導航輔助椎弓根皮質骨軌跡螺釘置釘的研究進展

徐子航，龍 浩，寧 旭

1.貴州醫科大學，貴陽 550001；2.貴陽市第四人民醫院，貴陽 550002；3.貴州醫科大學附屬醫院，貴陽 550001

2009年Santoni等[1]報道了一種用于腰椎固定的椎弓根螺釘插入的新軌跡，命名為皮質骨軌跡(cortical bone trajectory,CBT)，其獨特的進針軌跡(由內向外，由尾側向頭側)增加了螺釘與皮質骨的接觸。先前的生物力學研究表明，CBT螺釘的拔出力較傳統椎弓根螺釘增加30%，置釘扭矩力則增加70%[1-2]。除此之外，CBT技術可以減少椎旁肌肉的剝離、縮短傷口的長度以及減少上關節突關節損傷的風險[3]。然而由于該技術缺乏明確的解剖標記點，確定最佳的進針點和進針方向難度較大，不正確地置入螺釘可能損傷神經、血管及加速椎間盤退變。因此如何安全、準確地置入CBT螺釘仍是脊柱外科醫師所面臨的挑戰。

目前，導航技術已廣泛應用于脊柱外科手術中，已被證實具有高精準度、安全、微創、低輻射暴露等特點[4-5]。然而目前國內外對于將CBT技術和導航技術相結合的研究較少，本文就導航技術在皮質骨軌跡螺釘內固定中的應用進行綜述，為以后的臨床應用推廣提供理論依據。

1 徒手置釘技術的缺點

與傳統椎弓根螺釘內固定方式的“人”字嵴進釘點標志相比，目前 CBT 螺釘內固定技術的局限性之一是缺乏易于識別和可復制的進釘標記點，Mastsukawa等[6]報道理想的CBT技術進針點為橫突下1mm與上關節突關節中點垂線的交點，然而術中減壓時通常需咬除部分上關節突進而導致標記點消失，尤其對于初學者來說，置釘難度較大，進而引發諸多問題：(1)徒手植入 CBT 螺釘過程中需要盡可能多地剝離椎旁肌肉，將會增大手術創傷和延長手術時間[7]。此外，術中反復透視可能增加術者及患者增加輻射暴露的風險。(2)螺釘錯位率高，據報道，經驗豐富的外科醫師即使在傳統熒光透視輔助下，CBT螺釘誤植率仍可高達33.3%[8]。由于CBT由內向外，由尾側向頭側置釘，不準確地置入螺釘，除了可能穿破椎弓根內壁、下壁導致神經損傷，還可能穿破終板及椎體前緣，進而加速椎間退變及導致周圍肌肉血管的損傷。(3)盡管生物力學研究顯示CBT螺釘的拔出力更高，然而不正確地置入螺釘，會導致螺釘與皮質接觸減少，進而增加螺釘松動率。Cheng等[9]通過一項尸體研究發現，37枚螺釘中有6枚出現嚴重松動，且有1枚出現峽部和椎弓根骨折。在他們的尸體模型中觀察到，置入螺釘的過程中，CBT螺釘的頭部撞擊棘突和椎板進而導致軌跡的偏差，大幅度降低螺釘與皮質的接觸，這一機制有可能解釋與CBT技術相關的螺釘松動和骨折。(4)固定強度及椎體穩定性不夠，Mastsukawa等[10]通過一項生物力學研究發現，大尺寸的螺釘可以增加拔出強度和椎體固定強度，降低螺釘周圍的等效應力，CBT 的理想螺釘尺寸是直徑>5.5mm，長度>35mm，而該尺寸的螺釘很少在徒手技術中出現，意味著徒手技術難以達到理想的螺釘固定強度。此外，理想的進針深度應為椎體的1/2左右，由于徒手選擇螺釘的長度較短以及基于安全考慮，徒手置釘時插入螺釘的深度不夠，這可能是導致CBT技術側屈及旋轉穩定性不如傳統椎弓根螺釘的原因[11]。(5)盡管Iwastuki等[12]提出了峽部引導法，即選擇在峽部外側邊緣向內3 mm和椎間孔上緣，此方法術中標記物明確且受減壓影響較小，易于辨認，為目前大部分外科醫師所用，但該法可能會增加峽部骨折的風險。(6)手術節段受限，目前大多徒手技術局限于腰椎，很少有學者將該技術應用于胸椎，尤其是上胸椎，主要原因在于胸椎的椎弓根較細，且變異程度較大，很難準確置入螺釘。盡管Sheng等[13]提出了基于徒手技術的胸椎進針點，即椎弓根軸的投影點在小平面外緣內側4～5mm，在橫突中線上方5～8mm，并垂直椎板進針，然而該方法與傳統椎弓根置入法相似，并不能減少肌肉剝離，且置釘難度大， 難以發揮CBT帶來的優勢。因此，個體化、理想化進針是CBT技術領域未來發展的趨勢。

