趙經(jīng)緯 何達 韋祎 韓曉光 范明星 施嶄

脊柱骨折以胸腰椎骨折居多。椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)可以提供堅強的穩(wěn)定性，是脊柱骨折重要的治療手段。但是，椎弓根螺釘誤置是傳統(tǒng)骨科手術(shù)的常見并發(fā)癥，不僅會影響內(nèi)固定的堅強程度，還可能造成神經(jīng)、血管甚至腹腔內(nèi)臟器損傷[1-2]。近年來出現(xiàn)了多種新技術(shù)輔助椎弓根螺釘內(nèi)固定，旨在提高內(nèi)固定的精確性，包括計算機導(dǎo)航技術(shù)，機器人技術(shù)，三維打印導(dǎo)板技術(shù)等。其中，機器人技術(shù)具有定位精度高、重復(fù)任務(wù)穩(wěn)定性好、不疲勞等特點，是輔助螺釘內(nèi)固定手術(shù)的一種理想工具[3-5]。天璣機器人是一個多適應(yīng)證的骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)，可廣泛用于脊柱、骨盆和四肢的骨科內(nèi)固定手術(shù)，且不受開放和微創(chuàng)入路的限制。該系統(tǒng)采用術(shù)中采集的計算機斷層(CT)圖像，術(shù)者進行手動椎弓根螺釘規(guī)劃，機械臂自動定位至理想通道，然后由術(shù)者手動置釘。機器人輔助骨折手術(shù)可通過開放和微創(chuàng)等入路完成。不同的手術(shù)入路在手術(shù)視野、骨面處理和軟組織張力等方面均有不同，這些因素可能影響螺釘置入的精確性和手術(shù)安全性。微創(chuàng)手術(shù)術(shù)野局限，可能降低置釘精確性；但微創(chuàng)術(shù)野軟組織張力小，又可能提高置釘?shù)木_性。既往關(guān)于機器人輔助內(nèi)固定手術(shù)的報道并未見不同入路的對比[3,6]。本研究針對機器人輔助脊柱胸腰椎骨折內(nèi)固定手術(shù)，對比開放入路和微創(chuàng)入路，分析螺釘置入的精度和手術(shù)安全性。

資料與方法

一、資料

1.病例的選擇標準：(1)納入標準：年齡18～80歲；因胸椎、腰椎骨折接受機器人輔助椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)。(2)排除標準：缺乏術(shù)前或術(shù)后CT影像資料，無法進行置釘精確性評價；手術(shù)區(qū)域有內(nèi)固定手術(shù)史，導(dǎo)致該次手術(shù)置釘通道受既往手術(shù)影響。

2.病例來源：2015年11月至2019年12月于北京積水潭醫(yī)院因胸腰椎骨折接受機器人輔助內(nèi)固定手術(shù)的患者130例符合納入標準，其中10例因影像資料不符合要求被剔除研究；最終納入120例患者?；颊叩幕拘畔⒁姳?。開放與微創(chuàng)手術(shù)組年齡、性別、骨折數(shù)量差異無統(tǒng)計學(xué)意義。本研究均獲取患者知情同意，數(shù)據(jù)收集后首先經(jīng)脫敏處理，分析結(jié)果不包含患者個人識別信息。

二、方法

1.機器人設(shè)備：天璣骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)包括光學(xué)跟蹤設(shè)備、手術(shù)規(guī)劃、控制工作臺和手術(shù)機械臂。光學(xué)跟蹤設(shè)備為雙攝像頭系統(tǒng)，通過接收多反射球的光線，運用雙目立體視覺原理，進行位置和姿態(tài)計算，實現(xiàn)機械臂和患者的精準定位。工作臺用于圖像處理，通道規(guī)劃，運動位姿解算和機械臂運動控制。機械臂具有6個自由度，可以定位螺釘通道的方向，對常規(guī)置釘器械實施精準的位置引導(dǎo)，實現(xiàn)精準置釘。

