计算机辅助导航技术脊柱侧凸手术初步经验

计算机辅助导航技术脊柱侧凸手术初步经验

【摘要】

探讨计算机辅助导航技术在脊柱侧凸手术中的应用价值。［方法］自2006年2月起将计算机辅助导航技术应用于脊柱侧凸外科手术，进行相关的临床研究。分别采用计算机辅助导航技术行椎弓根螺钉植入及传统的解剖标志辨认法辅助X线定位进行椎弓根螺钉植入术，术后通过CT等影像学检查判断两组内固定术的植钉准确性。［结果］10例脊柱侧凸病例共植入椎弓根螺钉114枚。其中5例采用计算机辅助导航手术系统辅助下行椎弓根螺钉植入手术，共植入椎弓根螺钉61枚，其中优56枚（91.8％），良5枚（8.2％），无差的螺钉；另5例采用传统的解剖标志辨认法辅助术中X线定位进行椎弓根螺钉植入术，共植入椎弓根螺钉53枚，其中优30枚（56.6％），良12枚（22.6％），差11枚（20.8％）。［结论］应用计算机辅助导航技术行脊柱侧凸椎弓根螺钉植入准确性明显优于传统的解剖标志辨认法辅助术中X线定位法，计算机辅助导航技术能显著提高脊柱侧凸外科手术的安全性及矫正效果，对脊柱侧凸手术具有极高的应用价值。【关键词】

外科手术计算机辅助导航脊柱侧凸

Abstract：［Objective］Toassesstheaccuraciesandfeasibilityofcomputerassistednavigationtechniqueinscoliosissurgery.［Method］Inclinicalstudy,5casesofscoliosisoperationsassistedbycomputernavigationtechnique（Group1）and5casesofscoliosisoperationsassistedbyanatomyandXrayfluoroscopy（Group2）werereviewed.TheaccuraciesofscrewplacementwereevaluatedbypostoperativeCTscan.［Result］Therewerealtogether114screwsinsertedin10cases.49screwsinsertedwithCTbasedcomputerassistednavigationsystem,91.8%excellent,8.2%good.42screwsinsertedwithanatomyandXrayfluoroscopy,57.1%excellent,23.8%good,19.1%bad.［Conclusion］CTbasedcomputerassistednavigationsystemenhancesaccuraciesandfurtherimprovesthesafetyofadolescentscoliosissurgery,CTbasednavigationmethodisbetterthantheanatomyandXrayfluoroscopymethods.

Keywords:surgery,computerassisted;

navigation;

scoliosis

脊柱侧凸是危害患者尤其是青少年的常见病。由于累及胸椎等部位解剖结构变异，周围有肋骨、肩胛骨遮挡致使术中C型臂X线机影像显示不清，加之胸椎椎弓根周径较小，这些因素均给椎弓根螺钉植入带来较大困难，手术难度和危险性很高。而椎弓根螺钉的准确置入是内固定系统发挥最大固定效率的关键。因术中椎弓根螺钉植入操作失败等失误导致的脊柱侧凸矫治失败占了近三成，极大损害了患者的利益。计算机辅助手术导航系统（computerassistedsurgerynavigationsystem，CASNS）的出现为上述难题提供了解决之道，该技术实现了计算机实时控制状态下脊柱侧凸畸形高危节段椎弓根螺钉植入，大大提高了置钉的准确性和安全性，较之传统的徒手置钉手术方法具有明显优势。作者将计算机辅助导航技术应用于脊柱侧凸外科手术，发现计算机辅助导航技术辅助下行椎弓根螺钉植入其准确性明显优于传统的解剖标志辨认法辅助术中X线定位法，显著提高脊柱侧凸外科手术的安全性及矫形效果。现将应用情况及体会报告如下。

1

资料与方法

1.1

一般资料

2005年8月~2007年4月本组收治10例脊柱侧凸病例，采用脊柱后路融合或联合前路融合、TSRH3D椎弓根螺钉内固定手术治疗。其中5例采用计算机辅助导航手术系统辅助下行椎弓根螺钉植入手术（CASNS组），男2例，女3例；年龄13~59岁，平均34岁；其中3例为特发性脊柱侧凸，KingⅠ型1例，KingⅡ型2例，另2例为成人脊柱侧凸，其中1例伴有后凸畸形。共植入椎弓根螺钉61枚。另5例采用传统的解剖标志辨认法辅助术中X线透视定位徒手进行椎弓根螺钉植入术（徒手置钉组），男1例，女4例；年龄13～16岁，平均14.5岁；其中4例为特发性脊柱侧凸，KingⅠ型1例，KingⅡ型3例，另1例为先天性脊柱侧凸、T11、12半椎体畸形，共植入椎弓根螺钉53枚。平均随访14个月。

