申洪全綜述，柯珍勇審校（重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科，重慶 400010）

自Roy－Camille等［1］20世紀(jì)70年代報(bào)道脊柱椎弓根釘技術(shù)后，經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展成為目前治療脊柱疾病的一個(gè)主要技術(shù)。但脊柱椎弓根螺釘置釘技術(shù)操作復(fù)雜且學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)。因?yàn)榧怪中g(shù)過(guò)程中可供辨認(rèn)的解剖標(biāo)志有限、椎弓根形態(tài)變異等因素使得螺釘?shù)闹萌敕浅＠щy。此外，椎弓根周圍許多重要的神經(jīng)和血管結(jié)構(gòu)及其變異性也增加了置釘準(zhǔn)確的難度。值得關(guān)注的是，在開(kāi)路錐直接穿破椎弓根壁后損傷血管神經(jīng)和不當(dāng)?shù)姆胖寐葆敶嬖趯⑸窠?jīng)和血管結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重危險(xiǎn)。這種椎弓根壁破損后神經(jīng)血管損傷可導(dǎo)致許多潛在的問(wèn)題，例如感覺(jué)異常、神經(jīng)損傷和大量失血。誤置螺釘也可以導(dǎo)致內(nèi)固定失敗或假關(guān)節(jié)形成。因此，即使對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的脊柱外科醫(yī)生，僅僅依靠手感作為引導(dǎo)也難免出現(xiàn)意外而導(dǎo)致各種嚴(yán)重后果。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，依靠現(xiàn)代科技富有成效的導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文就近期一些輔助置釘技術(shù)進(jìn)行介紹，綜述其現(xiàn)狀與進(jìn)展。

1 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃和仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃和仿真系統(tǒng)是依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)手術(shù)擬訂方案進(jìn)行思考和仿真。它通過(guò)術(shù)前獲取的相關(guān)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維重建模型，在三維模型上進(jìn)行相關(guān)解剖學(xué)測(cè)量（長(zhǎng)、寬、面積等），對(duì)手術(shù)對(duì)象獲取更為直觀地了解以便指導(dǎo)椎弓根螺釘?shù)葍?nèi)置物的選擇和使用。通過(guò)模擬可用確定手術(shù)路徑、組織切割讓手術(shù)醫(yī)師更加了解手術(shù)的過(guò)程。

Aubin等［2］在脊柱側(cè)凸畸形矯正時(shí)應(yīng)用S3系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在虛擬系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行相關(guān)操作后評(píng)估不同術(shù)前計(jì)劃及不同內(nèi)固定方式的手術(shù)效果，從而可以從計(jì)劃中選擇最佳的術(shù)式。Aurouer等［3］采用Spine View 軟件對(duì)11例脊柱畸形患者進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃，對(duì)不同術(shù)式進(jìn)行評(píng)估并采用最佳的手術(shù)方式，11例患者術(shù)前規(guī)劃后，術(shù)后有8例與術(shù)前計(jì)劃一致。

2 計(jì)算機(jī)輔助個(gè)性化手術(shù)

個(gè)性化手術(shù)治療是骨科臨床技術(shù)的發(fā)展方向，結(jié)合逆向工程原理和快速成形技術(shù)為脊柱椎弓根螺釘置入開(kāi)辟了一種的個(gè)體化方法。它目前主要采用CAD－RP技術(shù)構(gòu)建個(gè)性化椎弓根導(dǎo)航模板及椎體模型。個(gè)性化的導(dǎo)航模板可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)椎體椎弓根的定位和定向，從而提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性和節(jié)省手術(shù)時(shí)間。椎體模型具有直觀感、可視性和可觸摸性，能對(duì)椎弓根釘置入進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃、指導(dǎo)術(shù)中操作。

陳國(guó)平等［4］通過(guò)對(duì)下頸椎個(gè)體化設(shè)計(jì)，制作了54個(gè)導(dǎo)航模板，術(shù)中在其指導(dǎo)下共輔助置入108枚頸椎椎弓根螺釘。術(shù)中將椎板后方軟組織剝離干凈后導(dǎo)航模板均與相應(yīng)的頸椎后部骨性解剖結(jié)構(gòu)貼合良好，椎弓根螺釘均順利的置入，僅需完成后透視1次，無(wú)血管和神經(jīng)損傷的并發(fā)癥。王遠(yuǎn)政等［5］成功建立了和擬手術(shù)標(biāo)本高相似度的頸椎實(shí)物模型，通過(guò)術(shù)前觀察、測(cè)量設(shè)計(jì)了各個(gè)椎弓根置釘?shù)南嚓P(guān)參數(shù)，成功置入148枚頸椎弓根螺釘，術(shù)后CT 掃描示140枚在椎弓根皮質(zhì)內(nèi)，8枚稍穿出椎弓根皮質(zhì)骨。

