刺前放射學(xué)檢查無(wú)胸腰椎相關(guān)病疾病，未見(jiàn)明顯的胸腰椎與椎間隙形態(tài)學(xué)改變。每具標(biāo)本可提供雙側(cè)L1-S1共12個(gè)椎弓根穿刺定位，一共進(jìn)行穿刺48次。

穿刺前標(biāo)本行脊柱電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography, CT)及X線檢查。

四、穿刺方法

穿刺過(guò)程與定位儀使用方法基本相同。

椎弓根穿刺試驗(yàn)中，我們選用了椎弓根的外緣點(diǎn)及內(nèi)緣點(diǎn)作為第一和第二穿刺點(diǎn)。這兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可以在標(biāo)尺中直接獲得。

在X光片中讀出第一、二穿刺點(diǎn)坐標(biāo)值后，重要的步驟是對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行修訂。因?yàn)镃型臂照射的X線并不是平行的，所以需要對(duì)數(shù)值進(jìn)行修訂。在本實(shí)驗(yàn)中，我們利用椎體的高度來(lái)修正數(shù)值。我們?cè)诖┐糖白刁w的CT掃描已經(jīng)得到了椎體的長(zhǎng)寬高數(shù)值，使用這個(gè)椎體CT數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)坐標(biāo)系中讀出的數(shù)值作修訂。放大(或縮小)率=坐標(biāo)系中椎體高度(或者長(zhǎng)、寬)/CT測(cè)量的椎體高度(或者長(zhǎng)、寬)，再利用放大率對(duì)坐標(biāo)數(shù)值進(jìn)行修訂。同時(shí)，在標(biāo)記點(diǎn)位置放置一把刻度尺，對(duì)標(biāo)尺的校對(duì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

將修訂后的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)數(shù)值輸入到計(jì)算軟件中，得出穿刺起始點(diǎn)坐標(biāo)、穿刺方向，調(diào)整定位儀參數(shù)，開(kāi)始穿刺。本實(shí)驗(yàn)選用的穿刺針為克氏針。穿刺針穿刺到達(dá)幾個(gè)穿刺關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，進(jìn)針的距離應(yīng)該和預(yù)先計(jì)算出的數(shù)值相吻合，可以對(duì)穿刺的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

五、觀察指標(biāo)

1.穿刺偏差數(shù)值：在X光正、側(cè)位片上標(biāo)出椎弓根外緣、內(nèi)緣理想的穿刺點(diǎn)，測(cè)量實(shí)際穿刺點(diǎn)與理想穿刺點(diǎn)的偏差距離，正側(cè)位X光片上最大偏差數(shù)值為最終偏差數(shù)值(圖3)。

圖2 定位儀使用方法

Fig 2 The using of spinal location system

A: The spinal location system was fixed on the surgical bed; B, C: In the anteroposterior and lateral view, the first and second key point were identified (black symbols); D: The data was input into the corresponding software, and the result of parameter was gained; E: The puncture was performed according to fixed parameter; F: The puncture location was satisfactory.

圖3 在正側(cè)位透視下，測(cè)量理想的穿刺點(diǎn)(圖中黑點(diǎn)位置)與實(shí)際的穿刺點(diǎn)之間的距離

Fig 3 In the anteroposterior and lateral view，the distances between the planned and actual puncture points on pedicles were measured

2.穿刺優(yōu)良率：采用改良Richter分類標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于螺釘植入的評(píng)判， Richter分類標(biāo)準(zhǔn)[4]將其分為3類，因?yàn)樵诒緦?shí)驗(yàn)中并未實(shí)際植入螺釘，所以采用改良方法。根據(jù)腰椎螺釘?shù)闹睆?選用5 mm)及椎弓根直徑(選用椎弓根長(zhǎng)徑14～16 mm，短徑8～15 mm的標(biāo)準(zhǔn)[5])，將Richter分類進(jìn)行改良，根據(jù)椎弓根穿刺點(diǎn)的偏差，將穿刺效果其分為三類：①優(yōu)：偏差小于3 mm；②良：偏差大于或等于3 mm、小于5 mm；③差：偏差大于或等于5 mm。

六、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 17.0軟件(SPSS software, Version 17.0; SPSS, Inc., Chicago, Illinois)計(jì)算椎弓根實(shí)際穿刺點(diǎn)與理想穿刺點(diǎn)的距離偏差的均數(shù)，并計(jì)算穿刺優(yōu)良率的百分比。

結(jié) 果

椎弓根外緣穿刺點(diǎn)與理想穿刺點(diǎn)的偏差距離在正位片上為：0～6.0 mm，平均(1.8±1.5) mm；側(cè)位片上為：0～7.0 mm，平均(1.6±1.5) mm。椎弓根內(nèi)緣穿刺點(diǎn)與理想穿刺點(diǎn)的偏差距離為在正位片上為：0～6.4 mm，平均(2.0±1.6) mm；側(cè)位片上為：0～7.3 mm，平均(1.9±1.6) mm。穿刺點(diǎn)在椎弓根上的最大偏差距離為：0～7.3 mm，平均(2.4±1.6) mm。穿刺點(diǎn)誤差位置見(jiàn)圖4。根據(jù)最大偏差距離得出穿刺結(jié)果，優(yōu)：34例(70.8%)；良：10例(20.8%)；差：4例(8.3%)，優(yōu)良率為91.7%。