2 導航技術的發展現狀

為改善徒手置釘技術的缺陷，學者們做出許多努力，其中最具代表性的是CBT置釘技術與導航技術相結合。導航技術在此之前已廣泛地應用于脊柱外科手術之中，包括輔助椎弓根螺釘內固定術、椎體成形術以及全椎間盤置換術，并已被證實具有高精準度、安全、微創、低輻射暴露等特點[4-5,14]。目前應用于CBT螺釘內固定術的導航技術主要分為三類，即基于術中CT圖像的導航技術，基于3D打印技術的術中導航模板技術，以及目前最新的脊柱外科機器人導航技術。

2.1CT導航技術 CT 導航系統主要包括空間定位系統、計算機以及相應的數據處理和圖像處理軟件。在CT導航系統中，患者的解剖結構通過CT影像反映，手術器械以示意圖的方式重疊顯示在相應的 CT 層面上。 醫師通過計算機直觀了解手術器械相對于病灶的位置關系，從而指導手術操作。目前術中CT成像技術已從原先的可移動CT發展至O型臂系統，O型臂系統可以消除獲取三維影像時的成像器碰撞以及與其他手術設備空間位置的相互干擾，使成像更加精準，且可以減少操作時間及術中輻射量[15]。

Rodriguez 等[16]利用術中CT(O型臂)圖像導航技術結合CBT螺釘固定技術治療癥狀性的鄰椎病，即在先前已置入傳統椎弓根螺釘的椎弓根中再次置入CBT螺釘。結果顯示5例手術中4例可以實現該技術，平均手術時間為218min，置入CBT螺釘尺寸為5.5mm,無手術相關并發癥，所有患者癥狀較前明顯改善。該技術避免了傳統翻修手術時移除連接棒的弊端，可以減少手術時間及創傷。同樣地，針對鄰椎病，Kotheeranurak等[17]描述了一種新技術，即內窺鏡輔助下的腰椎前路椎間融合術，采用CT引導、圖像導航的單側CBT螺釘固定治療L5/S1椎間盤病變，結果顯示多種微創結合技術在導航系統的輔助下，可以使螺釘置入更容易更準確，手術創傷更小。Obeidat等[18]第一次利用三維導航技術將CBT螺釘應用在頸胸交接處，并與頸椎側塊螺釘相結合，在術后的隨訪中沒有出現螺釘相關的并發癥及神經損傷，所有病例獲得了即刻穩定，且均達到臨床融合。CBT螺釘進針方向和頸椎側塊螺釘相似，使術者容易放置連接桿，減少融合節段，并潛在性減少術中出血量。

