骨科機(jī)器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定位置不良原因分析

章仁杰，申才良，張華慶，董福龍，張銀順，錢軍，李偉

(安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，安徽 合肥 230022)

隨著微創(chuàng)脊柱外科的發(fā)展，微創(chuàng)手術(shù)越來越受歡迎[1]，而機(jī)器人輔助技術(shù)的出現(xiàn)可以最大限度地?cái)U(kuò)大微創(chuàng)技術(shù)的優(yōu)勢，如更高的置釘準(zhǔn)確性，較低的射線暴露水平，較少的手術(shù)時間和術(shù)中出血。目前，國外著名的SpineAssist/Renaissance機(jī)器人引導(dǎo)系統(tǒng)使用相對廣泛，其置釘精確性令人滿意[3, 4]，但仍可通過優(yōu)化某些影響因素來提高精度。然而，一些前瞻性研究也發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)開放手術(shù)相比，機(jī)器人輔助技術(shù)并沒有提高置釘準(zhǔn)確性，且在術(shù)中射線暴露水平、手術(shù)時間和住院時間等方面都沒有差異[4]。

“天璣”骨科機(jī)器人系統(tǒng)由國內(nèi)自主研發(fā) ，與SpineAssist/Renaissance機(jī)器人在原理和操作程序上并不完全相同，現(xiàn)已用于脊柱及創(chuàng)傷等外科領(lǐng)域。關(guān)于其在輔助椎弓根螺釘?shù)闹冕斁_性方面報(bào)道較少。本文回顧性分析本院應(yīng)用“天璣”骨科手術(shù)機(jī)器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定治療的患者臨床資料，分析機(jī)器人輔助下植入導(dǎo)絲及螺釘?shù)木纫约捌溆绊懸蛩亍?/p>

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2018年1月～2019年2月于安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院接受“天璣”骨科機(jī)器人輔助經(jīng)椎弓根螺釘固定治療患者，記錄其年齡、性別、置釘節(jié)段、術(shù)中透視圖像、導(dǎo)絲植入準(zhǔn)確性(一次規(guī)劃及二次規(guī)劃)，導(dǎo)絲放置不良的位置及原因，螺釘放置的準(zhǔn)確性，手術(shù)時間和術(shù)中術(shù)后并發(fā)癥等。并發(fā)癥包括椎旁血管損傷、神經(jīng)根損傷、脊髓損傷和術(shù)后感染等。所有手術(shù)醫(yī)生均經(jīng)“天璣”骨科機(jī)器人操作培訓(xùn)。

1.2 手術(shù)方法

全身麻醉后，患者取俯臥位，定位板定位，標(biāo)記計(jì)劃置釘椎體的椎弓根及示蹤器固定的棘突在皮膚投影。固定患者示蹤器于手術(shù)節(jié)段上或下一節(jié)段棘突，于機(jī)器人機(jī)械臂末端安裝示蹤器和定位標(biāo)尺。調(diào)整定位標(biāo)尺盡量貼近手術(shù)區(qū)域皮膚(距皮膚約5 mm)，使機(jī)械臂示蹤器上的標(biāo)記點(diǎn)位于C臂機(jī)視野內(nèi)(正側(cè)位透視至少包含4個標(biāo)記點(diǎn)及置釘椎體)，進(jìn)行掃描。將三維影像傳輸至機(jī)器人工作站，自動配準(zhǔn)，根據(jù)三維影像進(jìn)行椎弓根置釘路徑的規(guī)劃，包括進(jìn)釘點(diǎn)、方向及規(guī)格。根據(jù)規(guī)劃路徑，調(diào)整機(jī)器人機(jī)械臂末端位置，待機(jī)器人走位停止后，沿機(jī)器臂導(dǎo)向器插入工作套筒，標(biāo)記皮膚處進(jìn)釘位置，橫行或縱行切開皮膚皮下，工作套筒充分?jǐn)U張軟組織至接觸到椎體骨性部分。沿工作套筒方向電鉆植入導(dǎo)絲(保持電鉆一定的鉆速)，通常置入深入為2-3 cm，撤除工作套筒，重復(fù)上述過程依次完成剩余導(dǎo)絲植入。C臂機(jī)透視確定導(dǎo)絲位置，滿意后再逐級擴(kuò)張軟組織，經(jīng)攻絲等步驟沿導(dǎo)絲置入椎弓根釘，再次雙平面透視驗(yàn)證內(nèi)固定位置滿意，上棒。沖洗傷口，逐層縫合，適當(dāng)加壓包扎。