1.2

手术方法

2组术前均按照1.25mm扫描层厚在64排CT机上对所需的手术脊柱节段进行CT扫描及三维重建，获取CT图像及数据，并导出相关数据刻录成光盘以备CASNS组手术用。徒手置钉组：采用传统的解剖标志辨认法辅助术中X线透视定位进行胸椎及腰椎椎弓根螺钉植入术。CASNS组：将获取的数据预先输入计算机导航工作站进行数据处理并成像（导航工作站使用德国Brainlabvvspine5.5.1软件），重建虚拟侧凸图像。术中确定手术脊柱节段后，首先在手术节段的棘突上安装参考架，参考架上附有3个红外线反射球，使之与主机上的红外线位置侦察仪相互感应。术者先用已注册的手术探针在病人脊椎骨结构上找出能与导航站显示的立体图像相对应的解剖标志，采用棘突、关节突、横突等结构进行20个点对点匹配注册，其中8个骨性标志注册点是必须成功注册，使得导航站能“认识”相应脊椎，匹配精确度至少＜1.9mm，精确系数越小匹配越完全，则导航准确度越高。注册成功后导航工作站将得到的位置数据与术前CT扫描三维重建后的数据融合创造一个具有可视的三维立体虚拟脊柱图像来实时引导术者手中工具进行椎弓根螺钉植入（图1）。

图1计算机辅助脊柱导航系统术中提供可视的脊柱三维立体虚拟图像来实时行椎弓根螺钉植入

1.3

比较项目及评价标准

将两组资料进行对比分析。椎弓根螺钉位置验证方法：在椎弓根螺钉置入完成后，术中用C型臂X线机作手术节段正侧位X线透视摄片以初步了解螺钉位置情况。术后除常规X线片检查外，采用CT薄层平扫+三维重建图像对椎弓根螺钉进行椎弓根层面扫描判断螺钉的位置。按照螺钉是否穿透椎弓根及穿透程度，参考Richter分类标准将椎弓根螺钉位置分为3类〔1〕：（1）优：椎弓根螺钉完全在椎弓根内；（2）良：仅有螺钉螺纹穿出椎弓根峡部皮质，但不超过螺钉直径的1/4，对周围神经、血管无危险；（3）差：螺钉明显穿出椎弓根峡部皮质，超过螺钉直径的1／4，有对周围神经、血管造成损伤的危险。将优、良结果合并进行分析。统计学分析采用卡方检验对两组进行比较分析（表1）。

表1

两组椎弓根螺钉植入情况比较

2

结

果

将两组椎弓根螺钉植入位置情况进行比较。结果显示，CASNS组共植入椎弓根螺钉61枚，其中优56枚（91.8％），良5枚（8.2％），无差的螺钉，优良率为100％（图2）；徒手置钉组共植入椎弓根螺钉53枚，其中优30枚（56.6％），良12枚（22.6％），差11枚（20.8％），优良率为79.2％（图3）。卡方检验结果表明，采用CASNS系统置钉准确性明显高于传统的解剖标志辨认法辅助术中X线定位进行椎弓根螺钉植入术，具有明显优势。

3

讨

论

3.1

计算机辅助手术导航系统应用于脊柱侧凸手术的意义

脊柱侧凸是危害青少年的常见病。脊柱侧凸的手术治疗，虽然在近十年来取得很大进步，矫正效果越来越好，但畸形矫治中，仍然还存在一些问题和并发症。除设计理念错误外，主要与传统器械和手术操作技术、方法的不完善有关。术中手术医生只能根据病人的术前资料，凭借个人积累的经验、术中记忆来操作，对脊柱侧凸畸形的严重程度、脊椎解剖结构变异、骨质结构异常等情况无法在术中作到实时监测、精确判断及量化定位，也就无法精确判断椎弓根螺钉等内植物植入侧凸脊椎的情况及位置。脊柱侧凸累及的胸椎等高危部位解剖结构多复杂变异，周围又有肋骨、肩胛骨遮挡，致使术中传统X线影像显示不清，加之胸椎椎弓根周径较小，这些因素均给椎弓根螺钉植入带来较大困难，手术难度和危险性很高。脊柱侧凸矫形术因术中内植物植入操作失败等失误导致的矫治失败占了近三成，极大损害了患者的利益。这就要求脊柱外科医生不断掌握新技术、新疗法，改进手术技术和手术器械，提高手术的安全性和准确性，尽量减少和挽救病人的损失。