Laratta等[19]利用術中錐體束CT置入了618枚CBT螺釘，結果顯示，整體導航螺釘準確率為98.3%,誤差在1mm以內的準確率為99.2%,椎弓根外側壁破壞率為0.5%，內側壁破壞率為1.1%，且無螺釘相關的神經、血管及內臟并發癥。Kumar等[20]比較在術中傳統透視和CT導航下的CBT螺釘置入的準確性及并發癥發生率，結果顯示透視組椎弓根內側壁破壞率高于導航組(6/88vs.1/94，P=0.05)，且透視組腦脊液漏及術后感染置釘相關并發癥發生率高于導航組(8/19vs.2/19,P=0.04)。

總的來說，術中CT導航技術可以顯著提高螺釘置入準確性及安全性，進而減少螺釘相關并發癥，縮短手術時間，減少術者輻射暴露的風險，可以實現更高節段螺釘及椎弓根內雙螺釘的置入，完成徒手技術難以完成的手術。且隨著CT導航技術的不斷改進，置釘精準度及安全性也正在不斷提高。然而外科醫師必須意識到患者可能出現與固定系統相關的髂嵴部疼痛，術后應及時鎮痛來改善該情況[21]。

2.23D打印導航模板技術 3D打印導航模板原理是術者通過術前 CT 掃描獲取圖像，再用計算機輔助預設釘道，將數據傳送到 3D 打印機，打印出個體化、準確的置釘導航模板，使其在手術中能夠精確地放置CBT螺釘。

對于此技術，早期局限于尸體研究，Kim 等[22]通過對7例尸體胸腰椎進行CT掃描，通過計算機軟件構建了T11～L5共80個CBT指南模板，術后掃描未見錯位或骨穿孔，其中95%的螺釘實際置入偏差<2mm，平均(0.94±0.42)mm，且將模板安裝到椎板并固定CBT螺釘僅需1～2min。同樣，Wang等[23]也利用此項技術在尸體中上腰椎置入CBT螺釘，結果顯示導航模板組的椎弓根內外側破壞率(3.33%vs.13.33%，P=0.048)以及椎弓根上下壁破壞率顯著降低(5%vs.18.33%,P=0.023)。同時還有學者設計并對比了不同導板之間的置釘準確性，李智多等[24]在一項尸體研究中設計了兩種不同類型的導板，一種以人字嵴為貼合面，另外一種則以椎板-棘突為貼合面，結果顯示椎板-棘突型的置釘成功率(95%，19/20)較人字嵴型高(70%，14/20),差異有統計學意義(P<0.05)。因此，椎板-棘突型導板更適合CBT螺釘的置入，且可以顯著提高置釘準確性及安全性，并在理論上可降低神經、血管的損傷風險。大量的尸體研究實驗證明了3D打印導航模板的可用性、準確性及安全性，為臨床應用提供了可靠的基礎。

近3年來，有部分學者已將此項技術用于實際手術中，Kim等[25]利用此項技術治療1例71歲的L4椎體滑脫患者，術后恢復滿意，未出現相關并發癥。Marengo等[26]同樣利用此技術治療11例患者，結果顯示螺釘實際位置與術后平均偏差為0.91mm,85.2%的螺釘偏差角度<2°。Mastsukawa等[27]研究發現3D打印導板的準確率可高達97.5%，實際偏差(0.62 ± 0.42 )mm,矢狀面和橫狀面角度偏差分別為(1.68 ± 1.24)°和(1.27 ± 0.77)°，且該研究中使用的螺釘尺寸為6.0mm×40mm，大尺寸的螺釘增加了其與皮質的接觸，進而潛在性地增加了其固定強度[10]。同樣，Maruo等[28]研究了無徒手經驗的外科醫師使用3D打印導航模板技術置入CBT螺釘的準確性，結果顯示，平均外展角偏差為(0.6 ± 2.5)°，頭傾角則為(-1.3±2.9)°，總體準確率為91%，但在10臺以后準確率就提升至97%。

