激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)用于輔助股骨頸骨折空心螺釘置入術(shù)的實驗研究

吳江紅，楊 桓，牛升波，周潘宇，趙玉嬋,4，許碩貴*

1. 海軍軍醫(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)大學(xué)）第一附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，上海 200433

2. 海軍軍醫(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)大學(xué)）第一附屬醫(yī)院急診科，上海 200433

3. 海軍軍醫(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)大學(xué)）第一附屬醫(yī)院脊柱外科，上海 200433

4. 上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093

股骨頸骨折是臨床常見的骨折類型，隨著交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展和社會老齡化，患病人數(shù)與日俱增［1］。閉合復(fù)位空心螺釘內(nèi)固定術(shù)作為一種骨科常用的治療手段，因其創(chuàng)傷小、效果確切，成為外科醫(yī)師治療無移位性骨折的首選方法［2-3］。通常認為，采用3 枚彼此平行的空心螺釘呈“倒三角”構(gòu)型進行固定，不僅能提供良好的力學(xué)支撐，還可實現(xiàn)骨折斷端滑動加壓。但是要將3 枚空心螺釘按照“平行、分散”的原則置入狹小的股骨頸并非易事。傳統(tǒng)手術(shù)中，醫(yī)師需要頻繁借助術(shù)中X 線透視才能實現(xiàn)，這會給患者和醫(yī)師帶來額外的輻射暴露［4-5］。此外，由于二維圖像不能精確判斷股骨頸與穿刺導(dǎo)針的位置關(guān)系，常需要多次穿刺，可能引起股骨頭壞死、骨折延遲愈合、退釘?shù)炔l(fā)癥。

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)（surgical navigation system）自誕生以來，在神經(jīng)外科、骨科、放療科等領(lǐng)域逐步得到運用，其大大降低了手術(shù)難度，提高了手術(shù)精確性［6］。近年來，研究者嘗試將導(dǎo)航設(shè)備應(yīng)用于股骨頸骨折空心螺釘內(nèi)固定手術(shù)中，獲得了滿意結(jié)果［7］。本研究介紹了一種新型激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)，通過實驗觀察其在輔助股骨頸骨折空心螺釘置入術(shù)時能否減少導(dǎo)針穿刺次數(shù)和術(shù)中透視次數(shù)、提高導(dǎo)針的平行度和分散度，為該手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 設(shè)備及工作原理 激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)是筆者團隊研發(fā)的一種基于C 臂X 線機（以下簡稱C 臂機）的新型導(dǎo)航設(shè)備，主要部件包括安裝于C 臂機影像增強器端的激光驅(qū)動裝置及與C 臂機圖像輸出線相連的計算處理模塊（圖1）。其工作原理如下：C 臂機成像空間可看作由球管發(fā)出的無數(shù)束X線組成的“圓錐幾何模型”，X 線穿過人體后通過影像增強器形成可視化圖像，圖像上的任何一個目標點都對應(yīng)著唯一的一束X 線?；诖?，通過將C臂機獲取的圖像導(dǎo)入到計算處理模塊，內(nèi)置算法便可自動計算出目標點所對應(yīng)的X 線的坐標信息，并通過無線信號傳輸至激光驅(qū)動裝置，從而調(diào)節(jié)激光驅(qū)動裝置的上、下運動平面，使位于上、下平面間的激光發(fā)射管與經(jīng)過目標點的X 線重合，從而實現(xiàn)體內(nèi)目標的精準定位和手術(shù)路徑可視化。

