改良二维X线导航模拟椎体三维影像引导胸腰段椎弓根钉内固定的临床应用

刘恩志，郭东明，蔡维山

近年来，计算机导航辅助下的椎弓根内固定技术在脊柱外科领域有了突破性进展，在导航系统的引导下，椎弓根钉内固定手术的精确性和安全性得到了显著提高。我院自2005年3月～2009年3月应用改良二维X线导航通过模拟椎体三维影像的方式引导胸腰段椎弓根钉内固定，治疗66例胸腰椎体爆裂骨折及腰椎滑脱等疾病，获得良好效果，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组66例患者，男39例，女27例。年龄21～68岁，平均年龄43.5岁。其中腰椎滑脱18例（L3/42例、L4/59例、L5/S17例），腰椎不稳25例（L3/43例、L4/59例、L5/S15例、L3/4～L4/5两节段3例、L4/5～L5/S1两节段5例），胸腰段骨折23例（T128例，L112例，L2～L43 例）。后凸 Cobb 角 20.5°～34.5°（平均26.3°）；以相邻椎体高度均值做参照，爆裂椎体高度丢失45%～65%（平均55%）。术前均行CT扫描。扫描节段：手术椎体及椎弓根平面、上下椎间盘。选取患者术前CT关节突中下部的椎弓根影像，测量其椎弓根的中轴线与椎体纵轴通过棘突中点连线的夹角。所有植入物均在计算机辅助骨科手术导航（Metronic Sofamor Danek Stealthstation Treon TM）引导下进行。

1.2 手术方法

患者全麻俯卧位，后正中入路，显露手术节段棘突与双侧关节突，将导航参考架固定于最上位手术椎节的棘突并向头侧倾斜。导航操作步骤包括：（1）采用带校准靶的C臂X线机一次性拍摄手术部位正侧位及左右斜位X线片。左右斜位的角度可依术前CT测量椎弓根与椎体纵轴的角度确定。导航显示屏显示患者手术椎体正侧位及左右斜位的图像，斜位片椎弓根呈现椭圆形影像（即椎弓根轴位片）。（2）注册带有参考架的有线（主动）导航手术器械，显示屏显示虚拟的手术器械图像，该图像与参考架的有线（主动）导航手术器械相对应。使用带参考环的椎弓根开路器在手术椎节的棘突上确定中线位置，即可在导航显示屏的正位片上显示导航配套器械与手术椎体棘突中线的矢状夹角。（3）根据椎弓根轴位片选择椎弓根钉入钉点。当导航虚拟的椎弓根开路器尖部影像位于椎弓根椭圆形影像正中时，侧位片上椎弓根钉虚拟影像亦通过侧位片椎弓根的中部，即表示椎弓根钉入钉点位于椎弓根中点，标定该入钉点。（4）根据导航的正侧位片选择矢状面螺钉置入角（sagittal screw angle，SSA）和水平面螺钉置入角（transverse screw angle，TSA），TSA由术前CT测量所获得的椎弓根与椎体纵轴的角度来确定。当正位片显示虚拟椎弓根钉进钉的TSA等于术前测量的角度，侧位片上显示虚拟椎弓根钉影像通过椎弓根中部，斜位片上显示虚拟的钉影像完全位于椭圆形椎弓根影内时，则确认入钉点和角度无误，虚拟椎弓根钉完全位于椎弓根内。由助手协助固定导航开路器，术者小心使用导航开路器在手术节段的椎弓根开路后旋入椎弓根螺钉。所有椎弓根钉根据以上导航引导方法植入后，再以C臂X线机对手术节段再次摄片，获取的影像与导航虚拟影像进行匹配，之后完成相应的腰椎节段减压、复位和融合等手术过程。

1.3 置钉效果评估

在内植物植入完成后，即拍摄相同投照条件下的手术椎节正侧位及斜位X线片，观察内植物位置、导航虚拟路径与实际椎弓根钉影像的位置差及角度偏差，同时根据椎弓根钉所在位置将术后手术椎节椎弓根层面的CT扫描结果分为4级：0级：椎弓根钉完全位于椎弓根内；Ⅰ级：椎弓根钉涉及椎弓皮质；Ⅱ级：椎弓根钉突破皮质＜2 mm；Ⅲ级：椎弓根钉突破皮质＞2 mm。