1.3 術(shù)中導(dǎo)絲位置及椎弓根螺釘精度評估

由于本院脊柱外科手術(shù)室無術(shù)中CT，因此對導(dǎo)絲放置準(zhǔn)確性的評估主要基于術(shù)中雙平面透視、與規(guī)劃路徑比較和外科醫(yī)生的臨床判斷，其他研究人員也使用了類似方法[5-7]。術(shù)后患者均完成了正側(cè)位X線片檢查，對患者進(jìn)行編號，編號尾數(shù)為3、6、9的27例患者行CT檢查，參考Neo等[8]標(biāo)準(zhǔn)評估置釘準(zhǔn)確性：0級：椎弓根螺釘完全在椎弓根內(nèi)；1級：螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)<2 mm；2級：螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)≥2 mm,且<4 mm；3級：螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)≥4 mm(或螺釘完全偏離)。將0級定義為螺釘位置理想，1和2級為螺釘位置可接受，3級定義為不可接受。

術(shù)中計(jì)劃放置釘根據(jù)Hu[5]的分類，被分為：(1)使用機(jī)器人引導(dǎo)成功/精確放置螺釘；(2)使用機(jī)器人位置不佳的螺釘；(3)使用機(jī)器人中止并手動放置螺釘；(4)原先計(jì)劃但未放置的螺釘(不影響脊柱穩(wěn)定性)。由2位脊柱外科醫(yī)生對所有圖片進(jìn)行分析，以確定嘗試機(jī)器人引導(dǎo)放置導(dǎo)絲的次數(shù)、置釘?shù)慕Y(jié)果及不放置螺釘?shù)脑颉?/p>

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用 SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料采用x±s表示，計(jì)數(shù)資料采用百分比(%)表示，組間率的比較(不同年資醫(yī)生)采用x2檢驗(yàn)。α=0.05為檢驗(yàn)水準(zhǔn)。

2 結(jié)果

2.1 基線資料

本組患者91例，男45例，女46例；平均年齡49.7±11.8(12-72)歲。以胸腰椎骨折為主、88例，其他(頸胸椎后縱韌帶骨化，胸椎腫瘤，腰椎間盤突出癥)3例。植入椎弓根螺釘508枚。因大部分患者為胸腰段骨折，故將植入螺釘節(jié)段分為3類：T1-T9節(jié)段40枚，T10-L2400枚，L3-L568枚。手術(shù)順利，手術(shù)時間為(157.4±70.5)min，無任何醫(yī)源性神經(jīng)或血管損傷。

2.2 導(dǎo)絲精確性評估及影響因素

導(dǎo)絲經(jīng)一次規(guī)劃植入成功率為95.3%(484/508)，根據(jù)導(dǎo)絲偏移情況經(jīng)二次規(guī)劃更改，成功率66.7%(16/24)。經(jīng)機(jī)器人輔助植入導(dǎo)絲及螺釘?shù)恼w成功率為98.4%(500/508)。另外8枚偏差導(dǎo)絲均在傳統(tǒng)透視輔助下經(jīng)皮置釘。其中1枚骨折椎體的螺釘經(jīng)導(dǎo)絲植入后過于松動而被去除。

15例患者24枚導(dǎo)絲出現(xiàn)偏差，其中偏外13枚，偏下5枚，偏上2枚，偏內(nèi)1枚，嚴(yán)重偏差3枚。導(dǎo)絲位置不良的影響因素有多種，并且是共同作用的結(jié)果。主要為術(shù)中規(guī)劃位置不良(進(jìn)釘點(diǎn)在角度較大的斜坡上，內(nèi)傾角太小)和套筒放置不當(dāng)(套筒及導(dǎo)絲打滑，軟組織壓力，術(shù)中操作)，占66.7%(16枚)；而機(jī)器人器械安裝不穩(wěn)固(示蹤器移位)也是其中一個原因，占29.2%(7枚)，常導(dǎo)致多根(≥3)導(dǎo)絲失準(zhǔn)。另外，圖像配準(zhǔn)(肥胖，椎弓根細(xì))對導(dǎo)絲植入精確性也有影響(見表1，圖1-4)。

表1 機(jī)器人輔助下導(dǎo)絲位置不良情況、處理措施及原因分析

將術(shù)者按臨床工作年限分為高年資主治醫(yī)生以上和低年資主治醫(yī)生，前者操作的導(dǎo)絲誤置發(fā)生率為2.7%(10/376)，后者導(dǎo)絲誤置發(fā)生率為10.6%(14/132)，兩者差異有顯著性(x2=13.706，P=0.000)，故術(shù)者操作技巧及手術(shù)經(jīng)驗(yàn)對導(dǎo)絲植入精確性也至關(guān)重要。