1.2 實驗分組及處理 采用3D 打印皮膚（自制）與人造股骨模型（美國Sawbone?公司）進行裝配，制成20 個用于股骨頸骨折閉合復(fù)位空心螺釘內(nèi)固定手術(shù)的大腿模型。這些模型被平均分配至傳統(tǒng)C臂機透視引導(dǎo)組（傳統(tǒng)組）和激光定位導(dǎo)航輔助組（導(dǎo)航組），每組10 個。傳統(tǒng)組在C 臂機（CEO850，美國GE 醫(yī)療公司）透視引導(dǎo)下采用規(guī)范流程進行手術(shù)，導(dǎo)航組在激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)輔助下進行手術(shù)；所有實驗均由同一名骨科高年資主治醫(yī)師完成。由于兩組在導(dǎo)針置入后的手術(shù)過程相同，為了簡化實驗，僅比較3 枚導(dǎo)針（直徑為2.5 mm，上海浦東金環(huán)醫(yī)療用品股份有限公司）的置入過程。術(shù)中記錄每組導(dǎo)針穿刺次數(shù)、X 線透視次數(shù)，術(shù)后測量3 枚導(dǎo)針的平行度及分散度。平行度的測量方法參照文獻［8］：測量正、側(cè)位X 線片上3 枚導(dǎo)針兩兩間的角度（角度為0°～＜3°計4 分，3°～＜6°計2 分，≥6°計0 分）并求和，分數(shù)越高表示平行度越好。分散度采用股骨頸相同截面處3 枚螺釘中心所組成的三角形的面積表示，面積越大說明分散度越好［9］。

1.3 傳統(tǒng)組手術(shù)步驟 術(shù)者在C 臂機正、側(cè)位X線透視監(jiān)視下置入第1 枚導(dǎo)針，使其在正位X 線片上緊貼股骨頸下方皮質(zhì)，側(cè)位X 線片上位于前后界中央。平行于第1 枚導(dǎo)針進行后續(xù)2 枚導(dǎo)針的穿刺，X 線透視下確保導(dǎo)針在正位X 線片上位于股骨頸上、下界之間，側(cè)位X 線片上位于股骨頸前、后界之間，且3 枚導(dǎo)針盡量分散。所有過程均需在X 線透視下進針，如果導(dǎo)針方向偏差且無法糾正，需要退針后重新鉆孔，3 枚導(dǎo)針均需進至股骨頭軟骨面下5 mm 左右。

1.4 導(dǎo)航組手術(shù)步驟 導(dǎo)航設(shè)備不需要術(shù)前影像信息采集和術(shù)中配準，也不需要進行手術(shù)工具的注冊，僅需簡單的校準（用時約2 min）。

1.4.1 股骨頸正、側(cè)位體表投影的獲取 將裝有導(dǎo)航設(shè)備的C 臂機移至合適位置（圖2A），使股骨頸大致位于影像增強器中央，然后拍攝正位X 線片（圖2B）。通過鼠標在圖像上依次點擊股骨頸及股骨頭輪廓特征點，激光驅(qū)動器便會驅(qū)動內(nèi)置的激光發(fā)射管移至相應(yīng)位置；用記號筆依次對體表光斑進行標記，從而在大腿前方的皮膚上將股骨頸正位體表投影描記出來（圖2C、2D）。旋轉(zhuǎn)C 臂機（圖2E），拍攝股骨頸側(cè)位X 線片（圖2F），采用同樣的方法在大腿外側(cè)皮膚上描記出股骨頸側(cè)位體表投影（圖2G、2H）。

1.4.2 規(guī)劃導(dǎo)針的置入路徑 按照“平行、倒三角”方案，在股骨頸正、側(cè)位體表投影內(nèi)分別規(guī)劃出3 枚導(dǎo)針的進針路徑：第1 枚導(dǎo)針的正位體表投影為路徑1，側(cè)位體表投影為路徑A；第2 枚導(dǎo)針的正位體表投影為路徑2，側(cè)位體表投影為路徑B；第3 枚導(dǎo)針的正位體表投影為路徑3，側(cè)位體表投影為路徑C（圖2D、2H）。