3 手術(shù)導(dǎo)航和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 影像輔助導(dǎo)航技術(shù)

3.1.1 術(shù)中X 線片透視對(duì)實(shí)施脊柱手術(shù)椎弓根螺釘內(nèi)固定的患者，術(shù)中透視提供二維圖像，且一般術(shù)中進(jìn)行側(cè)位透視下指導(dǎo)螺釘置入。在椎弓根鉆孔或置入螺釘時(shí)進(jìn)行透視，通過(guò)正側(cè)位透視二維圖像可評(píng)估螺釘置入的準(zhǔn)確性。但其代價(jià)是患者和醫(yī)生將接受大劑量的射線輻射。射線輻射的劑量取決于術(shù)中透視的次數(shù)和時(shí)間。Fu等［6］在通過(guò)胸腰椎X 透視引導(dǎo)椎弓根螺釘置入的報(bào)道中稱，利用透視可使置入的準(zhǔn)確性達(dá)93.2%，該類手術(shù)優(yōu)點(diǎn)可不需要術(shù)前CT 掃描，且監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性。由于從二維圖像獲得的信息有限，為了進(jìn)一步評(píng)估螺釘植入的準(zhǔn)確性，3D 透視技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是在不同的角度和方向進(jìn)行多次透視，然后對(duì)獲得2維圖像進(jìn)行重建。其代價(jià)是比一般透視更高的射線暴露。Ito等［7］報(bào)道利用該技術(shù)頸椎螺釘植入的成功率達(dá)97.2%，即使發(fā)生誤置（2.8%）的患者也均無(wú)臨床癥狀。目前國(guó)內(nèi)北京積水潭醫(yī)院引進(jìn)的德國(guó)西門子“Iso－C”C型壁，對(duì)頸椎行椎弓根螺釘置入，共置釘142枚，椎弓根內(nèi)達(dá)136（準(zhǔn)確率95.8%）［8］。

3.1.2 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)也稱為計(jì)算機(jī)導(dǎo)航手術(shù)（手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)），是通過(guò)標(biāo)記物和相關(guān)的軟件，使得醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)追蹤和檢測(cè)手術(shù)器械與患者解剖結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置。其目的在于完善術(shù)前計(jì)劃、減少失誤，從而提高患者的治療效果。同樣可以允許高年資外科醫(yī)生在旁邊監(jiān)測(cè)低年資住院醫(yī)生的操作過(guò)程，并予以指導(dǎo)［9］。模擬的路徑圖則是由術(shù)前及術(shù)中的CT 和MRI掃描構(gòu)成。通過(guò)手術(shù)器械上的跟蹤傳感器或信號(hào)傳送器，可在路徑圖上面定位手術(shù)器械的位置［10－11］。一系列的商品化傳感器包括電磁傳感器、超聲傳感器以及光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器較小，被動(dòng)接受或主動(dòng)發(fā)送光學(xué)信號(hào)；而電磁傳感器主要由小的線圈構(gòu)成；基站感知到這些傳感器的位置，而后中轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)?？梢阅M最佳椎弓根螺釘通道路徑及實(shí)時(shí)具體地了解椎弓根釘?shù)赖闹谱鬟^(guò)程。

郭東明等［12］首先使用紅外光影像導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)20例腰椎不穩(wěn)患者行椎弓根螺釘內(nèi)固定，將置入后影像與導(dǎo)航虛擬路徑對(duì)比得出：椎弓根釘進(jìn)入點(diǎn)偏差平均2.2mm（最大3.3mm）、平均角度偏差3°（最大5°）、平均軸線角度偏差2°（最大4°）；術(shù)后CT 掃描得出按4個(gè)級(jí)別分類：彎曲在椎弓根內(nèi)為0級(jí)，涉及皮質(zhì)為1級(jí)，分別為94枚（椎弓根內(nèi)96%）、4枚（4%）；2級(jí)（小于2mm）1枚；3級(jí)（大于2 mm）1枚。劉亞軍等［13］使用CT 導(dǎo)航輔助頸椎椎弓根釘置入，椎弓根釘滿意率為97.5%，患者術(shù)中、術(shù)后均未出現(xiàn)明顯神經(jīng)、血管并發(fā)癥。