2.3 術(shù)后螺釘精確性

所有患者術(shù)后X線顯示螺釘均在椎體內(nèi)，27例患者共154枚螺釘?shù)腃T掃描結(jié)果按Neo分類[8]為：螺釘位置理想94.2%(0度145 枚)，可接受5.8%(1 度6枚、2度3枚)。根據(jù)Hu[5]分類，螺釘植入位置一級97.6%(496/508)，二級0.6%(3/508)，三級1.6%(8/508)，四級0.2%(1/508)。

3 討論

目前，已有多種手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)用于脊柱外科領(lǐng)域，包括SpineAssist /Renaissance，SPINEBOT，VectorBot 以及 ROSA等，其中以色列研發(fā)的 SpineAssist/Renaissance 系統(tǒng)最為著名，該系統(tǒng)已獲得FDA和CE認(rèn)證，目前已完成手術(shù)約35000例[9]。雖然SpineAssist/Renaissance脊柱機(jī)器人置釘精確性很高[2-3]，但仍然存在導(dǎo)絲及螺釘?shù)恼`置[5,10]。此外，SpineAssist /Renaissanc還存在操作復(fù)雜及缺少實(shí)時影像監(jiān)控等缺陷[9]。“天璣”骨科機(jī)器人系統(tǒng)由國內(nèi)自主研發(fā)，現(xiàn)已開始用于脊柱及創(chuàng)傷等外科領(lǐng)域。目前針對該機(jī)器人的置釘精確性以及影響精度的因素的研究較少。

本研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)機(jī)器人輔助系統(tǒng)一次規(guī)劃導(dǎo)絲植入成功率為95.3%，經(jīng)二次規(guī)劃總成功率為98.4%，螺釘植入術(shù)后位置一級97.6%，且術(shù)后CT結(jié)果提示螺釘位置良好或可接受。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，Renaissance機(jī)器人輔助系統(tǒng)在一次規(guī)劃后導(dǎo)絲植入的準(zhǔn)確性為94.0%，二次配準(zhǔn)后準(zhǔn)確性為98.7%[11]，該學(xué)者另一項(xiàng)研究證實(shí)，螺釘位置準(zhǔn)確性與術(shù)中導(dǎo)絲位置的準(zhǔn)確性一致[12]。雖然在機(jī)器人輔助下導(dǎo)絲植入精確性很高，但經(jīng)一次規(guī)劃后仍存在導(dǎo)絲位置不良，本研究發(fā)現(xiàn)4.7%的導(dǎo)絲發(fā)生不同位置的偏移，需要進(jìn)行二次規(guī)劃，經(jīng)過二次規(guī)劃更改的成功率為66.7%。所以筆者認(rèn)為存在一些因素與導(dǎo)絲植入精確度有關(guān)，試圖通過優(yōu)化這些影響因素以進(jìn)一步提高植入精度。

3.1 術(shù)前規(guī)劃不當(dāng)

由于“天璣”機(jī)器人主要接收ARCADIS 0rbic 3D(Siemens Medical So1ution，德國)系統(tǒng)掃描生成的三維原始數(shù)據(jù)(Renaissance機(jī)器人采用術(shù)前三維CT數(shù)據(jù))，在上述匹配的三維圖像上規(guī)劃螺釘植入路徑并設(shè)定植入?yún)?shù)，此時選擇的入釘點(diǎn)不當(dāng)(如選擇在上關(guān)節(jié)突的斜面上)容易導(dǎo)致套筒打滑[4]，進(jìn)而出現(xiàn)偏差。如果同時合并內(nèi)傾角小將擴(kuò)大這種誤差率，相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)這個問題[10]。

3.2 套筒放置不當(dāng)

在正確規(guī)劃之后，套筒的位置仍然受到軟組織壓力過大、骨表面打滑、鉆孔力量不當(dāng)、術(shù)中操作不當(dāng)?shù)扔绊?。本組出現(xiàn)釘?shù)榔钫哂?例較為肥胖，考慮偏差原因可能與軟組織壓力大、繼而引起套筒移位。如患者腰背肌太厚或較發(fā)達(dá)，會導(dǎo)致軟組織壓力過大，進(jìn)而引起套筒偏移，可能是伴有危險(xiǎn)的內(nèi)側(cè)偏移[10]。因此，減小軟組織壓力可能會降低這種偏差[13]。套筒移位同樣可能由于骨面不規(guī)則，骨面滑移，內(nèi)傾角過小，以及不適當(dāng)?shù)你@孔力量所致[5,14]，減少這種誤差可選擇一個合適的入釘點(diǎn)，使用高速鋒利鉆頭[10]。不可忽略的是，術(shù)中操作技巧也會影響套筒位置。