2.機器人輔助開放手術(shù):使用透X射線手術(shù)床，患者采用俯臥位。必要時將粗針頭經(jīng)皮釘入棘突以定位手術(shù)節(jié)段。常規(guī)消毒鋪單。取背部正中切口，視骨折椎板減壓、骨塊復(fù)位需要與否，采用正中入路或椎旁肌間隙入路。無論何種入路，顯露上固定椎上一椎體的棘突，夾持固定患者示蹤器，注意保留棘上韌帶。將機械臂連接的定位導(dǎo)板放置于切口背側(cè)，確保在透視范圍內(nèi)。使用電動C形臂(西門子，德國)采集術(shù)中CT。將CT數(shù)據(jù)傳輸至機器人控制工作臺，機械臂與患者的配準由工作臺自動完成。在工作臺上，術(shù)者進行椎弓根螺釘規(guī)劃，包括螺釘位置、直徑和長度。規(guī)劃時利用基于CT的三維正交切面輔助螺釘規(guī)劃，但切面不是標準的軸面、矢狀面和冠狀面，而是以螺釘規(guī)劃長軸為基準軸的重切面。機械臂自動運行至每個螺釘?shù)囊?guī)劃軸線。沿機械臂導(dǎo)向器置入導(dǎo)向套筒，注意導(dǎo)向套筒前端到達骨面。復(fù)核位置，若因軟組織牽拉，導(dǎo)向套筒移位，需微調(diào)定位位置。沿導(dǎo)向套筒打入導(dǎo)針，深度需超過椎弓根前緣。全部導(dǎo)針置入完成后，再次采集術(shù)中CT，確認導(dǎo)針位置良好。沿導(dǎo)針開路，按照計劃直徑和長度，置入椎弓根螺釘。按需進行椎板減壓、骨塊復(fù)位、植骨等其他常規(guī)手術(shù)步驟。

表1 120例胸腰椎骨折接受機器人輔助內(nèi)固定手術(shù)患者基本信息和手術(shù)信息

注：a皮爾遜χ2檢驗；b獨立樣本曼-惠特尼U雙尾檢驗；c獨立樣本曼-惠特尼U單尾檢驗

3.機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)：機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)流程與開放手術(shù)類似，主要有以下區(qū)別：(1)常規(guī)使用粗針頭經(jīng)皮釘入棘突定位棘突節(jié)段，分辨上固定椎上1～2個椎體的棘突。消毒鋪單后，經(jīng)小切口顯露該棘突，夾持患者示蹤器。(2)機械臂定位后，放置導(dǎo)向套筒，根據(jù)導(dǎo)向套筒的皮膚落點，確定螺釘置入的皮膚切口。對于腰椎骨折的患者，可利用腰前凸特點，經(jīng)由同一切口置入2枚甚至更多螺釘。

4.椎弓根螺釘置入精確性：使用術(shù)后CT評價椎弓根螺釘置入精確性。術(shù)后CT均采集于術(shù)后第3～7天，且于患者出院前完成。由同一名經(jīng)過機器人內(nèi)固定手術(shù)培訓(xùn)的脊柱外科醫(yī)生完成評價。精確性參考Gertzbein和Robbins評分[7]，分為3級。A級：螺釘完全在椎弓根內(nèi)；B級：螺釘穿破椎弓根<2 mm；C級：螺釘穿破椎弓根≥2 mm。同時記錄螺釘穿破椎弓根的方向，如內(nèi)、外、上、下壁。A級和B級是臨床可接受的，C級則屬于錯誤置入。

5.其他檢測指標：本研究同時分析包括手術(shù)時長、術(shù)中出血量、術(shù)后住院時間、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯、翻修手術(shù)等。其中，手術(shù)時長、術(shù)中出血量來自原始病例手術(shù)記錄。術(shù)后住院時間指出院日期減去手術(shù)日期。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯指螺釘侵犯關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面[8]，基于術(shù)后CT測量。翻修手術(shù)指因螺釘誤置造成術(shù)后神經(jīng)功能障礙，于術(shù)后1個月內(nèi)進行的螺釘取出再置入手術(shù)。患者的基本信息也納入記錄。

結(jié) 果

120例患者置釘數(shù)量存在顯著性差異。骨折椎體分布見圖1，按發(fā)病率排列的骨折節(jié)段由高到低依次為L1，T12，L2。椎弓根螺釘置入精確性見表2?？偣?44枚螺釘中，703枚是精確置入(A級)，32枚輕微突破皮質(zhì)(B級)，臨床可接受率98.8%(A級+B級)，9枚錯誤置入(C級)。開放與微創(chuàng)手術(shù)對比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(χ2=0.976，P=0.323)。穿破椎弓根皮質(zhì)的螺釘(B級和C級)共41枚，其中穿破外側(cè)皮質(zhì)33枚，穿破內(nèi)側(cè)皮質(zhì)6枚，穿破上側(cè)、下側(cè)皮質(zhì)各1枚。各椎體螺釘置入精確性見圖2，上胸椎螺釘誤置比例較高，下腰椎螺釘誤置比例較低。開放組手術(shù)時間120.0(105.0，177.5)min，顯著大于微創(chuàng)組120.0(90.0，135.0)min(Z=-2.566，P=0.005)；開放組出血量100.0(50.0，375.0)ml，顯著大于微創(chuàng)組50.0(20.0，100.0)ml(Z=-4.714，P=0.000)；開放組術(shù)后住院時間5.0(4.0，6.0)d，微創(chuàng)組4.0(3.0，6.0)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(Z=-2.173，P=0.030)。無關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯病例。無翻修病例(圖3)。