總之，3D打印導航模板置釘具有以下優點:(1)個體化設計，提高置釘的安全性和準確率，降低血管、神經損傷的風險，減少術后并發癥; (2)操作簡單，學習曲線短，適合手術經驗不足的年輕醫師; (3)減少患者及術者在手術過程中輻射的暴露，同時縮短手術時間; (4)降低手術成本，無需其他設備輔助。但目前仍存在兩個問題：(1)由于其導板需要加工制作，緊急情況下不適用；(2)術者必須完全切除與導向器接觸的椎板后表面軟組織，過度或不充分的暴露會影響軌跡的準確性，椎板表面形狀的精確復制會受到軟骨組織如骨贅和小關節肥大的影響。

2.3機器人導航技術 近年來，機器人輔助技術在多學科中廣泛應用，如骨科、普外科、胸外科、泌尿外科等。當前機器人主要存在三種模式：監督控制系統、遙控機器人系統及共享控制模式系統。而對于脊柱外科領域，大多數機器人都是基于“監督控制系統”的模式，即通過軟件預先設定螺釘置入進針點、尺寸及軌跡，并通過編程軟件控制機器臂，而術者則在一旁監督機器人工作。因此該模式最核心的部分仍為“導航定位”，但相較于傳統CT導航技術，機器人可以避免手術室內人員及器械對導航信號的干擾(如紅外線傳感器的光學信號接收器)以及因疲勞和情緒等因素所造成的人為失誤等。目前已有學者將機器人導航技術應用于CBT螺釘內固定術之中。

Le等[8]比較國產“天璣”骨科機器人與傳統透視輔助下CBT螺釘置入的準確性，根據改良的Gertzbein-Robbins分級方式進行螺釘準確性評估，結果顯示機器人輔助組A類螺釘準確率高達87.2%，而傳統透視組A類螺釘準確率僅為66.9%(P=0.038)，但機器人組的手術時間、失血量及累計輻射時間多于傳統透視組(P<0.05)。在隨后的研究中，Le等[29]還發現利用機器人可以降低小關節侵犯率，傳統透視組中41.3%出現小關節侵犯，遠高于機器人組的17.3%(P=0.04)。陳豪杰等[7]利用Renaissance脊柱機器人輔助置入CBT螺釘治療合并骨質疏松的腰椎退行性疾病，對比徒手技術發現，脊柱機器人輔助置釘精準度更高(98.3%vs.84.5%，P=0.009)，侵犯上關節突的發生率更低(P<0.05)。除此之外，機器人組手術時間及出血量也顯著少于徒手組，這可能是由于CBT螺釘技術缺乏易于識別的進針標記點，徒手置入螺釘需盡可能剝離多的椎旁肌肉來確保安全置入，進而增大手術創傷及延長手術時間。Khan等[30]比較Mazor X機器人與術中三維CT導航技術輔助CBT螺釘置入的準確性，結果顯示機器人組92枚螺釘均準確置入，而CT組74枚中69枚準確置入(P=0.01)，但在手術時間、出血量無顯著差異(P>0.05)。

不同的機器人工作機制并不完全相同，作為國產機器人代表的“天璣”是國際首臺通用型骨科手術機器人產品。該機器人包括1臺六自由度機械臂、1臺主控臺車和1套紅外光學跟蹤系統,利用術中三維圖像直接進行手術規劃,最小化配準誤差，并利用光學跟蹤系統來檢測呼吸運動和器械偏差,實現手術過程的動態安全控制[31]。而Renaissance及Mazor X Stealth均產于Mazor公司，臨床研究報道Renaissance在椎弓根釘植入手術中的置釘率達96%，然而Renaissance的骨安裝方式操作較復雜且手術過程中缺少術中實時監控等，而后出現的Mazor X機器人,整合該公司已有的Stealth導航軟件優勢,結合串聯機械臂，實現光電導航下的機械臂實時定位，進一步提高準確率及安全性[32-33]。

