導(dǎo)航技術(shù)在椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展

李欣宸，姬 燁，陳光華，閆景龍

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科，哈爾濱 150010

椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)因其優(yōu)越的生物力學(xué)性能在脊柱外科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如脊柱骨折、脊髓損傷、脊柱腫瘤、脊柱畸形及脊柱退行性病變等的治療［1］。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，脊柱外科手術(shù)不斷向更加精細(xì)和微創(chuàng)的方向發(fā)展，這對(duì)椎弓根螺釘置入的精準(zhǔn)性提出了更高的要求。導(dǎo)航技術(shù)可在術(shù)中引導(dǎo)操作方向并準(zhǔn)確定位椎弓根螺釘?shù)葍?nèi)固定物［2］，以避免椎弓根螺釘置入過(guò)程中對(duì)神經(jīng)、血管造成損傷，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)已應(yīng)用于頸、胸、腰全部脊柱節(jié)段的手術(shù)。導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)收集和分析術(shù)前、術(shù)中及術(shù)后數(shù)據(jù)并分析轉(zhuǎn)化后實(shí)現(xiàn)圖像的二維或三維可視化，進(jìn)而降低誤操作率。目前的導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)整合術(shù)前定位、術(shù)中儀器跟蹤及成像技術(shù)，能在一定程度上提高手術(shù)準(zhǔn)確性，且在計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域有巨大的發(fā)展空間。本文重點(diǎn)闡述應(yīng)用較為廣泛的導(dǎo)航技術(shù)在椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)綜述如下。

1 導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)勢(shì)

不同脊柱節(jié)段有不同解剖學(xué)特點(diǎn)和好發(fā)疾病，如腰椎退行性疾病，尤其伴有腰椎滑脫的患者腰椎常出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、滑移及增生，腰椎原有解剖學(xué)結(jié)構(gòu)改變，增加了徒手置釘?shù)碾y度［3］。Costa等［4］的研究對(duì)導(dǎo)航與非導(dǎo)航手術(shù)的退行性腰椎滑脫患者資料進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，導(dǎo)航組手術(shù)時(shí)間明顯縮短，置釘準(zhǔn)確性優(yōu)于非導(dǎo)航組；導(dǎo)航組和非導(dǎo)航組的手術(shù)時(shí)間分別為（92±31）min和（119±43）min；置釘精確率為96.2%和91.1%；不良置釘率為0%和0.8%。

相較腰椎而言，胸椎椎弓根直徑較腰椎更為狹窄，置釘時(shí)穿破皮質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。王巖等［5］徒手置入405枚胸椎椎弓根螺釘，其中124枚螺釘不同程度地穿破皮質(zhì)（21枚穿破皮質(zhì)距離＞4 mm）。同時(shí)胸椎也是脊柱側(cè)凸的主要累及節(jié)段，且脊柱側(cè)凸患者往往有著個(gè)體化的脊柱結(jié)構(gòu)變異，在脊柱矯形手術(shù)中，如何安全準(zhǔn)確地置入椎弓根螺釘是重中之重。Kotani等［6］回顧性分析了脊柱矯形手術(shù)中416枚椎弓根螺釘?shù)闹萌肭闆r，術(shù)中采用O形臂3D導(dǎo)航輔助置釘與傳統(tǒng)透視置釘，單個(gè)螺釘?shù)闹冕敃r(shí)間分別為（5.4±1.1）min和（10.9±3.2）min，導(dǎo)航輔助置釘時(shí)間明顯縮短、椎弓根螺釘穿孔率下降了約2%。

與其他節(jié)段相比，頸椎椎弓根最細(xì)小且變異性較大，頸椎椎弓根螺釘多用于頸椎穩(wěn)定性的重建，如頸椎骨折脫位的復(fù)位固定或嚴(yán)重后凸畸形的矯形［7］。Singh等［8］在計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航下置入的52枚上頸椎椎弓根螺釘，僅1枚為非精確置釘，且患者并未因此出現(xiàn)神經(jīng)功能損傷。Abumi等［9］徒手置入頸椎椎弓根螺釘準(zhǔn)確性的研究顯示，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的脊柱外科醫(yī)師，徒手置入669枚螺釘中仍有45枚不同程度穿破皮質(zhì)，其中2枚損傷神經(jīng)根。

綜上，相較于徒手置釘，導(dǎo)航技術(shù)在脊柱各節(jié)段的置釘效率和準(zhǔn)確性上均有著不同程度的優(yōu)勢(shì)，并且這一優(yōu)勢(shì)在椎弓根狹窄和解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位體現(xiàn)更為明顯。

2 常用導(dǎo)航技術(shù)