圖1 患者骨折椎體分布情況

表2 120例胸腰椎骨折接受機器人輔助內(nèi)固定手術(shù)患者椎弓根螺釘置入精確性[n(%)]

圖2 各椎體螺釘置入精確性情況

圖3 胸椎和腰椎椎弓根置釘對比?；颊吲?6歲，胸腰椎骨折(T7、T12、L2)，術(shù)后CT圖像冠狀面重建 A 胸椎椎弓根細小，無法完全容納螺釘，T6雙側(cè)、T8右側(cè)椎弓根螺釘穿破外側(cè)皮質(zhì) B 胸腰段椎弓根粗大，T11-L1、L3、L4共10枚螺釘均未侵犯皮質(zhì)

討 論

脊柱內(nèi)固定的良好置入對脊柱骨折的手術(shù)治療至關(guān)重要。機器人技術(shù)可以輔助進行直觀的手術(shù)規(guī)劃，并精準地引導(dǎo)螺釘置入，理論而言，較傳統(tǒng)徒手操作具有很大優(yōu)勢。近年來，多種手術(shù)機器人可應(yīng)用于脊柱外科，其中SpineAssist機器人(前身Renaissance；Mazor機器人公司，美國)應(yīng)用最廣泛。SpineAssist機器人是一個錨定于骨的小型化并聯(lián)機器人，具有6個自由度。該機器人采用術(shù)前CT進行螺釘規(guī)劃，使用術(shù)中X線透視圖像進行術(shù)中設(shè)備配準。與大部分脊柱外科手術(shù)機器人一樣，SpineAssist機器人也是采用套筒導(dǎo)向輔助，醫(yī)生主動操作完成螺釘置入[9-10]。多個研究證明，SpineAssist機器人可提高置釘精確性，同時減少患者和醫(yī)生的輻射暴露[11-12]。但也有研究表示，該機器人輔助手術(shù)的精確性小于透視引導(dǎo)手術(shù)[13-14]。這可能與多種因素有關(guān)，包括術(shù)者的熟練程度；術(shù)前CT圖像的配準精度；體位改變造成術(shù)前圖像難匹配；機器人工作空間小，小型機器人驅(qū)動力小，難以對抗軟組織張力，造成機械臂移位。另一臺用于脊柱外科手術(shù)的機器人系統(tǒng)是ROSA機器人(美敦力，美國)。該機器人由一個6自由度串聯(lián)機械臂和一組光學(xué)導(dǎo)航相機組成，與天璣機器人結(jié)構(gòu)類似。該機器人可使用術(shù)中X線或術(shù)中CT進行手術(shù)規(guī)劃[15-16]。然而，美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)僅批準該機器人系統(tǒng)用于腰椎螺釘置入。相比之下，天璣骨科手術(shù)機器人可用于全脊柱手術(shù)，已經(jīng)完成并首次報道了機器人輔助寰樞椎不穩(wěn)定、齒狀突骨折、經(jīng)皮胸腰椎骨折內(nèi)固定、經(jīng)皮骶髂螺釘?shù)榷喾N手術(shù)[17-20]。

本研究顯示，天璣機器人輔助胸腰椎骨折內(nèi)固定手術(shù)具有很高的精確性和安全性。本研究中，機器人輔助置釘精確性達98.8%，與其他文獻報道的精確性一致，顯著高于文獻報道的徒手置釘精確性(69%～94%)[21]。本研究中，A級螺釘比例(744枚，94.5%)小于文獻報道(532枚，A級占95.3%)[3]，可能因為該文獻中退行性疾病患者較多(158/234)，下腰椎置釘占比較大；而本研究胸椎螺釘更多。腰椎椎弓根通常粗大，容易置釘，而胸椎椎弓根細小，部分椎弓根甚至無法容納螺釘，從而必須選擇性侵犯椎弓根皮質(zhì)(圖3)。椎弓根通常在內(nèi)外方向較窄，而侵犯內(nèi)壁可能損傷神經(jīng)，因此，椎弓根外壁侵犯率高(33/41)。