1.4.3 導(dǎo)針置入 首先進行第1 根導(dǎo)針置入，術(shù)者從大腿正上方觀察，調(diào)整導(dǎo)針方向使其與路徑1 大致重合；同時1 名助手從大腿外側(cè)方觀察，提醒術(shù)者調(diào)整導(dǎo)針方向使其與路徑A 重合；確定方向后緩慢鉆入導(dǎo)針。當導(dǎo)針進入適當深度后，經(jīng)X 線透視檢查導(dǎo)針位置，若發(fā)生偏離及時退針后重新鉆孔。按照上述方法完成第2 根及第3 根導(dǎo)針的穿刺。最后，在X 線透視下調(diào)整并確認導(dǎo)針進入的深度，使3 枚導(dǎo)針均到達股骨頭軟骨面下5 mm 左右。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理 應(yīng)用SPSS 18.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析。計量資料以±s表示，兩組導(dǎo)針穿刺次數(shù)、術(shù)中透視次數(shù)、術(shù)后導(dǎo)針平行度和分散度的比較采用獨立樣本t檢驗。檢驗水準（α）為0.05。

2 結(jié) 果

兩組手術(shù)過程均順利，60 枚導(dǎo)針均成功置入，未穿出股骨頸皮質(zhì)（圖3）。導(dǎo)航組導(dǎo)針穿刺次數(shù)為（5.3±1.8）次，傳統(tǒng)組導(dǎo)針穿刺次數(shù)為（7.5±2.3）次，兩組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t＝-2.354，P＝0.03）。導(dǎo)航組術(shù)中透視次數(shù)較傳統(tǒng) 組 少［（10.8±2.7）次vs（18.5±2.7）次］，差 異 有 統(tǒng) 計 學(xué) 意 義（t＝-6.404，P＜0.01）。導(dǎo)航組與對照組術(shù)后導(dǎo)針的平行度得分分別為（20.2±2.7）和（21.2±2.3）分，導(dǎo)針的分散度分別為（59.8±11.9）和（54.0±8.9）mm2，兩組間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P均＞0.05）。

3 討 論

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)自誕生以來，給外科醫(yī)師操作帶來了極大的便利，也使得外科手術(shù)更加精準、高效。近年來，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在腰椎椎弓根穿刺、髖關(guān)節(jié)置換、膝關(guān)節(jié)置換、骶髂螺釘置入等骨科領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用［10］，也有學(xué)者對導(dǎo)航設(shè)備在輔助股骨頸骨折空心螺釘置入方面進行了研究［11］。但這些傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備大多需要與術(shù)中CT、MRI 等大型影像設(shè)備配套使用，且需進行圖像匹配、工具注冊等程序，因此普遍存在價格昂貴、操作復(fù)雜、術(shù)中影像漂移、學(xué)習曲線長等缺點［12］。因此，尋找一種價格低廉、操作簡便、學(xué)習曲線短的導(dǎo)航設(shè)備是外科研究的重點之一。本研究中所用的激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)又稱為手術(shù)路徑可視化及導(dǎo)航系統(tǒng)（surgical approach visualization and navigation system）， 是基于C 臂機成像原理，通過計算機算法對圖像再利用而研發(fā)的一種新型導(dǎo)航設(shè)備。它能安裝于手術(shù)室常用各型C 臂機上，通過激光束在患者體表精確標記目標位置和手術(shù)路徑。最初，該設(shè)備被醫(yī)師用于體內(nèi)異物定位［13］，精確度可達1 mm，現(xiàn)逐步嘗試應(yīng)用到椎弓根穿刺、腎盂穿刺、骶髂螺釘置入等手術(shù)中［14-15］。