我們發(fā)現(xiàn)有16枚的重置螺釘可能與跟術(shù)前規(guī)劃不當(dāng)有關(guān)，當(dāng)然套筒放置不當(dāng)也是原因之一，而這會擴(kuò)大規(guī)劃不當(dāng)帶來的影響。由于胸腰段結(jié)構(gòu)的特殊性，尤其是T12-L2，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)變異較大，上關(guān)節(jié)突外緣坡面角度較大，加之L1,2椎弓根較小，都可能導(dǎo)致胸腰段置釘精確度較差。

3.3 機(jī)器人安裝不穩(wěn)

應(yīng)用“天璣”機(jī)器人時，需要在機(jī)械臂末端安裝示蹤器或工具基座，患者棘突上安裝示蹤器(用棘突夾固定)，如安裝不切實(shí)會出現(xiàn)不穩(wěn)或松動，這都將引起誤差。本組有2例因?yàn)槭聚櫰骱图粖A出現(xiàn)松動，導(dǎo)致多根導(dǎo)絲位置不良。有學(xué)者也認(rèn)為，機(jī)器人輔助置釘時不穩(wěn)定的安裝可能會導(dǎo)致置釘精確性下降[15]。其他研究者在使用脊柱機(jī)器人時發(fā)現(xiàn)不確實(shí)的固定會導(dǎo)致病人和機(jī)器人之間的相對運(yùn)動[5, 10]。此外，Schizas等[14]發(fā)現(xiàn)使用套筒力量過大也會導(dǎo)致椎體與器械之間的相對運(yùn)動，而這些相對運(yùn)動都會引起導(dǎo)絲植入位置的偏差。

3.4 術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗(yàn)

機(jī)器人輔助技術(shù)的應(yīng)用同樣需要術(shù)者有一定的開放以及微創(chuàng)手術(shù)經(jīng)驗(yàn)。無論術(shù)中規(guī)劃軌跡是否良好，如術(shù)者操作不當(dāng)(用套筒或?qū)Ыz進(jìn)行椎弓根入點(diǎn)開口時用力過猛)都可能會導(dǎo)致套筒移位，這種移位以偏下和偏外居多，有學(xué)者也有類似的發(fā)現(xiàn)[14]。很多學(xué)者認(rèn)為，與開放手術(shù)一樣，術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)對機(jī)器人手術(shù)有著不可忽略的影響[5]。與許多微創(chuàng)手術(shù)一樣，“天璣”骨科機(jī)器人也存在學(xué)習(xí)曲線[16]。

3.5 圖像配準(zhǔn)

“天璣”機(jī)器人只能接收術(shù)中ARCADIS 0rbic 3D透視機(jī)的掃描數(shù)據(jù)(非術(shù)前三維CT)，而西門子3D-C臂掃描范圍有限，此時如果圖像采集不完全則容易出現(xiàn)誤差。筆者發(fā)現(xiàn)，如患者體質(zhì)量指數(shù)太大，皮膚脂肪或肌肉太發(fā)達(dá)，使得椎體(椎弓根進(jìn)針點(diǎn))與皮膚距離太遠(yuǎn)，則可能導(dǎo)致C臂機(jī)在透視及后續(xù)掃描時無法包含目標(biāo)椎體的全部，導(dǎo)致后期合成的圖像不完整，進(jìn)而可能在螺釘路徑規(guī)劃上出現(xiàn)誤差。本組有2例肥胖患者在導(dǎo)絲植入時出現(xiàn)偏差，可能與此因素有一定相關(guān)性。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)椎弓根進(jìn)釘點(diǎn)與皮膚距離大于50 mm時(無法完全包含4個標(biāo)記點(diǎn)及置釘椎體)，應(yīng)慎重選擇機(jī)器人輔助。另外，患者術(shù)中的呼吸管理(胸廓的起伏)也會影響圖像配準(zhǔn)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，如患者具有嚴(yán)重的脊柱畸形、高體質(zhì)量指數(shù)、極低骨密度、椎弓根過小以及內(nèi)固定松動等，都可能會影響圖像的配準(zhǔn)及釘?shù)酪?guī)劃[5]。既往手術(shù)的植入物如心臟起搏器或胸骨金屬縫線也會影響成像從而導(dǎo)致配準(zhǔn)錯誤[15, 17]。

