椎弓根螺钉植入导向装置研究现状

杨镇源，史文宇(综述)，邓强(审校)

甘肃省中医院脊柱二科，兰州730050

椎弓根螺钉植入导向装置研究现状

杨镇源，史文宇(综述)，邓强(审校)

甘肃省中医院脊柱二科，兰州730050

随着椎弓根螺钉技术在脊柱外科临床中的广泛应用，对精确置钉提出了更高的要求。为此，脊柱外科医师们进行了不断的探索，并借助各种现代技术手段创造性地研发应用了多种辅助导向装置，包括简易椎弓根螺钉导向器、导航系统和3D导航模板等。本文就椎弓根螺钉植入导航装置的研究应用方面进行综述，并对其发展趋势提出展望。

椎弓根螺钉;导向;临床应用

椎弓根螺钉技术目前已广泛应用于脊柱创伤、炎症、肿瘤、畸形和退变性疾病等的治疗，取得公认的良好效果［1］，准确置钉是手术成功的关键。目前，大多数医师仍采用徒手置钉技术，置钉失误及与其相关的并发症仍时有发生。为提高置钉准确率，脊柱外科医师提出了各种不同的置钉方法，并结合现代科技的进展创造性地应用了多种辅助导向方法。

1 简易椎弓根螺钉导向器

基于计算机导航应用费用高昂，操作繁琐，学习曲线长，兴起了椎弓根螺钉植入导向器的研发。但多停留于实验室研究、专利申报或局部的临床应用研究，并未形成广泛的推广应用。陈永铵等［2］研制对称性可调节式椎弓根钻孔导向器，能提高椎弓根螺钉置入的准确性，可提高固定钉的安置质量。王枭冶［3］进行胸腰椎椎弓根钉植入导向器的设计及实验研究，结果显示，其所设计的装置可提高植钉准确率，减少相关并发症。吴强等［4］采用自制中空丝锥导向工具，不仅缩短了手术时间，也提高了上钉的准确性。胡宁［5］完成椎弓根螺钉植入导向器的研制及其在CT三维重建下辅助胸椎弓根螺钉植入的体外应用研究，结果显示，导向器操作简便，其导向使钉道达到理想角度，必能减少椎弓根穿破的发生。肖京等［6］进行椎弓根轴线导向器的研制和应用研究，认为椎弓根轴线导向器可以准确地引导顺椎弓根轴线钻孔，从而提高椎弓根钉置入的准确性和安全性。范玉强等［7］进行可调式简易腰椎椎弓根螺钉导向器的研制及临床应用，认为采用该椎弓根导向器联合C臂透视能够缩短手术、透视时间，达到螺钉的精确安置，减少手术相关并发症。徐兆万等［8］行导向器辅助下个体化后路颈椎椎弓根螺钉固定的疗效评价，探讨自制导向器辅助下个体化后路颈椎椎弓根螺钉固定的临床效果，认为导向器辅助下CT测量个体化置钉后路颈椎椎弓根置钉准确率高，简单易行，安全可靠。陈德路［9］研制椎弓根螺钉植入专用器械，可以使双侧椎弓根螺钉快速、准确地沿椎弓根中轴线对称植入。

目前研究及应用的椎弓根螺钉导向器多采用棘突定位杆加刻度盘设计方法，存在如下问题:①棘突偏歪误差;②左右椎弓根不对称问题;③进钉点与棘突固定点非同一旋转圆心的问题。有学者设计进针点定位杆与铅垂线投影角度的方法也操作繁琐，不利于临床应用。杨镇源等［10］设计研发一种角度控制组合式椎弓根螺钉植入工具，避免了前述导向装置部分设计及应用缺陷，使用方便、价廉，可使角度控制贯穿于置钉全程(开口、定位针、开路、置钉)，配合术前X线与CT数据测量，极大提高了置钉的准确性与安全性，避免了使用导航仪器的高昂费用，减少了患者及术者的射线暴露，值得临床推广应用。但此设计也存在进针点的准确定位问题。

2 导航系统

2．1 计算机辅助导航

随着导航设备的不断改进及医师操作的不断熟练，现已经扩展到包括颈椎和胸椎在内的整个脊柱，应用病种也从最早的脊柱骨折扩展到脊柱退行性疾病、畸形及肿瘤等，从原先的标准后路手术扩展到前路等各个方面［11］。陈晓明等［12］采用术中C臂X线透视二维导航、CT三维重建导航模式，置钉1 820枚，1 778枚为Ⅰ级螺钉(准确率97．69%)。其中颈椎92枚，I级螺钉90枚(准确率97．82%)，胸椎502枚，Ⅰ级螺钉492枚，准确率98%，腰椎置入螺钉1 226枚，Ⅰ级螺钉1 196枚，准确率97．2%。平均置钉时间(7．0±1．5)min。提示计算机导航技术辅助脊柱椎弓根钉置入，能立体、多视角实时显示骨性解剖结构，保证了脊柱椎弓根钉置入的准确性及安全性，明显减少放射线的暴露强度。王涛等［13］回顾性分析25例O-arm导航下修复严重脊柱畸形患者的临床资料，结果显示，在O-arm导航系统下修复严重脊柱畸形的置钉准确性高。