2 结果

本组66例手术共植入椎弓根钉280枚，在完成椎弓根钉植入后探查椎管神经根，未发现有椎弓根钉突破椎弓根神经管壁。影像学结果显示，内植物位置理想，导航虚拟路径与实际椎弓根钉影像平均位置差为1.5 mm，角度平均偏差1.0°。术后66例患者的CT扫描结果显示，全部椎弓根钉均位于椎弓根内，未出现涉及或突破皮质的现象。术后CT测量椎弓根钉与椎体纵轴之间的角度与术前预测的TSA平均偏差2.0°。典型病例见图1。

3 讨论

如何提高脊柱内植物手术的精确度、降低内固定失败率，是脊柱医师必须面对的临床问题。椎弓根内固定技术的成功与否和术中椎弓根定位以及椎弓根置钉位置的准确度密切相关。即使只有1枚椎弓根钉出现置钉位置不良，也会由于失去同侧固定作用、不能承受相应的载荷、受力不均衡而导致应力集中在位置正常的一组钉棒系统，使作用于该系统的推拉力和负荷成倍或成数倍增加，最终导致断钉。以往人们主要依靠术中对手术区域进行多次多体位X线摄片来确定椎弓根螺钉的长度及进钉方向，但目前研究认为，避免螺钉位置不良的关键是正确的螺钉进钉点和适当的螺钉植入方向[1-3]。利用导航系统可以动态观察椎弓根钉的进钉位置和植入方向，因此大大提高了置钉的准确性和安全性。我院自2003年将二维导航系统用于辅助脊柱内植物手术，使用导航系统配置的红外线跟踪设备动态追踪手术器械在病人解剖结构的相应位置，为术者提供与脊柱手术过程同步的、可视的、实时变化的二维影像。但在临床实践中我们发现，二维导航系统主要提供手术椎

体的正侧位虚拟图像，侧位虚拟图可以辅助手术医师调整椎弓根钉的SSA，正位虚拟图像可以辅助术者调整椎弓根钉进入后的外展角度，但二维导航系统并不能提供手术椎体的TSA图像，因而当最初的椎弓根入钉点偏内或偏外时，对椎弓根钉置入时应采取多大角度才能沿椎弓根纵轴进入椎体，系统的监测功能并未起到应有的作用，故对于使用导航系统引导椎弓根钉内固定的手术而言，选择入钉点是非常重要的。首先选择正确的入钉点，然后再根据经验性椎弓根钉进入椎体的矢状角度，在导航系统的配合下即可成功完成整个椎弓根钉的植入过程。

图1 改良二维X线导航模拟椎体三维影像引导下腰4椎体滑脱椎弓根钉内固定

早期我们在运用导航系统引导腰椎椎弓根钉手术的过程中，入钉点通常采用Roy Camille法[4]或Magerl法[5]，入钉后螺钉一般与矢状面呈15°夹角。Holly等学者[6-8]报道的临床手术结果显示，应用二维导航系统辅助的方法引导椎弓根钉内固定依然不能避免椎弓根钉侵犯椎弓根外侧壁，其原因主要是术中导航未能提供准确进钉的TSA，所以只能通过减小进钉TSA以预防螺钉侵犯内侧皮质进入椎管。故常规二维导航辅助椎弓根钉植入的成功率虽然较术中X光辅助徒手植入的方法有明显提高，但仍然存在椎弓根钉植入失败的可能性。

由于椎弓根有内倾角，故在导航系统正位片上显示的由椎弓根投影产生的影像并不能真实反映椎弓根的解剖结构；使用正位片图像判断入钉点是否正确也存在一定偏差，因为即使以正位片椎弓根投影的中点作为入钉点，也有可能发生入钉点过于偏内或偏外的情况，特别是在关节突增生明显时可能性更大；采用正位片的椎弓根投影作为术中椎弓根钉是否侵犯内外侧皮质的监测指标亦不够准确。因此，如何通过术中导航影像系统获取正确的椎弓根解剖投影是迫切需要解决的问题。

