机器人辅助下椎弓根螺钉固定治疗胸腰椎骨折

徐鹏,葛鹏,章仁杰,李伟,张银顺,董福龙,钱军,申才良

（安徽医科大学第一附属医院脊柱外科，安徽 合肥 230032）

椎弓根螺钉固定是脊柱外科手术中最常用的手术方法，对脊柱生物力学的恢复起着重要的作用，然而，亚洲人群椎弓根的平均宽度仅为约8 mm[1]。传统经皮椎弓根螺钉植入，需多次透视甚至连续透视以确定椎弓根螺钉的准确进钉点，即便如此，仍可能出现椎弓根螺钉穿透椎弓根皮质损伤周围组织，并有可能因椎弓根螺钉位置不佳引起严重并发症。相关文献报道椎弓根螺钉内固定术的失败率为4.9%～37.5%[2-4]。骨科机器人的出现，有效地协助了外科医生细化手术操作，目前我国机器人技术尚未广泛应用于脊柱外科手术。我科自2018-01起，采用最新一代骨科机器人辅助椎弓根钉植入，取得了较好的手术效果，报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组为临床随机对照研究，纳入2018-01-06期间安徽医科大学第一附属医院脊柱外科收治的43例因胸腰段骨折入院患者。所有患者均签署知情同意书。纳入标准：（1）胸腰段骨折；（2）符合脊柱椎弓根螺钉内固定的指征；（3）椎弓根形态正常。排除标准：（1）严重骨质疏松；（2）陈旧性骨折；（3）椎弓根发育异常；（4）合并其他严重的基础疾病；（5）无需椎弓根内固定。采用简单随机化分组方法，将43例患者随机分为机器人辅助椎弓根螺钉固定组24例(机器人辅助组)和传统透视引导椎弓根螺钉固定组19例(传统透视引导组)，同时进行分配隐藏。

1.2 手术方法

1.2.1 手术机器人系统 天玑骨科手术机器人是一种机器人辅助脊柱外科手术设备，手术医生可基于三维影像并通过手术计划软件对椎弓根螺钉置入路径进行规划。机器人手臂系统可以自动计算椎弓根螺钉的预定路径的实际空间位置,并借助光学跟踪系统,将机械臂和附着在机械手末端的导向工具定位到预定路径，外科医生通过引导器精确地置入椎弓根螺钉。光学跟踪系统可以实时探测患者的实际位置及其他原因引起患者位置的变化，并与机器人手臂系统协同进行实时运动补偿，使机械臂系统始终能够准确定位预先规划的椎弓根螺钉植入路径。为保证手术安全、顺利地完成，天玑骨科手术机器人系统具有一套完整的操作流程，分为机器人设置、3D图像采集和自动配准、椎弓根螺钉路径规划、内固定置入和术后图像验证五个部分。

1.2.2 机器人辅助组 患者全麻后取俯卧位，将3D-C臂系统和机器人系统连接，机器人系统覆盖无菌塑料外罩并摆位于手术台侧面，确保机器人机械臂可以覆盖整个手术区域。在手术节段邻近椎体棘突上安置跟踪器，使用无菌器械套对机器人机械臂装置进行无菌隔离并安装机械臂跟踪器，光学跟踪相机放置于患者头端，朝向手术区域，使机械臂跟踪器和患者脊柱上的跟踪器同时被识别。使用3D-C臂系统沿C轨道滑动190°范围，模拟CBCT自动选装透视过程，数字图像传送至手术机器人的手术规划操作平台，并完成患者三维影像重建和机械臂系统工作空间的自动配准。根据图像规划椎弓根螺钉入点、方向、直径和长度。将机械臂基座上的标定器换装为引导器，机械臂模拟运行，确认无误后启动机器人系统运行。机器人系统自动运行至规划路径并进行微调，确认椎弓根螺钉置入精度小于1 mm后发出置钉提示。沿机械臂固定方向插入套筒，确定皮肤切口位置，作1cm皮切口，切开皮肤、皮下组织和深筋膜，经肌间隙钝性分离至关节突关节，将套筒插入直达椎弓根进钉点骨面，打入钉道导针，完成全部钉道导针置入后，行正侧位透视，验证导针位置无误后，沿各导针方向分别柠入空心椎弓根螺钉，使用专用置棒器，经皮安装双侧预先弯曲的钛棒并提拉复位。

1.5.3 传统透视组 患者全麻后取俯卧位，在3D-C臂系统透视下定位骨折椎体并定位手术节段椎体双侧椎弓根，常规消毒术区皮肤，于各定位点作长约1 cm的纵切口，于C臂导引下沿椎弓根眼外上象限进行穿刺，正侧位透视见穿刺针位于椎弓根内且穿刺针位置、深度及角度合适，拔出针芯，置入导丝，取出穿刺针套筒，沿导丝置入逐级扩张套筒后取出套筒，仅保留导丝及最外层套筒，空心丝锥沿导丝方向攻丝，取出最外层套筒筒，沿导丝置入空心椎弓根螺钉。透视见弓根螺钉位置满意后，取出导丝，经皮安装双侧预先弯曲的钛棒并提拉复位。