脊柱機器人導航技術可以顯著提高螺釘置入準確性及降低上關節突侵犯發生率，進而提高螺釘置入的安全性及降低鄰椎病的發生率，且具有運動穩定、不易疲勞、減少術者暴露輻射風險等優點。然而現在骨科機器人仍存在諸多缺點：(1)價格普遍昂貴，在一般醫院難以普及，且維護成本較高，不利于機器人技術的應用與發展；(2)機器人操作流程復雜，需要學習與適應，在學習初期可能會增加手術時間、出血量，以及反復掃描導致輻射量增加；(3)目前大部分骨科機器人實質為“半自動”模式，智能程度不夠，術中需要術者監督完成手術。

3 導航技術未來發展趨勢

對于脊柱外科領域，螺釘置入的高準確性必定是導航技術的核心， 傳統的CT導航技術精準度受人為因素影響大，而目前的3D打印導板技術置釘的準確率也受椎體退變程度及術者技術顯著影響，骨科機器人具有4～6個自由度的機器臂替代人類手臂，允許在軸向、冠狀和矢狀面上的更高精度，螺釘置入時無需過分考慮椎體退變的影響，且與術者的技術無明顯關聯，因此骨科機器人技術仍是未來發展的趨勢。除此之外，由于脊柱外科手術需要反復徒手進行大量操作，容易引起術者的疲勞及情緒波動，機器人具有很好抗疲勞性及操作可重復性，可以顯著提高手術效率。

現階段導航技術已經表現出很好的安全性，但由于椎體周圍存在著豐富的神經血管，因此未來的導航技術仍需更高等級的安全保障，目前仍需解決以下幾個問題：(1)術中實時的精準度檢測，目前少有導航技術可以監測術者置入螺釘過程中的情況，CBT螺釘主要應用于骨質疏松的患者，骨密度下降可能會導致實際螺釘置入時原有釘道的改變，進而造成螺釘的錯位，增加神經、血管損傷的風險。增加實時監測系統可以讓術者實時評估置入過程中螺釘與周圍神經血管的關系，從而提高螺釘置入準確性及安全性。(2)缺乏術中緊急情況的反饋機制，即無法判斷螺釘是否損傷神經、血管等，因此術中需配備具有手術經驗的“熟手”進行監督。未來的導航系統可以用額外的傳感器來解決該問題，這類傳感器可以通過信號的變化判斷螺釘或者導針是否穿破皮質到達血管、神經及椎管附近，當出現上述危急情況時，機器人立刻停止當前操作并反饋給術者，進而保證手術的絕對安全[34]。值得注意的是，在提高精準度及安全性的同時必然會增加術中輻射暴露量，因此如何平衡兩者仍是未來需要解決的問題。

除此之外，未來的導航技術還需具有經濟效益性，昂貴的設備及高額的維護成本會限制技術的推廣及發展。再者，簡單的操作系統可以縮短術者的學習曲線，更有利于導航技術的發展。

4 小結

無論何種導航技術，都可以顯著提高CBT螺釘置入的準確性及安全性，且允許術者使用大尺寸的螺釘，可以潛在地提高螺釘固定強度及椎體穩定性，充分實現CBT螺釘設計意圖。除此之外，導航技術的發展正在不斷擴大CBT螺釘內固定技術的適應范圍，手術節段由起初的下腰椎發展至今的頸胸交界處。而以往復雜繁瑣的脊柱翻修術，在導航技術的輔助下，可以實現在原有的椎弓根內再放置1枚CBT螺釘，避免拆除原有器械，減少手術創傷。但傳統導航技術目前精準度不高、影響因素多，新型導航技術同樣面臨價格昂貴、維護成本高等弊端。盡管如此，在脊柱外科CBT領域，導航技術仍然體現出巨大的潛能，且隨著新型交互機構、人工智能、虛擬現實以及新一代通訊(5G)技術的快速發展，導航技術將邁入新階段，同時也將推動CBT螺釘內固定技術進入全新的階段。

作者貢獻聲明：徐子航：提出研究選題、篩選相關文獻、撰寫文章；龍浩：研究選題、文章初稿；寧旭：文獻審核