根據(jù)以上總結(jié)的原因，筆者認(rèn)為機(jī)器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定的成功應(yīng)用需要仔細(xì)的術(shù)前規(guī)劃、精確的安裝和良好的手術(shù)操作技巧及經(jīng)驗(yàn)。在導(dǎo)絲出現(xiàn)偏差后可考慮以下幾個處理原則：(1)如術(shù)中發(fā)現(xiàn)1根或2根導(dǎo)絲位置不佳，可重新規(guī)劃，并注意術(shù)中操作；(2)如2根以上的導(dǎo)絲位置不佳，檢查機(jī)器人各部位安裝是否牢固，示蹤器等部件是否松動；(3)如進(jìn)釘偏外不多，可用空心鉆頭適當(dāng)調(diào)整內(nèi)傾方向直接更改；(4)二次規(guī)劃后仍失敗，建議不要再規(guī)劃，直接考慮使用傳統(tǒng)透視輔助下經(jīng)皮置釘。術(shù)中分析及找出導(dǎo)絲移位原因和術(shù)者具備傳統(tǒng)閉合打釘經(jīng)驗(yàn)，均可有效挽救失敗。

然而，本研究同樣存在一些不足，導(dǎo)絲置入的準(zhǔn)確性是通過雙平面X線圖像及術(shù)者經(jīng)驗(yàn)而非CT來評估的，而CT被證明是評估導(dǎo)絲以及螺釘植入準(zhǔn)確性的有效方法[10,11]。但筆者認(rèn)為，術(shù)后CT評估的椎弓根螺釘位置準(zhǔn)確性亦無法完全反映術(shù)中導(dǎo)絲植入位置的原始情況，且大部分醫(yī)院并沒有術(shù)中CT。在本研究及其他學(xué)者的研究中均認(rèn)為，術(shù)中利用雙平面透視可以判斷導(dǎo)絲及螺釘位置的準(zhǔn)確性，并且筆者也認(rèn)為，導(dǎo)絲位置的準(zhǔn)確程度基本決定了螺釘?shù)木_度。

圖1 患者，女性，49歲，腰3骨折，左L4偏下，考慮為規(guī)劃不當(dāng)，二次規(guī)劃將進(jìn)釘點(diǎn)適當(dāng)上移，調(diào)整后L4導(dǎo)絲位置良好，上釘后螺釘位置良好

圖2 患者，女性，56歲，L1骨折，右T12、L1偏外(椎弓根較小)，考慮可能存在進(jìn)針點(diǎn)滑移，二次規(guī)劃將進(jìn)釘點(diǎn)適當(dāng)內(nèi)移，調(diào)整后T12導(dǎo)絲位置良好，L1仍偏外，行傳統(tǒng)透視下閉合打釘，上釘后螺釘位置良好

圖3 患者，男性，53歲，L1骨折，左T12、L1偏上，考慮存在規(guī)劃不當(dāng)，二次規(guī)劃將進(jìn)釘點(diǎn)適當(dāng)下移，調(diào)整后T12導(dǎo)絲位置良好，L1仍偏上，L1行傳統(tǒng)透視下閉合打釘，上釘后螺釘位置良好

圖4 患者，男性，61歲，T12腰化，L1骨折，患者較胖，如包含示蹤器4個標(biāo)記點(diǎn)，則無法包含椎體全部。左T12偏內(nèi)，二次規(guī)劃將進(jìn)釘點(diǎn)適當(dāng)外移，調(diào)整后T12仍偏內(nèi)，考慮可能為肌肉推移，行傳統(tǒng)透視下閉合打釘，上釘后螺釘位置良好

4 結(jié)論

“天璣”骨科機(jī)器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定的置釘精度與術(shù)前規(guī)劃、套筒放置，機(jī)器人安裝、術(shù)者手術(shù)操作及經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，使用機(jī)器人輔助技術(shù)時，需要綜合考慮上述因素從而降低置釘誤差。當(dāng)然，機(jī)器人系統(tǒng)本身也存在誤差，但我們相信隨著它的不斷改進(jìn)，機(jī)器人系統(tǒng)將在未來脊柱手術(shù)中有更廣泛的應(yīng)用。