经皮椎弓根螺钉植入影像辅助技术的新进展

李永犇（综述），潘进社（审校）

（河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北石家庄 050051）

·综 述·

经皮椎弓根螺钉植入影像辅助技术的新进展

李永犇（综述），潘进社*（审校）

（河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北石家庄 050051）

外科手术，计算机辅助；手术，微创性；综述文献

传统开放椎弓根螺钉植入术由于过度剥离椎旁肌，并发症较多，越来越多的学者开始采用微创椎弓根螺钉植入技术［1-3］。为了提高经皮椎弓根螺钉植入术的准确性，一些先进的计算机辅助导航系统被引用到脊柱外科。本文在此对用于经皮椎弓根螺钉植入术的各种导航技术作一综述，以期对临床有一定帮助。

1 C型臂X线机在经皮椎弓根螺钉植入术中的应用

目前用于指导经皮椎弓根螺钉置入的透视法包括2种：正侧位双向透视法，椎弓根轴位侧位双向透视法。椎弓根轴位像可以较准确显示椎弓根周围皮质，更利于判断螺钉的内外侧角度和椎弓根的直径；标准的正侧位透视方法虽然相对简单，但不能真实反应椎弓根中心及其直径，在其引导下容易选择直径偏小的螺钉，螺钉穿出椎弓根的概率也较高［4］。

以上2种方法有一个共同的缺点——使用中需反复调整C型臂的位置，不仅增加手术时间，而且增加医生和患者的X线辐射量。Idler等［5］通过一个特殊的影像导航系统（Neuro Vision M5）提高了定位椎弓根轴位像的效率，降低了X线辐射量。该系统包括装配在C型臂上的探测装置，与其相连的Neuro Vision导航系统，一台微电脑和一个显示屏。探测装置为该系统的核心部件，包括3部分：①装配在影像增强器上的分划板；②加速计，即C型臂倾斜传感器，可以确定C型臂在各种平面上的倾斜角度；③激光瞄准器，用于确定皮肤入点和导针的方向。术前对患者椎体进行CT扫描，利用CT影像计算出每个椎弓根与矢状面的夹角，并输入微电脑，术中便可在屏幕上显示出C型臂需要向椎体内外侧倾斜的角度。术中摄椎体侧位像后，传输到Neuro Vision导航系统，便可在屏幕上测量出C型臂需要向头尾侧倾斜的角度。然后，激光瞄准器在皮肤上定位出最佳进钉点和进钉方向。Idler等［5］采用该技术共植入326枚螺钉（L3～S1），准确率达98.47%。他们认为该技术不仅提高了C型臂X线机的效率及准确性，而且降低了手术难度和C型臂相关的术区污染率。

2 计算机辅助导航系统在经皮椎弓根螺钉植入术中的应用

近年来，计算机辅助导航系统在脊柱外科中的应用进一步提高了椎弓根螺钉植入的准确性。伴随技术的发展，计算机辅助导航系统已由依赖外科医师进行手动配准［6-7］发展成了自动配准，使该技术应用在经皮椎弓根螺钉植入术成为可能。目前，应用在经皮椎弓根螺钉植入术的计算机辅助导航系统包括基于光学空间定位技术的二维/三维导航系统，以及基于电磁空间定位技术的电磁导航系统。

2.1 二维导航系统：基于CT的影像导航系统曾经被看做计算机辅助导航技术的标准［8-9］。但该技术需要外科医师将椎体的术前影像与术中实际解剖结构进行手动配准，需要开放手术充分暴露椎体后侧骨性结构，不能用于微创手术。随后出现的具有自动配准功能的二维导航系统对脊柱外科来说是一次重要的变革。

二维导航系统是传统C型臂X线机和影像导航系统相结合的产物，增加了传统透视法的优点，减少了其缺点。在手术器械和C型臂装配示踪器，并由导航系统照相机追踪。在C型臂的影像增强器上安装校准靶，即一个均匀网格分布的校正模板，经过插值运算对X线透视图像进行几何校正，计算机工作站就可以建立起一个透视图像的模型，将追踪的手术器械与保存的图像模型叠加在一起，当手术器械对图像模型进行“操作”时，系统可以同时显示它们在正侧位影像上的位置关系。透视图像可保存，透视时手术人员可以从手术区域离开，大大减少了X线辐射。由于不需要手术医师进行手动配准，既节省了手术时间，也避免了较长的学习曲线。

然而，该技术并没有摆脱传统透视法的一些缺点［1］，不能提供椎体轴位像，不能很好地显示椎管，而轴位像的获取对于提高螺钉植入准确性很重要；对于胸椎、肥胖患者、过度骨质疏松患者或者复杂解剖和姿势等均不能提供高质量的影像，影响螺钉植入准确性。

近些年来，关于二维导航系统辅助下椎弓根螺钉植入准确性的研究较多。Foley等［10］采用二维导航系统和Sextent系统完成12例经皮椎弓根螺钉植入术，其中优良11例，1例进行了翻修手术。Ravi等［11］对41例患者采用二维导航系统经皮植入161枚椎弓根螺钉，无1例神经、血管或者内脏损伤，37枚螺钉（23%）穿出椎弓根，其中穿出＜2mm 31枚螺钉，穿出2～4mm 5枚，穿出＞4mm 1枚，每位患者总的透视时间＜20s。