2．2 骨科机器人

基于CT、2D透视、3D透视、数字化仿真、超声和电磁等导航系统，以及多模态导航等各种导航技术不断发展，骨科机器人在临床应用中凭着智能、微创和精准等基本特性，有力地改善了传统骨科手术损伤大、辐射量高及操作不精确等状况，展现出巨大的应用价值，引起了广泛关注。早期的脊柱机器人关注于如何提高椎弓根螺钉置入精度、减少血管神经损伤和减少医患辐射等，现在也用于病理活检、椎体成形术和局部封闭术等。目前已经诞生了至少18种脊柱相关机器人［14］。SpineAssist是目前世界上唯一通过美国FDA和欧盟CE批准的脊柱专用机器人。目前已完成超过2 500例的手术，辅助15 000枚螺钉植入。大量的临床实验表明，SpineAssist可显著提高螺钉植入的精确性，减少辐射，尚无发生永久神经损伤的报道［15-16］。

2．3 其他导航技术

钟胜河等［17］研制了一种无辐射、成本低廉的生物电阻抗导航系统，对家猪椎骨进行辅助椎弓根螺钉植入实验，认为该系统能实时、准确地反映插入电极到达不同椎骨组织的部位，且能对整个手术过程进行实时监测，可望在椎弓根螺钉植入手术中获得广泛的应用。超声导航系统具有费用低廉、电离辐射低和能实时显像等优点。但在椎弓根螺钉植入方面，由于超声能量在骨组织内衰减大，其穿透骨组织深度较浅，且现有超声探头较大，无法伸入钉道，因此需进一步研究［18］。

3 基于3D打印的导航模板

近年来，Mimics软件结合3D打印技术下的目标椎体及个体化导航模板制作，已开始应用于临床，极大地提高了椎弓根螺钉植入的精确性及安全性。陈宣煌等［19］应用3D打印制备个体化导航模板辅助腰椎椎弓根螺钉置入，共植入253枚螺钉。术后行X线、CT扫描重建，发现有8枚椎弓根螺钉与术前设计相比，进钉方向稍有偏移，但均在较满意的位置，其余245枚椎弓根螺钉的进钉点、方向和长度均与Mimics软件中模拟的预定理想进钉点、方向和长度一致，准确率96．84%。提示，在导航模块的辅助下，腰椎椎弓根螺钉数字化置入精准。邹伟民等［20］运用3D打印技术，建立了患者脊柱个体化模型，术前模拟选取胸腰椎椎弓根螺钉型号及术中置钉进行内固定操作，并应用于术中，收到了良好的效果。两组患者在置钉准确率及一次性置钉成功率指标差异有统计学意义(P＜0．05)，3D打印组治疗优于对照组。董春科［21］进行了个性化导航模板辅助寰椎椎弓根螺钉置钉与徒手置钉对比的临床研究，结果显示，徒手组患者共置入螺44枚，其中0级21枚(47．7%)，Ⅰ级17枚(38．6%)，Ⅱ级4枚(9．1%)，Ⅲ级2枚(4．5%);导板组患者共置入螺钉38枚，其中0级35枚(92．1%)，Ⅰ级3枚(7．9%)。两组置钉准确率差异有统计学意义(P＜0．01)。

4 总结

目前椎弓根螺钉的导航装置包括简易椎弓根螺钉导向器(可调节式椎弓根钻孔导向器、中空丝锥、椎弓根轴线导向器、可调式简易腰椎椎弓根螺钉导向器和角度控制组合式椎弓根螺钉植入工具)、导航系统(计算机辅助导航、骨科机器人、超声导航和生物电阻抗)和3D导航模板等。简易导向器设计简单，使用方便，费用低廉，可减少患者及术者的射线暴露，但也存在着一定的设计缺陷与不足，均未能精准确定进针点，受术者技术和经验影响较大。国内仅有少数医院拥有计算机辅助导航系统。计算机导航减少患者及医务人员的辐射暴露［22］，增加了手术的安全性，减少手术的风险。但也存在术中参考架松动或移动，需要重新注册;有图像漂移现象;导航工具的注册及数据采集过程复杂;术中需额外切口固定参考架;学习曲线长;导航设备费用高，使患者的手术费用增加。实验及临床研究报道，3D导航模板置钉准确率较高，但其目前仍处于临床初步应用阶段，仍存在导板贴附不佳、导板断裂和导板置入空间不足等诸多问题，有待进一步改善。如何解决软组织剥离困难问题，选择哪些解剖部位作为导板匹配区可以提高导板稳定性与位置确定性，如何解决骨表面重建数据损失问题，这些都有待于进一步探索［23］。笔者以为，角度控制组合式椎弓根螺钉植入工具与3D导航模板结合应用，在进一步提高椎弓根螺钉植入精度方面具有相当的应用前景。

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Research status of pedicle screw insertion guiding devices

YANG Zhenyuan，SHIWenyu，DENG Qiang
Department of SpineⅡ，Gansu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine，Lanzhou 730050，China

With the wide application of pedicle screw technique in spinal surgery，a higher requirement is put forward for precise placement of pedicle screws．To this end，constant research have been conducted by spine surgeons，and with the aid of a variety ofmodern technologiesmany auxiliary guiding devices are created，including simple pedicle screw guide，navigation system，and 3D navigation template．In this paper，the researches on application of pedicle screw navigation deviceswere reviewed，and the developmental trendswere prospected．

Pedicle screw;Guide;Clinical application

R197．39

A

2095-378X(2017)02-0110-03

10．3969/j．issn．2095-378X．2017．02．012

2017－04－19)

甘肃省卫生行业计划管理项目(GWGL2014-07)

杨镇源(1978—)，男，硕士，主治医师，从事中西医结合治疗脊柱疾病

邓强，电子信箱:dengqiang11576@sohu．com