迄今為止，各大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)合作研發(fā)了百余套計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，盡管一些仍在試驗(yàn)階段。目前，應(yīng)用最多的、商業(yè)化導(dǎo)航系統(tǒng)包括ARCADIS Orbic 3D、奇目成像移動(dòng)式X 線系統(tǒng)、StealthStation O－Arm、eNLight and NavSuite 以及VectorVision。

3.2 非影像導(dǎo)航／監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.2.1 神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)判斷螺釘位置神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)是以肌肉和神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)為基礎(chǔ)，用來(lái)術(shù)中評(píng)估評(píng)估脊髓、神經(jīng)的電位活動(dòng)情況。如果椎弓根通道制作及螺釘置入過(guò)程存在異常，將刺激到脊髓、神經(jīng)受將產(chǎn)生異常的電活動(dòng)，因此可識(shí)別椎弓根通道是否正確。目前常用的監(jiān)測(cè)方式有以下3類：運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEP）、體感誘發(fā)電位（SEP）和肌電圖（EMG）。以上監(jiān)測(cè)方法均有其靈敏性和特異性，如May等［14］曾報(bào)告SEP在頸椎手術(shù)中靈敏性可達(dá)99%，但特異性僅27%。因此Sloan等［15］提出了多模式術(shù)中監(jiān)測(cè)方式（MIOM），它是結(jié)合兩種及以上的監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)綜合評(píng)估脊髓、神經(jīng)根功能完整性神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)技術(shù)，從而反映椎弓根側(cè)壁是否存在破壞。目前MIOM 是主流監(jiān)測(cè)方式，不僅可以全面監(jiān)測(cè)神經(jīng)脊髓上行、下行傳導(dǎo)的完整性，還能最大程度上避免監(jiān)測(cè)的假陽(yáng)性和（或）假陰性的發(fā)生。相關(guān)研究分析表明MIOM 模式假陰性率僅0%～0.79%。Azabou等［16］在脊柱側(cè)彎中行椎弓根螺釘置入矯形中發(fā)現(xiàn)以下因素會(huì)影響神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和特異性：特發(fā)性脊柱側(cè)彎、術(shù)前常規(guī)神經(jīng)系統(tǒng)的異常體征、術(shù)前MEP 和SEP記錄值。在以后的工作中，還需深入研究才能提高神經(jīng)電生理對(duì)椎弓根置入過(guò)程的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

3.2.2 組織電導(dǎo)率植入監(jiān)測(cè)技術(shù)（ECD）在低頻電流作用下，不同組織結(jié)構(gòu)的電阻抗存在明顯差異，是電阻抗分辨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨以及結(jié)締組織的基本原理。Myers等［17］通過(guò)研究表明完整的椎弓根皮質(zhì)骨電阻抗比松質(zhì)骨及軟組織的電阻抗大得多，在被皮質(zhì)骨穿破時(shí)，監(jiān)測(cè)到的電阻抗將明顯減低。因此，椎弓根探查時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻抗的變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)椎弓根皮質(zhì)骨穿破與否，這樣就可使椎弓根螺釘正確放置在椎弓根內(nèi)。

目前美國(guó)Spine Vision 的開(kāi)發(fā)電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)裝置Pedi－Guard，它將傳導(dǎo)性監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換為視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信號(hào)。Chaput等［18］通過(guò)該裝置對(duì)18例腰椎退變性疾病需行后路椎弓根置入的患者進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，共置入78枚椎弓根螺釘（徒手置入39枚vs.PediGuard監(jiān)測(cè)置入39枚）。術(shù)后通過(guò)CT 評(píng)判置入螺釘?shù)奈恢?。以穿破?cè)壁大于或等于2mm 為標(biāo)準(zhǔn)，兩組均發(fā)生1例，其準(zhǔn)確率均為97.5%，且差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＝1.000），但PediGuard監(jiān)測(cè)組每1枚螺釘透視時(shí)間減少30%。而Koller等［19］用于尸體頸椎行前路及后路椎弓根釘置入，術(shù)后CT 矢狀位及橫斷面分析發(fā)現(xiàn)，前路椎弓根釘準(zhǔn)確率達(dá)到100.0%，后路椎弓根釘穿破率11.1%。該裝置不僅無(wú)輻射、價(jià)廉、易學(xué)，還不影響外科醫(yī)生的操作習(xí)慣。

4 手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)

利用可行手術(shù)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)訓(xùn)練住院醫(yī)生，或有助于減少螺釘誤置的發(fā)生。第1個(gè)相關(guān)研究可追溯至2002年，該研究成果是一個(gè)小的、獨(dú)立的電腦軟件，它可模擬螺釘置入不同的椎體（T10－L5）。隨后的2008年，Rush等［20］研發(fā)并應(yīng)用了骨盆及骶骨微創(chuàng)螺釘精確置入模擬器。該模擬器以CT 掃描圖像為基礎(chǔ)，呈現(xiàn)為具有個(gè)體特異性的三維圖像。