2.1 C形臂X線機(jī)及Iso-C 3D影像系統(tǒng)

術(shù)中C形臂X線機(jī)透視是目前臨床上較為常用的一種導(dǎo)航技術(shù)，因價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單在各級(jí)醫(yī)院應(yīng)用廣泛。但C形臂X線機(jī)的局限性也較為明顯，如需要反復(fù)多次透視，增加術(shù)區(qū)污染風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)對(duì)醫(yī)患造成輻射［10］；透視圖像為透視方向上全部結(jié)構(gòu)的二維疊加，解剖學(xué)標(biāo)志相互重疊，空間位置不清晰，術(shù)中的定位很大程度上依賴對(duì)二維投影信息的人為解讀，而這種解讀又完全依賴醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)及主觀認(rèn)知，無(wú)法做到客觀和準(zhǔn)確；此外，該方法還面臨著術(shù)者無(wú)法直接操作設(shè)備，而設(shè)備操作者不能準(zhǔn)確領(lǐng)會(huì)術(shù)者對(duì)透視角度的要求等問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，Hofstetter等［11］提出了基于透視的計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)由定位系統(tǒng)、C形臂X線機(jī)及計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)組成，可對(duì)透視圖像進(jìn)行處理后直觀地顯示圖像中的三維空間位置。1999年，德國(guó)西門子公司基于此原理研制出基于C形臂X線機(jī)的計(jì)算機(jī)三維影像導(dǎo)航系統(tǒng)（Iso-C 3D系統(tǒng)）［12］。Iso-C 3D系統(tǒng)具體工作流程［13］：①術(shù)前先將影像設(shè)備（C形臂X線機(jī)等）與導(dǎo)航工作站計(jì)算機(jī)連接，固定患者體位后常規(guī)剝離顯露解剖學(xué)標(biāo)志，并在目標(biāo)節(jié)段的鄰近節(jié)段棘突上安裝定位參考裝置（通常選取視野內(nèi)最高位棘突）。②以C形臂X線機(jī)進(jìn)行190°掃描，確保需固定的椎體均在掃描范圍內(nèi)，上傳的影像數(shù)據(jù)經(jīng)工作站計(jì)算機(jī)處理后在導(dǎo)航屏幕上重建脊柱的橫截面、冠狀面及矢狀面影像。③再對(duì)術(shù)中器械，如開口錐、開路錐等，進(jìn)行定位注冊(cè)，即可在導(dǎo)航屏幕影像實(shí)時(shí)指示下選取進(jìn)釘通道并置入椎弓根螺釘。Iso-C 3D系統(tǒng)可直觀且實(shí)時(shí)觀察螺釘與椎弓根的位置關(guān)系，并根據(jù)術(shù)中情況隨時(shí)改變進(jìn)釘角度，較傳統(tǒng)C形臂X線機(jī)透視下置釘，其準(zhǔn)確率具有明顯優(yōu)勢(shì)。Ishikawa等［14］的研究顯示，傳統(tǒng)方式與Iso-C 3D導(dǎo)航下置釘?shù)?級(jí)（未穿破皮質(zhì)）置釘率分別為73.0%和81.3%，3級(jí)（穿出皮質(zhì)距離≥2 mm）置釘率分別為12.7%和3.3%，在精確置釘率和不良置釘率方面，Iso-C 3D系統(tǒng)均具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。吳登將等［15］對(duì)16具成人頸椎標(biāo)本分組進(jìn)行C形臂X線機(jī)透視下置釘及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)導(dǎo)航下置釘，2種方法置釘成功率分別為83.3%和97.9%，同樣證實(shí)了相較傳統(tǒng)的C形臂X線機(jī)透視，Iso-C 3D系統(tǒng)導(dǎo)航下輔助置釘準(zhǔn)確率更高。但術(shù)中器械對(duì)患者的牽拉所造成的影像漂移是其面臨的最大問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致注冊(cè)圖像與實(shí)時(shí)情況不匹配從而引起誤置［16］，可通過(guò)術(shù)中輕柔操作、盡可能減少患者與模擬坐標(biāo)系的位移等方法來(lái)避免。

2.2 超聲導(dǎo)航系統(tǒng)

皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)與密度的明顯差異使二者具有截然不同的超聲反射信號(hào)，椎弓根螺釘?shù)闹萌胍笫锹葆斣谒少|(zhì)骨內(nèi)走行而不穿破皮質(zhì)骨。因此，利用超聲系統(tǒng)在術(shù)中分辨椎弓根螺釘是否在松質(zhì)骨骨道內(nèi)成為可能。Kantelhardt等［17］最早嘗試使用超聲技術(shù)在椎弓根螺釘置入過(guò)程中導(dǎo)航，但是經(jīng)過(guò)一系列的臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常用的醫(yī)用超聲由體外入射時(shí)，軟組織與骨組織界面聲阻抗差異較大，會(huì)在骨皮質(zhì)后方形成聲影［18］，不同的超聲頻率在組織中的穿透深度是不同的，低頻的超聲可以實(shí)現(xiàn)更深的穿透，但成像分辨率也會(huì)隨之下降，所以能夠達(dá)到導(dǎo)航穿透要求的超聲頻率所產(chǎn)生的超聲圖像分辨率通常較差，無(wú)法滿足導(dǎo)航對(duì)圖像清晰度的要求［19］。目前，骨內(nèi)超聲是脊柱外科超聲導(dǎo)航領(lǐng)域的新方向，即在術(shù)中常規(guī)剝離暴露進(jìn)釘點(diǎn)的解剖標(biāo)志，去除進(jìn)釘點(diǎn)處的骨皮質(zhì)后將超聲探頭伸入椎弓根骨道內(nèi)［20］，或?qū)⒊曁筋^安裝在開路錐前端，在開路錐由椎弓根向前進(jìn)入椎體的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)釘?shù)婪较虻膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，目前國(guó)外已有研究者申請(qǐng)了該專利［21］，但是以目前的技術(shù)手段仍無(wú)法制造出尺寸能進(jìn)入椎弓根骨道的探頭。相較于其他導(dǎo)航手段，超聲導(dǎo)航系統(tǒng)具有價(jià)格低廉，可實(shí)時(shí)成像，無(wú)輻射損傷的優(yōu)勢(shì)，如超聲探頭的制作技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)展，相信會(huì)為該技術(shù)的臨床應(yīng)用帶來(lái)更為廣闊的前景。

2.3 快速成型導(dǎo)航模板

個(gè)體化椎弓根導(dǎo)航模板是脊柱外科導(dǎo)航領(lǐng)域的新技術(shù)之一，該技術(shù)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)影像處理，逆向工程原理，3D打印及快速成型技術(shù)來(lái)重建出完全貼合患者脊柱解剖形態(tài)的導(dǎo)航模板［22］，首先在術(shù)前對(duì)術(shù)區(qū)骨組織進(jìn)行CT掃描并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，將三維的影像信息導(dǎo)入逆向工程軟件后逆向重建與患者解剖結(jié)構(gòu)貼合的反向模型并根據(jù)影像測(cè)出預(yù)期的椎弓根螺釘釘?shù)?，再通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體模型的制作［23］。在術(shù)中充分剝離患者棘突及椎板上的軟組織后，將模板充分貼合于患者脊柱，并沿術(shù)前測(cè)量并設(shè)計(jì)好的進(jìn)釘通道來(lái)置入椎弓根螺釘。該方法術(shù)前即可根據(jù)患者脊柱解剖學(xué)特點(diǎn)重建出導(dǎo)航模板，一定程度上縮短了手術(shù)時(shí)間。Jiang等［24］的研究表明，模板組的術(shù)中透視時(shí)間和手術(shù)時(shí)間分別為（2.76±0.72）min及（171.84±22.46）min，傳統(tǒng)置釘組分別為（3.97±0.94）min及（182.76±28.40）min，可見導(dǎo)航模板相較傳統(tǒng)置釘技術(shù)能夠明顯減少術(shù)中透視時(shí)間及手術(shù)時(shí)間，從而間接減少術(shù)中出血量與感染風(fēng)險(xiǎn)。聞志靖等［25］的針對(duì)該方法的薈萃分析結(jié)果顯示，導(dǎo)航模板在螺釘置入的準(zhǔn)確率上優(yōu)于傳統(tǒng)置入方法。Kanayama等［26］對(duì)使用導(dǎo)航模板輔助下置釘?shù)臏?zhǔn)確性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，置入的80枚螺釘中僅有2枚穿破皮質(zhì)，且穿破皮質(zhì)部分未超過(guò)螺釘直徑的50%，未引起并發(fā)癥，分析其原因，可能與術(shù)中對(duì)椎板表面軟組織剝離不徹底，導(dǎo)航模板無(wú)法與椎板完全貼合有關(guān)。這也是該技術(shù)目前存在的問(wèn)題之一，在某些情況下模板不能完全貼合脊柱，需要完全清除棘突、椎板上的軟組織及殘留肌肉組織［27］，但是這樣做會(huì)在一定程度上增加術(shù)中出血量和軟組織損傷。同時(shí)，該技術(shù)的成熟也需要模型加工精度的進(jìn)一步提高；此外，制作模板的聚合材料不耐高溫高壓消毒，而金屬模板所帶來(lái)的加工難度又會(huì)進(jìn)一步降低精度并增加制作時(shí)間和制作成本［28］。

