脊柱手术机器人在胸腰段窄小椎弓根后路螺钉置入中的应用

吴青松,谭新欢,刘 彬,周继平,杨永军

随着机器人技术、计算机辅助医疗技术及医学影像技术等相关技术的发展，脊柱外科机器人的研究也取得重大突破。成人的胸腰段椎弓根横径95%置信区间下限的波动范围为5.08～6.55 mm，本研究将椎弓根横径<5.5 mm的椎弓根视为窄小椎弓根。笔者回顾性分析2015年10月～2019年10月我科收治的156例存在胸腰段窄小椎弓根的脊柱疾病患者资料，双侧窄小椎弓根中一侧采用Renaissance脊柱手术机器人(Mazor公司)辅助置入椎弓根螺钉，另一侧采用传统手术方法后路置入椎弓根螺钉，比较两种方法的置钉准确率,报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例选择纳入标椎：① 存在至少一节双侧窄小椎弓根的胸腰段骨折或者脊柱畸形；② 需行双侧椎弓根螺钉固定；③ 骨密度正常；④ 无手术禁忌证；⑤ 年龄≥18岁。排除标准：① 严重骨质疏松；② 椎弓根存在变异；③ 合并其他系统严重疾病无法耐受手术。

1.2 病例资料本研究共纳入156例，男40例，女116例，年龄18～75岁。胸腰段骨折136例，脊柱畸形20例。窄小椎弓根：1节108例，2节36例，3节5例，4节2例，5节5例。胸椎30椎(T106个，T116个，T1218个)，腰椎198椎(L1116个，L244个，L338个)。本研究已获得我院伦理委员会批准，患者均同意并签署相关知情同意书。

1.3 术前准备① 测量椎弓根横径：椎弓根横径是指在CT水平扫描中，与椎弓根中轴线(ab)垂直的最大椎弓根的宽度(cd)，术前行相应椎体薄层CT扫描(层厚1 mm)，找到椎弓根最宽层面，使用我院阅片系统自带测量工具根据要求测出椎弓根横径。见图1。② 机器人辅助侧术前设计：将CT扫描原始数据输入Renaissance脊柱手术机器人(见图2)系统，手术医师在电脑上进行手术设计，确定手术椎体，并进行术前模拟椎弓根螺钉置入(见图3)，确定椎弓根置入的位置、长度、角度和直径，再将数据传输至工作站

图1 椎弓根横径测量方法

图2 Renaissance脊柱手术机器人主机 图3 术前机器人模拟进钉 A.水平位进钉;B.侧位进钉

。

1.4 手术方法全身麻醉。患者俯卧位，胸部、骨盆垫软垫使腹部悬空。① 机器人辅助侧:将机器人与C臂机连接进行数据匹配， C臂机行正、侧位透视，将透视数据传入机器人系统，匹配术中影像与术前影像，完成每一个椎体注册，见图4。选取一侧窄小椎弓根，手术医师操作Renaissance机器人辅助系统，使用限深电钻完成椎弓根螺钉的置入。② 传统手术侧:在置钉过程中使用X线透视引导后路椎弓根置入，根据术中X线透视结果对针道进行调整，并根据传统测深方法置钉。

图4 机器人辅助侧术中操作 A.术中机器人界面;B.术中桥轨安装位置;C.匹配术中及术前影像;D.完成椎体注册

图5 患者，男，35岁，L1椎体爆裂骨折，L2椎弓根狭窄行双侧椎弓根螺钉置入治疗，左侧为机器人辅助侧，右侧为传统手术侧 A.术前X线片，显示L1椎体骨折;B.术前CT，显示L1椎体骨折，L2窄小椎弓根;C.术后3 d X线片，显示L1椎体骨折复位满意;D.术后3 d CT，显示L2窄小椎弓根双侧螺钉置入满意

1.5 评价指标术后3 d行X线及CT检查，使用Abul-Kasimhierarchy分级系统评价椎弓根螺钉的位置: Ⅰ级(优)——螺钉全部位于椎弓根内；Ⅱ级(良)——螺钉部分位于椎弓根内，部分突破内、外侧皮质不超过2 mm；Ⅲ级(可)——螺钉仍在椎弓根内，部分突破内、外侧皮质达2～4 mm；Ⅳ级(差)——螺钉突破椎弓根螺钉内外侧皮质>4 mm。置钉优良率=(Ⅰ级+Ⅱ级)螺钉数/总螺钉数×100%。

2 结果

共置入椎弓根螺钉456枚，术后3 d使用Abul-Kasimhierarchy分级系统评价椎弓根螺钉的位置：① 胸椎共置入60枚螺钉，机器人辅助侧：Ⅰ级22枚，Ⅱ级6枚，Ⅲ级2枚，优良率为93.3%(28/30)；传统手术侧：Ⅰ级18枚，Ⅱ级6枚，Ⅲ级4枚，Ⅳ级2枚，优良率为80.0%(24/30)；置钉优良率机器人辅助侧明显高于传统手术侧，差异有统计学意义(P=0.016)。② 腰椎共置入396枚螺钉，机器人辅助侧：Ⅰ级168枚，Ⅱ级22枚，Ⅲ级8枚，优良率为96.0%(190/198)；传统手术侧：Ⅰ级138枚，Ⅱ级24枚，Ⅲ级27枚，Ⅳ级9枚，优良率为81.8%(162/198)；置钉优良率机器人辅助侧明显高于传统手术侧，差异有统计学意义(P=0.023)。机器人辅助侧均为未出现Ⅳ级椎弓根螺钉，传统手术侧在胸、腰段脊柱置钉中分别出现2枚及9枚Ⅳ级椎弓根螺钉，其中1例T10窄小椎弓根及1例L2窄小椎弓根手术患者产生神经症状，给予手术调整后症状好转。