Klein等［21］制作了一個(gè)軟件模擬系統(tǒng)，旨在讓住院醫(yī)師熟悉脊柱三維解剖以及學(xué)習(xí)椎弓根螺釘置入。使用者可將從尸體獲得的脊柱三維CT 掃描圖像輸入該系統(tǒng)，然后利用屏幕上的模擬螺釘學(xué)習(xí)不同的椎弓根螺釘置入。該系統(tǒng)可使脊柱影像變得半透明并可觀察到螺釘置入的軌跡，以及顯示是否穿透骨皮質(zhì)及其程度并對(duì)使用者的表現(xiàn)進(jìn)行打分。

Podolsky等［22］為了證明上述模擬系統(tǒng)是否有助于縮短訓(xùn)練時(shí)間進(jìn)行了初步研究，他們將住院醫(yī)生分為兩組：試驗(yàn)組首先利用上述的模擬系統(tǒng)對(duì)標(biāo)本椎弓根的螺釘置入進(jìn)行模擬練習(xí)，然后再在尸體標(biāo)本上置入椎弓根螺釘；對(duì)照組直接置入螺釘。但結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。其原因可能是試驗(yàn)方法不當(dāng)，選取的試驗(yàn)標(biāo)本生前患有轉(zhuǎn)移癌以及嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松，使得螺釘置入過(guò)程中穿透皮質(zhì)的概率增加。通過(guò)對(duì)學(xué)員及相關(guān)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的調(diào)查一致認(rèn)為操作模擬系統(tǒng)有利于學(xué)員掌握復(fù)雜的、特異的脊椎三維解剖。由此可推斷，此類模擬系統(tǒng)具有教育意義。

5 手術(shù)機(jī)器人

隨著微創(chuàng)脊柱外科的發(fā)展，經(jīng)皮椎弓根釘應(yīng)用廣泛，給患者帶來(lái)較少創(chuàng)傷的同時(shí)也存在較高的誤置率和手術(shù)醫(yī)師也接受大量的輻射。機(jī)器人輔助椎弓根螺釘置入能滿足脊柱技術(shù)精細(xì)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、防止血管神經(jīng)損傷要求。術(shù)者應(yīng)用機(jī)器人系統(tǒng)的三維成像功能與導(dǎo)航技術(shù)使二維影像學(xué)無(wú)法看到解剖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維圖像，實(shí)現(xiàn)脊柱解剖結(jié)構(gòu)立體可視化，提高術(shù)前手術(shù)規(guī)劃的質(zhì)量和手術(shù)術(shù)中操作的準(zhǔn)確度。同時(shí)，還可以幫助醫(yī)師完成人手難以完成的手術(shù)操作。

Pechlivanis等［23］應(yīng)用FDA 皮質(zhì)的脊柱外科機(jī)器人系－Spine Assist微創(chuàng)行腰椎后路減壓椎間植骨融合術(shù)，共置入133枚椎弓根螺釘，術(shù)后結(jié)果與術(shù)前計(jì)劃對(duì)比偏差小于2 mm的達(dá)到91.0%～98.5%。Devito等［24］通過(guò)多中心應(yīng)用Spine Assist指導(dǎo)下置入664枚螺釘?shù)幕仡櫺苑治龅贸觯?8.3%的螺釘在安全區(qū)域內(nèi)（螺釘完全在椎弓根內(nèi)或超出小于2 mm），＞2～4mm 的螺釘占1.4%，＞4mm 的螺釘占0.3%。綜上所述，機(jī)器人輔助椎弓根螺釘置入較明顯提高螺釘置入的準(zhǔn)確度，降低神經(jīng)血管損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

6 展望

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)置釘?shù)牟蛔?。利用現(xiàn)代科技提高置釘準(zhǔn)確性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，是椎弓根螺釘技術(shù)安全開(kāi)展和普及的保障。但是以上輔助置釘技術(shù)均存在優(yōu)缺點(diǎn)，例如專業(yè)要求強(qiáng)、費(fèi)用高等問(wèn)題。臨床上根據(jù)患者經(jīng)濟(jì)情況、醫(yī)療水平、醫(yī)師的能力結(jié)合使用，讓脊柱外科醫(yī)生能夠更準(zhǔn)確、安全、方便地實(shí)施椎弓根螺釘?shù)闹萌爰跋嚓P(guān)骨科手術(shù)，使椎弓根螺釘技術(shù)具有更強(qiáng)的生命力。

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