2.2 三维导航系统：等中心C型臂的发明使得术中实时获得三维影像成为可能。三维导航系统是等中心C型臂和影像导航计算机技术相结合的产物。等中心C型臂可以自动沿其190°弧连续旋转，对准一个中心连续摄像，采集256幅数字点片图像并自动重建三维图像，将图像传输至导航系统，根据显示器提供的信息，即可确定理想的进针点和进钉方向［12］。该系统在图像获取、重建、数据传输到计算机工作站并完成自动注册总共需时不超过5min，极大的提高了该系统的“亲和力”［13］。该技术具备CT影像导航系统的优势——可以重建椎体的轴位、冠状位和矢状位影像，清晰显示椎弓根周围皮质及椎管影像，为椎弓根螺钉的精确定位提供保障，还可以准确得出所需螺钉的长度和直径，避免了凭主观经验选择螺钉型号的误差。该技术也具备二维影像导航系统的优势——无需进行手动配准；无需反复X线透视，摄像后可将C型臂移开，便于术者操作等［14］。此外，该技术可以同时显示多个节段（3个腰椎或者4个颈椎），所有扫描水平均自动注册，可以同时导航多个节段，是目前一种较为理想的导航方式。

然而，三维导航技术并没有完全摆脱二维影像导航技术的缺点。当患者肥胖、骨质疏松或者脊柱畸形等情况时，导航的准确性可能受到影响［13］。Verlaan等［15］证实了三维导航技术提供的椎体三维影像数据与真实解剖结构能达到良好吻合。Acosta等［1］第1次将三维导航系统应用到人体经皮椎弓根螺钉植入术中，取得了良好的效果。Holly等［16］的研究表明，该技术与CT影像导航系统具有相似的效果，在腰椎椎弓根螺钉植入术中准确性达到100%，胸椎为92%。van de Kraats等［17］通过尸体研究进一步验证了三维导航技术在椎弓根内植入克氏针的准确性，他以导航系统计划出的虚拟针尖位置与术后实际针尖位置作对比，发现两者距离之差为（2.5±1.5）mm。

2.3 电磁导航系统：电磁导航系统属于特殊的二维导航系统，其空间定位技术采用的是电磁示踪技术。虽然光学示踪技术仍是空间定位技术的主流，但由于易受术中手的遮挡、周围光线及金属物体镜面反射的影响，实际应用中有一些不便利之处，电磁导航技术则可避免这一弊端［8］。将电磁发射器置入伤病椎临近正常椎体棘突上，每个电磁产生线圈定义一个空间方向，3个线圈确定3个空间方向，然后再根据已知的相对位置关系就可以对金属目标的空间位置进行定位。在C型臂影像增强器上安装校准靶和用于测量电磁信号的电磁接收器，进行正侧位摄像后该系统可以自动将术中影像与真实解剖结构进行配准，即可实时在正侧位影像上进行导航。同样，该系统具备自动注册、低X线放射量的优点，摄像后C型臂也可从术区域移除，便于术者操作。电磁导航系统的缺点是容易受手术区域附近的特定金属或者其他干涉源的影响，因此手术器械所用材料需要特别选取，这也是其应用受限的最主要原因；离发射器越远电磁信号越低，以1/r3的比例减弱（r为磁场半径），只有在一定磁场半径内才能维持该导航系统的准确性，一般认为追踪的目标必须在发射器45.7cm的半径内，也就是说该系统最多能准确导航发射器周围3个椎体。

电磁导航系统具有与光学导航系统相似的准确性［18-20］。von Jako等［20］采用尸体研究对比了电磁导航系统和C型臂X线机在经皮椎弓根内置入克氏针的准确性和工作效率，发现2组克氏针置入均100%成功，电磁导航系统组克氏针的位置普遍优于C型臂组，电磁导航系统组所需的准备时间长于C型臂组（9.6min∶3.6min），但平均每椎体置钉时间为6.3 min∶9.7 min，每椎体置钉所需平均透视时间为11s∶48s，差异均有统计学意义。von Jako等［21］对比了电磁导航与传统X线辅助技术的准确性及其他指标，发现电磁导航系统组理想置钉数明显多于传统X线组（62.7%∶40%），螺钉穿出椎弓根数明显少于传统X线组（16.2%∶42.5%），电磁导航组在腰椎椎弓根螺钉植入术中的准确性显著优于C型臂组（穿出率为16.2%∶42.5%），而两组在胸椎和骶椎上没有显著差别，电磁导航组总的放射时间比传统X线组减少了77%，2组植钉时间差异无统计学意义。因此，电磁导航系统在经皮植入椎弓根术中具备一定的准确性，与C型臂X线机辅助技术相比，虽然增加了术前准备时间，但提高了螺钉植入效率，大大减少了术中透视时间。

3 小 结

微创椎弓根螺钉植入术是脊柱外科的一大发展趋势，为了提高其准确性，各种导航技术和机器人辅助技术得到了长足的发展。Neuro Vision M5大大提高了经典的Magerl技术的效率。二维和三维导航技术、电磁导航技术均具备自动配准功能，使其应用在经皮椎弓根螺钉植入术中成为可能。三维导航技术结合了二维导航技术和标准的CT影像导航系统的优点，是目前一种较为理想的导航技术。然而目前这些导航系统在胸椎、肥胖患者和严重骨质疏松患者术中成像质量不高，影响导航准确性。相信这一问题会随着科学的进步和技术的发展得以解决。

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（本文编辑：刘斯静）

R814.41

A

1007-3205（2012）07-0859-04

2012-02-18；

2012-04-23

李永犇（1985-），男，河北霸州人，河北医科大学第三医院医学硕士研究生，从事骨外科疾病诊治研究。

*通讯作者

10.3969/j.issn.1007-3205.2012.07.046