機器人輔助骨折內(nèi)固定手術(shù)存在以下優(yōu)勢：(1)良好的螺釘置入角度為骨折復(fù)位創(chuàng)造基礎(chǔ)。對于椎體高度嚴重丟失的骨折，恢復(fù)椎體高度和矯正局部后凸畸形是重要的手術(shù)目標。骨折椎體的復(fù)位依賴良好的螺釘置入角度和強度。通常，頭側(cè)置入尾向角較大的單軸螺釘，尾側(cè)置入頭向角較大的單軸螺釘，使用連接桿矯形時可實現(xiàn)復(fù)位效果。徒手操作置入的螺釘角度難以準確把握，角度過小復(fù)位效果欠佳，角度過大則易侵犯椎弓根壁和椎體壁。使用機器人輔助椎弓根螺釘置入，可按需規(guī)劃螺釘方向，同時保證螺釘通道安全。(2)螺釘單次置入成功率高，強度高。徒手置釘過程中，通過椎弓根通道開路后放置定位針透視確認通道位置，如不滿意，需重新開路。重新開路后，螺釘仍可能進入錯誤的通道。開路器直徑一般>3 mm，錯誤開路的通道對椎弓根螺釘強度可能存在影響。機器人輔助螺釘置入時，單次置入成功率高；使用1.5 mm導(dǎo)針確認通道位置，如不滿意，重新置入導(dǎo)針對椎弓根強度影響??；使用CT確認導(dǎo)針位置，通道判斷確切。因而，理論上講，機器人輔助置入的椎弓根螺釘，會具有更高的固定強度。(3)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯少。退行性疾病的內(nèi)固定手術(shù)需要進行關(guān)節(jié)融合，通常僅需關(guān)注上固定椎的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯。但骨折手術(shù)通常需要保護全部的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。徒手置釘依賴解剖標記點，但解剖標記點存在變異，無法準確避開關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。機器人輔助椎弓根螺釘規(guī)劃使用三維正交切面CT，能夠準確避免損傷關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。文獻報道傳統(tǒng)手術(shù)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯率為2%～6%，機器人輔助手術(shù)可大幅降低關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯率[8]。本研究中未見關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)侵犯情況。(4)椎弓根內(nèi)壁侵犯少。本研究顯示，機器人輔助椎弓根螺釘內(nèi)固定螺釘侵犯椎弓根外側(cè)較多，占88%。這可能與導(dǎo)針置入過程中尖端在骨面滑移有關(guān)。特別是置入腰椎椎弓根螺釘時，通道的入骨點通常位于關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的外下方，容易造成向外側(cè)和尾側(cè)的滑移，從而造成椎弓根外下壁侵犯[3]?；剖锹葆斨萌腚A段的重要誤差來源，可以通過選擇非陡峭斜面入點，使用防滑套筒等方法減少該誤差。(5)易實現(xiàn)極端條件的螺釘置入。部分胸椎椎弓根很細，徒手置釘往往需要主動采取in-out-in的策略，從更外側(cè)打入螺釘，甚至損傷胸肋關(guān)節(jié)，以避免損傷椎弓根內(nèi)壁；借助機器人輔助技術(shù)，大多能夠?qū)崿F(xiàn)椎弓根內(nèi)置釘，避免不必要的皮質(zhì)侵犯。骨折椎的置釘也可能受到骨折線的挑戰(zhàn)，比如對于椎體縱裂骨折，可規(guī)劃螺釘精確穿過骨折線或避開骨折線，以達到相應(yīng)的目的。(6)實現(xiàn)精準的微創(chuàng)手術(shù)。微創(chuàng)入路術(shù)野局限，透視引導(dǎo)手術(shù)存在很大挑戰(zhàn)。機器人輔助技術(shù)在微創(chuàng)入路更易發(fā)揮優(yōu)勢，因為與傳統(tǒng)手術(shù)相比，微創(chuàng)入路軟組織牽拉少。因而：①術(shù)中椎體發(fā)生相對移動風(fēng)險小，不易出現(xiàn)圖像漂移；②機械臂和定位套筒受力小，定位精度和穩(wěn)定性高。骨折手術(shù)大部分不需要神經(jīng)減壓，且患者平均年齡更小，更適合采用微創(chuàng)入路完成內(nèi)固定置入術(shù)。本研究結(jié)果顯示，機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)與開放手術(shù)置釘精確性無顯著差異，但微創(chuàng)組A級螺釘比例較高，可能與前述微創(chuàng)入路的優(yōu)勢相關(guān)。在本研究中，對于年輕的，骨折程度較輕(需要螺釘數(shù)量較少)的患者，更傾向于選擇微創(chuàng)入路。

本研究存在以下不足：本研究為回顧性研究，且有7.7%患者因影像學(xué)資料不符合要求被剔除，存在選擇偏倚；由于手術(shù)決策原因，開放組和微創(chuàng)組在置釘數(shù)量方面可比性較差，存在選擇偏倚。需要良好設(shè)計的前瞻性研究和隨機化的對照研究以進一步提升證據(jù)等級。