计算机辅助手术导航系统（computerassistedsurgerynavigationsystem，CASNS）的出现为上述难题提供了解决之道。CASNS是将经典（框架）立体定向技术、现代影像诊断技术、微创手术技术、电子计算机技术和人工智能技术结合的产物。国外20世纪90年代中期出现了将CASNS应用于脊柱椎弓根螺钉内固定的报道〔2〕，被认为是脊柱外科发展的一个里程碑，对现代脊柱外科医学具有深远的影响。该技术实现了计算机实时控制状态下的脊柱椎弓根螺钉植入，大大提高了置钉的准确性和安全性，尤其是对于侧凸畸形高危的脊柱节段具有更大的意义。通过导航系统精确定位和三维引导功能，给术者提供了图像清晰、多维可视的、无X线辐射的椎弓根螺钉等内植物植入引导环境，使得椎弓根螺钉植入能按设想路径精确置导，极大提高了内固定植入的安全性和准确性，保障了脊柱侧凸畸形变异的胸椎高危节段内固定技术实现。虽然对导航系统在脊柱外科领域的应用价值存在争议〔3〕，但随着该技术的逐步发展，其显示出的精确定位优点提高了手术的安全性，且术者术中所受X线辐射量大大减少，因此，越来越多的脊柱外科医生认可并接受该项技术。脊柱导航技术的应用已经成为脊柱外科进入现代化的标志之一。国外目前已较广泛应用于脊柱各类手术如腰椎退变、脊柱畸形、颈椎后路手术、椎弓根内固定手术等，技术已相对较成熟〔4~11〕。

图2计算机辅助导航手术系统辅助下行椎弓根螺钉植入手术：2a.患者，女，39岁，脊柱侧弯以腰弯为主伴Ⅱ~Ⅲ度旋转，术前X线正侧位片；2b.术前全脊柱CT三维重建图像；2c.术中计算机辅助脊柱导航系统提供可视的脊柱三维立体虚拟图像来实时行椎弓根螺钉植入；2d、2e.术后X线正侧位片图像提示椎弓根螺钉位置良好，脊柱侧弯三维矫正良好满意；2f.术后椎弓根平面CT平扫提示所有椎弓根螺钉位置均良好，优良率100%

图3传统的解剖标志辨认法辅助X线定位进行椎弓根螺钉植入术：3a.术前X线片提示脊柱侧弯，胸弯为主；3b.术后X线片提示椎弓根螺钉易突破椎弓根外侧皮质，导致置钉失败，矫形效果较不满意

临床和试验研究表明〔12、13〕，采用传统的解剖标志辨认法辅助X线定位进行胸椎弓根螺钉植入，Liljengvist报告胸椎弓根螺钉失位率为25％，Vaccaro报告40％椎弓根螺钉突破椎弓根皮质。相反，Youkilis采用导航引导技术行胸椎弓根螺钉植入，只有8.5％突破椎弓根皮质。Rajasekaran等〔14〕对33例胸椎畸形患者（27例脊柱侧凸，6例脊柱后凸畸形）共植入椎弓根螺钉478枚，其中导航组（GermanyBrianLABvvspine）17例患者（14例脊柱侧凸，3例脊柱后凸畸形）采用导航技术辅助植入椎弓根螺钉242枚，仅有5枚螺钉突破椎弓根皮质，突破率为2％（5／242）；而非导航组16例患者（13例脊柱侧凸，3例脊柱后凸畸形）采用解剖标志辨认法辅助X线定位进行胸椎弓根螺钉植入，共有54枚螺钉突破椎弓根皮质，突破率高达23％（54／236），二者具有显著性差异，可见导航组明显优于非导航组。Neustadt报告也认为，将CT影像导航用于脊柱侧凸的三维矫形中可以克服经后路植入椎弓根螺钉的困难，具有定位准确、操作快及降低松动或椎弓根爆裂的发生率等优点。但同时应注意避免用CT影像导航的潜在失误，如脊柱追踪器松动、点注册错误和追踪器失灵等。本组初步临床研究结果表明，脊柱侧凸患者CASNS组共植入椎弓根螺钉61枚，其中仅有5枚螺钉突破椎弓根皮质，突破率为8.2％；而非导航组采用解剖标志辨认法辅助X线定位进行53枚胸椎弓根螺钉植入，共有11枚螺钉突破椎弓根皮质超过直径1／4，其突破率高达20.8％，表明计算机辅助导航技术辅助下行椎弓根螺钉植入其准确性明显优于传统的解剖标志辨认法辅助术中X线定位法。因此，作者认为，计算机导航技术能显著提高脊柱侧凸外科手术的安全性，具有极高的应用价值。