典型病例见图5。

3 讨论

自法国学者Roy-Camille在1963年将椎弓根螺钉应用于胸腰段骨折以来，椎弓根螺钉因其能够提供稳定的支撑及多角度的载荷，在脊柱手术中得到广泛的应用，同时因椎弓根周围分布神经根、血管、脊髓，故置钉存在一定的风险，置钉偏差会导致相关的置钉并发症。相关报道[1]显示，胸腰段椎弓根螺钉固定相关并发症的发生概率为4.2%～7.8%，分析并发症发生原因会发现大多将其归咎为内固定物本身设计缺陷、手术者操作不当、透视角度不佳等，但是椎弓根解剖结构的差异是一个不能忽视的原因[2]。我们在临床工作中发现，部分患者椎弓根明显窄小，使得术中置钉难度加大，同时增加螺钉穿出及椎弓根崩裂风险，导致内固定不稳，严重可致手术失败。这就要求我们应重视胸腰段窄小椎弓根对置钉产生的危险，提高椎弓根螺钉置入技术，实现精准置钉，减少相关术后并发症的发生。

胸腰段脊椎横截面大多为椭圆形或者泪滴形，相关研究[3]表明胸腰段窄小椎弓根大多发生于身高矮小的女性患者，大多为双侧狭窄，主要发生于腰椎，特别是L1椎体多见，胸椎发生率低；椎弓根的横径比椎弓根的纵径小，所以椎弓根螺钉是否穿出就由椎弓根的横径决定，并且窄小椎弓根与正常椎弓根解剖结构的主要差别是窄小椎弓根的内部松质骨明显减少，而皮质骨没有明显差异。椎弓根螺钉置入后的稳定性主要依靠椎弓根的皮质骨和压缩的松质骨对螺钉的充分包绕，这就要求在窄小椎弓根置钉过程中螺钉要位于椎弓根正中间并且要一次成功。但是临床上目前常采用的徒手置入椎弓根螺钉技术主要靠术者的经验及术中X线透视所得的二维图像来置钉，主观性强，误置的风险较高。文献[4]报道在椎弓根横径较小的胸椎椎弓根进行螺钉置入时，误置率高达6%～54%。

随着计算机及导航技术的发展，机器人系统通过术前薄层CT扫描进行术前手术规划，可以在椎体上选择最佳的进针点、角度及深度，显著提高置钉准确率，相关研究[5-7]报道机器人辅助置入椎弓根螺钉的准确率达到91.4%～100%。本研究所使用的Renaissance脊柱手术机器人导航系统相较于其他机器人系统，其主要技术优势是在术前计算机可将椎体单个分割，然后在术中注册时可分别识别单个椎体并与术前图像进行匹配，降低了术中因体位、麻醉引起肌肉松弛所导致的椎体之间位置变化引起的位移，并且通过桥轨将机器人系统固定在脊柱上使其在呼吸时和脊柱同步位移，这样大大减少了呼吸运动对胸腰段脊椎置钉的影响[8]。通过这些优化明显降低椎体位移误差对置钉的影响，可显著提高置钉准确性，为胸腰段窄小椎弓根精确置钉提供充足技术保证。

本研究共置入螺钉456枚，其中胸椎60枚，腰椎396枚，机器人辅助侧置钉优良率明显高于传统手术组(P<0.05)。我们分析原因如下：① 窄小椎弓根的发生率低，研究[4，9]报道在胸腰段脊椎部位窄小椎弓根的发生率为8.33%，窄小椎弓根多节段较少见，以往传统手术操作术前容易忽视窄小椎弓根的存在，而机器人辅助术前需行薄层CT扫描，可明确椎体及椎弓根的解剖特点，这样很难遗漏窄小椎弓根。② Renaissance脊柱手术机器人导航系统术前需模拟手术确定螺钉进钉点、长度及角度等，在术前就可查看置钉的效果，如果椎弓根窄小就会出现螺钉置入困难、穿出皮质等情况，通过术前调整找到最佳的进钉点及进钉角度可为术中实际操作节省时间并提高成功率。③ 手术过程中机器人导航系统通过桥轨固定到脊柱上，并且通过术中及术前图像的匹配，术者只需要在机器人系统的辅助下进行钻孔、置钉操作，简化手术步骤，提高手术效率，降低对手术者技术经验的要求，缓解手术压力。

综上所述，Renaissance脊柱手术机器人导航系统能够明显提高窄小椎弓根的置钉准确率，有良好的应用前景。但本研究为单中心、非随机对照的回顾性研究，胸椎样本量偏少，需要更多的多中心性、前瞻性研究进一步完善。