生物力学实验表明，只有当椎弓根钉沿着椎弓根的解剖长轴中心准确植入并达理想深度，才能获得最佳的稳定性和最满意的临床疗效[9]。术前CT能够准确测量椎弓根的直径、方向，因此我们首先选取患者术前CT扫描的关节突中下部的椎弓根影像，将椎弓根的中轴线与椎体纵轴通过棘突中点连线的夹角作为术中斜位片的角度，即螺钉沿此TSA进入可通过椎弓根的解剖长轴直达椎体内，而术中导航系统根据这个夹角获取的斜位片则是脊柱旋转相应角度的投照影像，这时从斜位片上可以观察到椎弓根呈椭圆状投影，在此角度斜位片中椎弓根的影像最大程度地接近于其真实的横截面，因此，当导航虚拟的开路器尖端影像完全位于该斜位片的椎弓根椭圆状投影的中点时，则表示虚拟的椎弓根钉入钉点最大可能性地接近实际的椎弓根中点。当其虚拟的椎弓根钉影像完全位于斜位片的椎弓根椭圆型投影时，则表明虚拟的椎弓根钉钉道正确，并完全处于椎弓根内。反之，当虚拟椎弓根钉投影超出椭圆投影内侧时，则认为虚拟的钉道已突破内侧椎弓根皮质，甚至有可能突入椎管内；如其超出椭圆状投影的外侧边，则推测钉道有可能已突破椎弓根外侧皮质。如此，通过附加椎体斜位片获得的椎弓根轴位片可以达到椎体椎弓根矢状位片的效果，采用单纯的二维导航可以获得手术椎体的三维影像。手术医师只需通过导航的监测和引导即可简单、安全、精确地完成整个椎弓根钉的植入过程。本组280枚椎弓根钉植入均采用这种改良二维导航辅助内植物植入的方法进行置钉，术后CT结果显示全部螺钉均完全位于椎弓根内，未见有侵犯椎弓根内外侧壁的现象发生，植入准确率高于单纯二维导航引导的椎弓根钉内固定方法。

本研究的结果证实，该改良二维导航方法简单方便，仅选取正侧位附加相应左右的斜位片即可在导航系统中模拟手术椎体的正侧位及椎弓根轴位的虚拟影像，从而更加精确地引导椎弓根钉的植入，手术效果可与三维导航的治疗效果相媲美[10,11]。此方法亦可在颈椎、胸椎椎弓根钉的植入中加以使用，从而提高颈椎和胸椎疾病椎弓根螺钉置钉的准确性和安全性。

1 李兵.椎弓根螺钉植入方法的研究进展[J].中国矫形外科杂志,2002,9(1):61-64.

2 熊传芝,郝敬明,唐天驷.椎弓根钉道参数的变异性及其相关因素的研究[J].中华骨科杂志,2002,22(1):31-35.

3 Lehman RA,LenkeLG,KeelerKA,etal.Computed tomography evaluation of pedicle screws placed in the pediatric deformed spine over an 8-year period[J].Spine,2007,32(24):2679-2684.

4 Roy-Camille R.Current trends in surgery of the spine[J].Int Orthop,1989,13(2):81-87.

5 Magerl FP.Stabilization of the lower thoracic and lumbar spine with external skeletal fixation[J].Clin Orthop Relat Res,1984,189:125-141.

6 Holly LT,Foley KT.Intraoperative spinal navigation[J].Spine,2003,28(15S):S54-S61.

7 郭东明,蔡维山,徐志和,等.导航引导椎弓钉加椎间钛笼稳定腰椎椎节的手术应用[J].中国矫形外科杂志,2004,12(9):648-650.

8 刘恩志,蔡维山,郭东明,等.影像导航引导椎弓根钉加椎间融合治疗腰椎滑脱症[J].中国医药,2007,2(1):44-46.

9 林炎生,周庭永,韩景茹.下位腰椎椎弓根内固定术的断层解剖与CT[J].中国临床解剖学杂志,2002,20(3):194-197.

10 Euler E,Heining S,Riquarts C,et al.C-arm based threedimensional navigation:a preliminary feasibility study[J].Comput Aided Surg,2003,8(1):35-41.

11 Geerling J,Gosling T,Gosling A.Navigated pedicle screw placement:experimentalcomparisonbetweenCT and3D fluoroscopy-based techniques[J].Comput Aided Surg,2008,13(3):157-166.