1.2 观察指标与评价方法

记录两组患者手术时间、术中出血量、椎弓根螺钉置入的准确率以及术后3 d、末次随访时患者的腰痛视觉模拟评分（Visual analogue scale,VAS）、Oswestry功能障碍指数（oswestry disability index,ODI）。所有患者术后3 d完成CT扫描，椎弓根螺钉的位置由未参与手术的脊柱外科医生进行评估。根据Gertzbein-Robbins[5]分类标准，评估椎弓根螺钉在外侧、内侧、头侧和尾侧四个方向上是否存在穿透骨皮质的情况(A类：无皮质侵及；B类：皮质穿透＜2 mm；C类：2 mm≤皮质穿透＜4 mm；D类：4 mm≤皮质穿透＜6 mm；E类：皮质穿透≥6 mm)［6］。采用置钉准确率评估置钉的准确性，即完全位于椎弓根内、无皮质侵及的椎弓根钉数量（A类螺钉）占组内全部置入螺钉数量的比值。

1.4 统计学处理

2 结果

本研究共纳入患者 43例，年龄(46.4±10.5)岁。男25例，女18例。机器人辅助组24例(男14例，女10例)，年龄 (45.2±9.2)岁，传统透视引导组19例(男 11 例，女 8例)，年龄(50.6±10.7)岁。两组性别、年龄差异无显著性(P=0.115)。所有患者手术顺利，症状缓解明显，术后1 d逐渐开始康复训练，术后3 d内未发生医源性神经或血管损伤。

2.1 手术情况

机器人辅助组平均透视次数显著少于传统透视引导组，差异有统计学意义（P=0.028）；机器人辅助组的手术时间和术中出血量略多于传统透视引导组，但组间差异无统计学意义（P>0.05），见表1。

表1 两组胸腰椎骨折患者手术情况比较

2.2 置钉准确率

两组共置入椎弓根螺钉238枚，机器人辅助组置入椎弓根螺钉132枚，置钉准确率（A类）96.2%，见图1-4；传统透视引导组置入椎弓根螺钉106枚，置钉准确率（A类）73.6%，两组置钉准确性的差异有统计学意义 (P ＜ 0．01)。

表2 两组胸腰椎骨折置钉准确率比较

2.3 疗效比较

图1 胸腰段骨折术前与机器人辅助下术后X线片

图2 手术机器人术中示意图

图3 术中椎弓根螺钉路径规划

图4 术中透视及术后CT

机器人辅助组术后3 d及末次随访时的VAS评分、ODI指数与传统透视引导组比较，差异无统计学意义（P ＞0.05），见表 3。

表3 两组患者术后VAS评分、ODI指数比较

3 讨论

椎弓根螺钉置入的失败可能引起严重并发症，从而大大降低手术疗效。有相关文献报道，椎弓根螺钉置入的失败率可达4.9%～37.5%[2-4]，也有文章报道，通过解剖标志定位并结合术中影像进行椎弓根螺钉置入，成功率可达 90.3%～94.1%[7]，然而椎弓根的解剖形态存在着种族差异和遗传变异，同时解剖标志不明确、术者操作经验不足均有可能导致置钉失败。

为提高椎弓根螺钉置入的成功率及准确性，同时降低术中风险及术后并发症，计算机辅助导航系统应运而生。骨科手术机器人作为先进技术的集成产物，体现了我国医疗发展和工业制造的先进水平，不仅灵敏度高、定位准确、运行平稳，同时具有不受辐射、污染等外界因素影响的优点。骨科手术机器人应用于医疗领域，尤其应用于脊柱外科手术领域，可大大减少手术医生接触辐射、污染环境，并可有效降低因术者疲劳、生理震颤导致的不确定性，显著提高了手术的精确性和安全性，缩短了治疗和康复时间。

1992年Foley首次将Stealthstation导航系统运用于椎弓螺钉的定位，推动了脊柱外科手术机器人的实际应用［8］。目前针对脊柱外科的众多手术机器人中，最知名的是以色列的SpineAssist系统。Sukovich等［9］运用该系统进行经皮椎弓根钉内固定术，成功率可达93%，明显降低了外科医生的辐射损伤。但该系统在实际操作中存在操作复杂以及无法根据骨性结构实时位置的改变做出调整的缺点。天玑骨科手术机器人可根据术中的三维影像进行合理的手术规划并实时精确定位，引导椎弓根螺钉准确置入。本次研究通过临床对照证实了新一代国产骨科手术机器人系统能够显著提高椎弓根螺钉置入的精确度，基于手术精确度方面的提高，也使得传统脊柱外科手术中高难度的上颈椎手术得以顺利完成[10]。

我科采用的天玑骨科手术机器人系统实现了手术微创化、安全化、精准化的目标，对于推进脊柱外科进一步发展具有重要意义。传统脊柱外科手术过多依赖于外科医生的临床经验和操作水平，培养周期缓慢。而手术机器人在实际脊柱外科手术中的应用，确保了手术操作中的安全性及准确性，同时显著减少了术中术者与患者的放射线暴露，对于青年脊柱外科医生的手术培养有着重要作用。可以预见的是，骨科手术机器人的运用将不仅仅局限于脊柱外科手术，对于未来骨科手术的发展有着深远意义。

我科目前对于使用骨科手术机器人进行脊柱外科手术的临床经验的积累还比较有限，随着实践中的不断完善以及手术医生操作技术的熟练，机器人在脊柱外科手术中的应用将更加广泛，以其在手术精确度、减少手术失误等当面的出色表现更好地协助脊柱外科医生开展高难度的手术操作。