圖4 穿刺點(diǎn)誤差值分布

Fig 4 The puncture distance deviation distribution map

討 論

近年來(lái)，脊柱微創(chuàng)手術(shù)得到了快速發(fā)展，正越來(lái)越深刻地改變著醫(yī)生和患者對(duì)脊柱疾病治療的認(rèn)識(shí)[6-7]。微創(chuàng)手術(shù)極大地減小了手術(shù)的創(chuàng)傷，但是這些微創(chuàng)手術(shù)都離不開(kāi)精確的穿刺定位，穿刺的失敗就意味著整個(gè)手術(shù)的失敗。所以，人們希望借助各種工具來(lái)提高微創(chuàng)手術(shù)穿刺的準(zhǔn)確性。

導(dǎo)航和機(jī)器人的應(yīng)用使脊柱微創(chuàng)手術(shù)的穿刺定位更加準(zhǔn)確，無(wú)論給醫(yī)生還是患者都帶來(lái)了很大的益處[8-9]。但是導(dǎo)航及機(jī)器人系統(tǒng)也會(huì)帶來(lái)手術(shù)誤差，而且造價(jià)昂貴、操作復(fù)雜，暫時(shí)難以推廣。有一些研究致力設(shè)計(jì)造價(jià)便宜、簡(jiǎn)易實(shí)用的定位儀，用于脊柱手術(shù)穿刺定位，有的定位儀已經(jīng)進(jìn)行了臨床應(yīng)用，并取得了較好的效果[10-14]，但是這些定位儀也存在著一些應(yīng)用范圍較小、誤差偏大、操作不便等缺點(diǎn)，在實(shí)際工作中應(yīng)用還存在著一些困難。

針對(duì)現(xiàn)狀，我們希望研制一種脊柱定位儀，能夠提高穿刺成功率、縮短手術(shù)時(shí)間、減少放射線的暴露、提高手術(shù)效率。我們希望能把這種定位儀能廣泛應(yīng)用于脊柱手術(shù)當(dāng)中，本試驗(yàn)首先在腰椎椎弓根穿刺手術(shù)中對(duì)定位儀進(jìn)行驗(yàn)證。

為了確定穿刺線，首先需要確定穿刺線上的兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選用了椎弓根的外緣點(diǎn)及內(nèi)緣點(diǎn)作為第一和第二標(biāo)記點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)的解剖結(jié)構(gòu)在X光片正側(cè)位都可以比較清晰地顯示。無(wú)論我們選擇哪兩個(gè)點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)都必須在X光上解剖結(jié)構(gòu)明確，一旦兩個(gè)點(diǎn)確定了，整個(gè)穿刺線也就確定了。

有了兩個(gè)確定的標(biāo)記點(diǎn)，就需要獲得這兩點(diǎn)的坐標(biāo)，我們?cè)诙ㄎ粌x中設(shè)計(jì)了可以讀取度數(shù)的坐標(biāo)尺。標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)可以在坐標(biāo)尺中讀出。這時(shí)就遇到了一個(gè)很大的問(wèn)題，C型臂X光并不是平行光，而是錐形光，也就是說(shuō)物體的成像是變形的，對(duì)于單個(gè)椎體較小的變形可以忽略不計(jì)，而坐標(biāo)尺成像變形對(duì)數(shù)據(jù)的影響就比較大。這種圖形的變形需要進(jìn)行修正才能夠引用在脊柱定位中。在本研究中利用術(shù)前CT的測(cè)量作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)標(biāo)尺的數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂，同時(shí)也在標(biāo)記點(diǎn)位置添加了一把刻度尺，對(duì)標(biāo)尺的校對(duì)進(jìn)行檢驗(yàn)。這種校正方法雖然不如校準(zhǔn)靶準(zhǔn)確，但是也利用簡(jiǎn)單的方法減小了誤差。

本實(shí)驗(yàn)使用的是克氏針穿刺，針尖到達(dá)椎弓根內(nèi)外緣時(shí)分別記錄X光片正側(cè)位上的穿刺誤差。穿刺點(diǎn)在椎弓根上的最大偏差距離為平均2.4 mm，穿刺的優(yōu)良率為91.7%。這個(gè)結(jié)果較優(yōu)秀導(dǎo)航系統(tǒng)可達(dá)1 mm以下的誤差還有差距，但是作為一個(gè)簡(jiǎn)易定位儀，結(jié)果已經(jīng)令人滿意。在實(shí)際的工作中，穿刺時(shí)要透視確定位置，這時(shí)還可以對(duì)定位儀參數(shù)進(jìn)行校正，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以調(diào)整穿刺位置使得穿刺更加準(zhǔn)確。

盡管本定位儀在椎弓根穿刺試驗(yàn)取得了成功，但是應(yīng)該看到仍然存在著一些不足，比如： C型臂成像變形問(wèn)題造成的誤差仍然存在；本實(shí)驗(yàn)使用克氏針進(jìn)行穿刺，遇到堅(jiān)硬的骨骼可能產(chǎn)生輕微變形，對(duì)最后數(shù)據(jù)的測(cè)量造成影響；未植入螺釘，行CT檢查等。此定位儀要應(yīng)用于臨床，還需要大樣本的研究來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證它的準(zhǔn)確性。

新型脊柱定位儀在椎弓根穿刺試驗(yàn)中提高了穿刺的準(zhǔn)確性，具有體積小巧、操作方便、精確性高等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

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