3.2

计算机辅助脊柱手术导航系统应用的注意事项

在应用导航系统时，术前要求对脊柱侧凸患者进行C7～S2范围全脊柱CT连续薄层扫描，以获取图像数据进行图像三维重建。CT扫描层厚应小于2.25mm，作者建议采用0.625mm或1.25mm层厚，虽然数据量较大，但确保术中重建图像清晰度及准确性大大提高。术中操作应注意：（1）手术室中正确放置导航仪，智能追踪摄像系统应放在易于观察的位置，注意前方不要有物体遮挡，确保最佳红外线示踪信息接收效果。（2）术中参考夹或参考架夹取位置要准确，且固定必须十分牢靠。如术中参考夹或参考架夹取位置不当，将导致点注册时所需的点位置被占用而无法获取，使得注册无法完成而需重新注册，或注册虽勉强完成但精确度降低，大大增加手术时间；如术中参考夹或参考架发生松脱或位置变动，将导致定位不准确，可发生错误置钉造成脊髓、神经或血管损伤，此时要求重新注册后方能再次行椎弓根螺钉植入。（3）参考架上的红外线反射球要求保持干燥，勿沾染血液，否则会影响注册匹配精度。如沾染血液等，建议生理盐水纱布轻拭或换除反射球。反射球有条件建议一次性使用，多次使用容易导致反射球受损失效，导致注册失败或需反复多次注册。（4）术中要尽量将手术节段脊椎重要骨性解剖结构标志显露清晰以便易与导航重建图像作点对点匹配，缩短注册时间，使容易达到所需匹配精度要求。（5）在临床应用中，作者发现，如椎体畸形变异不明显，且匹配精度高，则术中对单节段脊椎进行点对点匹配、注册后，行该节段椎弓根螺钉植入后可直接行邻近另一脊椎椎弓根螺钉植入，而不必再行邻近另一脊椎点对点匹配、注册，这样就可缩短注册时间，大大缩短手术时间。但如椎体畸形变异明显时，作者仍建议对每一个需植入椎弓根螺钉的脊椎节段单独进行点对点匹配、注册，而后再行椎弓根螺钉植入术。（6）目前临床所用的椎弓根螺钉植入工具有时会与导航工具如参考夹等不匹配，或术中导航仪无法识别椎弓根螺钉植入工具，这些需要作者改进或研发设计专用的导航用工具。（7）作者认为，术者应经过专业培训并非常熟悉所应用的脊柱导航系统，了解适应证，学习曲线需足够量的病例数，这样才能安全开展，禁止没有经验或没有经过培训的骨科医师使用。

3.3

计算机辅助脊柱手术导航系统的应用前景

目前我国引进脊柱导航系统的医院逐渐增多，但总体开展脊柱导航手术时间较短，手术量较少，引进的早期的导航手术系统，操作时匹配要求高，精度较差，应用条件限制较多，治疗范围多是开展胸腰椎退变、创伤等脊柱常规手术。本院引入的德国Brainlab脊柱导航手术系统是最新一代的脊柱手术导航系统，操作使用方便。之后作者成功开展了多例CASNS辅助下脊柱侧凸矫形手术，较早积累了这方面的初步经验。作者在临床应用实践中也发现，由于脊柱手术导航系统使用的软件所采用的脊椎解剖数据及参数、参考范围等是以欧洲人为基准的，而与国人的脊椎解剖结构、测量数据及参数、参考范围存在一定的差异，匹配时导航工作站所提供的拟合脊椎形态有时与工作站CT三维图像重建的国人脊椎形态拟合不良，点对点注册时匹配误差过大导致注册无法完成，而无法继续进一步应用该导航系统，影响导航的精确性，因此，会大大增加手术时间。而脊柱侧凸手术椎弓根螺钉植入要求精度极高，如模拟匹配精度较差、误差较大，这对于胸椎高危部位置钉存在安全隐患。今后工作中，为使该导航系统能更好地辅助开展国人脊柱侧凸手术，目前还需对国人脊椎进行相关匹配研究，收集国人脊柱侧凸手术时匹配精度最高时导航系统所需所有解剖学及CT影像学等相关数据，提高注册的准确性，缩短注册时间，研发设计用于导航下微创手术的外科器械，尽早应用于临床脊柱侧凸手术，以利于进一步提高脊柱侧凸手术的安全性及疗效，以便进一步开展该项新技术，并可为医师掌握导航手术技术提供术前操作培训。同时作者也相信，计算机辅助脊柱手术导航系统是脊柱外科手术的一个新纪元，必将明显提高脊柱侧凸手术安全性，成为脊柱矫形外科领域必不可少的工具，并为机器人手术技术的探索奠定基础。

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