本研究結(jié)合該導(dǎo)航設(shè)備的原理和特點，設(shè)計了輔助股骨頸骨折空心螺釘置入的新方法。實驗結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)組相比，導(dǎo)航組導(dǎo)針穿刺次數(shù)和術(shù)中透視次數(shù)有效減少。這是由于傳統(tǒng)組C 臂機每次只能在一個方向（正位或側(cè)位）上觀察導(dǎo)針走向，經(jīng)常因?qū)п樤谝粋€方向上位置正常而在另一個方向上位置偏移，需要多次透視和退針重新穿刺。在導(dǎo)航組，激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)可在穿刺前對股骨頸正、側(cè)位體表位置進行精確標記，手術(shù)醫(yī)師能準確地識別導(dǎo)針穿刺安全區(qū)域，并預(yù)先規(guī)劃穿刺路徑。手術(shù)時，術(shù)者和助手能同時從正、側(cè)位觀察導(dǎo)針位置，從而引導(dǎo)導(dǎo)針進入規(guī)劃位置。導(dǎo)航組導(dǎo)針穿刺次數(shù)的減少有助于減輕對股骨頸皮質(zhì)骨和殘存血供的破壞，這在一定程度降低了骨折愈合延遲、不愈合、早期股骨頭缺血壞死、內(nèi)固定失敗等并發(fā)癥的發(fā)生風險［16］。

電離輻射始終是患者和醫(yī)師擔憂的問題之一。傳統(tǒng)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)雖然能夠減少外科醫(yī)師手術(shù)中的輻射暴露，但卻大大增加了患者的輻射暴露［17］。本團隊研發(fā)的這款導(dǎo)航系統(tǒng)由于術(shù)前無須對患者進行CT 檢查和復(fù)雜的圖像重建，術(shù)中也無須通過CT 進行圖像配準和操作工具注冊，因而患者和醫(yī)師的輻射暴露并不如其他導(dǎo)航系統(tǒng)那么多［17］。由于激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)能通過對股骨頸體表投影的標記間接顯示股骨頸的大致位置，為手術(shù)提供參考，術(shù)中透視次數(shù)反而減少。

導(dǎo)針的平行度、分散度是評價置釘質(zhì)量的重要指標，研究發(fā)現(xiàn)平行度越高、分散度越大，股骨頸骨折術(shù)后的穩(wěn)定性越好［18］。本研究中，與傳統(tǒng)組相比，導(dǎo)航組在導(dǎo)針平行度和分散度方面并無顯著提升（P均＞0.05），與文獻報道的其他導(dǎo)航系統(tǒng)［9,17］相比存在一定差距。這是因為激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)沒有配備帶標記的手術(shù)操作工具和相應(yīng)位姿追蹤設(shè)備，因此術(shù)中無法直接、實時觀察導(dǎo)針與股骨頸的相對位置關(guān)系，僅能夠通過術(shù)者和助手同時觀察導(dǎo)針與股骨頸在正、側(cè)位上體表的投影關(guān)系間接反映導(dǎo)針與深部組織中股骨頸的位置關(guān)系，因而容易因人為視覺誤差和反應(yīng)延遲導(dǎo)致導(dǎo)針置入偏差。后期為了進一步提高導(dǎo)針的平行度和分散度，在第1枚導(dǎo)針置入成功后，可借助平行導(dǎo)向器輔助第2、3 枚導(dǎo)針的置入［19-20］。

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用是否會延長手術(shù)時間是另一個值得關(guān)注的問題。從整個實驗過程來看，這種激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，安裝在C 臂機上便可使用，沒有改變手術(shù)醫(yī)師原來的手術(shù)習慣；但考慮到手術(shù)醫(yī)師使用導(dǎo)航系統(tǒng)的熟悉程度可能會對實驗結(jié)果造成影響，本研究沒有評估導(dǎo)航組和傳統(tǒng)組手術(shù)時間的差異。本研究還存在以下局限性：（1）沒有對股骨模型進行頸部骨折造模，無法模擬多次退針可能造成斷端移位的情況；（2）采用的是大小、形態(tài)完全一致的股骨模型，不能模擬真實人體股骨頸的個體差異；（3）由于實驗使用的是股骨模型而非真實病例，故無法考察手術(shù)出血量、住院時間、患者預(yù)后、并發(fā)癥風險等重要指標。因此，在該導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于臨床之前，仍需要進行更為細致的研究。