3 導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 多模式信息融合

主流的影像學(xué)檢查如CT、MRI、PET和X線等可為臨床醫(yī)師提供不同結(jié)構(gòu)和組織的影像學(xué)信息。然而，至今仍沒有一種影像學(xué)檢查可以完整展示全部組織結(jié)構(gòu)。在脊柱外科手術(shù)中，除了骨組織以外，同樣需要關(guān)注如神經(jīng)、血管、肌肉等骨骼以外的組織結(jié)構(gòu)。因此，多模式信息融合對(duì)脊柱外科導(dǎo)航至關(guān)重要［29］。術(shù)中導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多模式影像信息的無(wú)縫融合是脊柱外科導(dǎo)航的未來(lái)發(fā)展方向之一。

3.2 形態(tài)感知技術(shù)

目前較為先進(jìn)的光學(xué)導(dǎo)航模式是利用安裝在解剖學(xué)標(biāo)志及手術(shù)器械上的信號(hào)發(fā)射裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)術(shù)前方案設(shè)計(jì)與術(shù)中位置校準(zhǔn)。術(shù)中手術(shù)器械的定位注冊(cè)非常重要，但存在術(shù)中患者由于體位變化或器械牽拉所產(chǎn)生的影像漂移，一旦出現(xiàn)這種情況，則須重新定位注冊(cè)，大大增加手術(shù)時(shí)間。如果可以使用空間形態(tài)感知技術(shù)來(lái)跟蹤解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)器械，那么這一技術(shù)將有可能大大提高導(dǎo)航的精度［30］。形態(tài)感知技術(shù)最近已經(jīng)在一些微創(chuàng)手術(shù)中開始應(yīng)用［31］，相信未來(lái)將會(huì)在更多領(lǐng)域得以應(yīng)用。

3.3 骨科機(jī)器人

骨科機(jī)器人早在1992年就應(yīng)用于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)［32］。隨后，機(jī)器人輔助手術(shù)也廣泛應(yīng)用在膝關(guān)節(jié)單室關(guān)節(jié)成形術(shù)中，導(dǎo)航的目的是實(shí)現(xiàn)手術(shù)的精確性，而手術(shù)的精確性主要取決于導(dǎo)航系統(tǒng)、操作環(huán)境及操作技術(shù)。骨科機(jī)器人整合了以上3個(gè)變量，在使用相同導(dǎo)航系統(tǒng)的情況下，避免了手術(shù)室內(nèi)人員及器械對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的干擾（如紅外線傳感器的光學(xué)信號(hào)接收器）以及因疲勞和情緒等因素所造成的人為失誤等。機(jī)器人輔助置釘能滿足精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性方面的要求，有效防止誤操作導(dǎo)致的神經(jīng)、血管損傷［33］。SpineAssist作為世界上唯一通過(guò)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和歐盟CE認(rèn)證批準(zhǔn)的脊柱外科機(jī)器人［34］，目前已完成2 500余例手術(shù)，輔助置釘15 000枚，未發(fā)生永久性神經(jīng)損傷的報(bào)道［35］。盡管機(jī)器人輔助骨科手術(shù)仍受到各種技術(shù)上的限制，但其相較傳統(tǒng)置釘技術(shù)有更高的準(zhǔn)確性［36］。其在提高操作靈活性、穩(wěn)定性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，在與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合后，這一領(lǐng)域未來(lái)將擁有巨大的發(fā)展前景。

4 總 結(jié)

自椎弓根螺釘技術(shù)誕生以來(lái)，置釘?shù)臏?zhǔn)確性就一直是脊柱外科醫(yī)師所追求的目標(biāo)，傳統(tǒng)的導(dǎo)航手段面臨著精準(zhǔn)度不高、人為因素影響大的問(wèn)題；新技術(shù)同樣也面臨著價(jià)格昂貴、操作繁瑣等問(wèn)題，且各種導(dǎo)航手段均或多或少地受到各種技術(shù)水平的限制，并沒有一種技術(shù)能夠以明顯的優(yōu)勢(shì)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模式。未來(lái)除了須突破現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸外，亦需要在經(jīng)濟(jì)性和易用性上進(jìn)一步發(fā)展，期待多模式信息融合、形態(tài)感知技術(shù)、骨科機(jī)器人等脊柱外科導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展能將脊柱外科推向智能化手術(shù)的全新階段，讓更多的患者受益。