应用机器人辅助皮质骨螺钉固定技术治疗腰椎退行性疾病的临床效果

韩晓光 张琦 行勇刚 何达 赵经纬 范明星

椎弓根螺钉固定是脊柱外科最常用的内固定方式，但存在手术创伤大、软组织损伤严重等缺陷，并且螺钉通道全程被松质骨包围，螺钉松动及失效率高，因此并不能满足所有患者的内固定需求。2009年Santoni等[1]提出腰椎皮质骨钉道 (cortical bone trajectory，CBT)技术。该技术置钉点较传统椎弓根螺钉更靠近中线棘突，软组织剥离少，且置钉方向为由内下向外上，可最大程度利用椎弓根复合体的皮质骨部分，使螺钉把持力得到极大提高，在临床被越来越多地应用[2-4]。经研究发现皮质骨螺钉固定技术较传统椎弓根螺钉固定技术在手术时间、患者术中出血量、术后住院时间、围手术期并发症发生率以及总并发症发生率等方面有明显优势[5-8]。但该技术由于在应用过程中缺少明显的解剖标志及植入手感，对技术要求高，学习曲线长，如果螺钉置入失误，不仅降低螺钉生物力学强度，还会损伤周围的神经和血管，这使其临床应用的普及受到制约。近年来，手术机器人技术得到高速发展，成为全球研究的热点。手术机器人系统能够克服人的生理局限，具有操作精度高、重复性好及稳定性强等优势。手术机器人在脊柱外科的应用可显著提高内植物的精准性和安全性。现有机器人辅助CBT螺钉固定技术的相关研究相对较少。本研究应用机器人辅助皮质骨螺钉固定技术治疗腰椎退行性疾病，获得了较好的临床效果及安全性，现报道如下。

资料与方法

一、资料

1.病例纳入与排除标准：(1)病例纳入标准：年龄>55岁；通过QCT检查诊断为骨质疏松；因腰椎退行性疾病接受腰椎后路融合手术。(2)病例排除标准：腰椎结核、感染和肿瘤以及严重脊柱侧弯(Cobb 角>30°)患者；有腰椎既往手术史；CT影像资料不完整。

2.一般临床资料：纳入2018年12月至2019年12月北京积水潭医院脊柱外科收治的因腰椎退行性疾病接受机器人辅助皮质骨螺钉固定融合手术患者64例。其中男42例，女22例；年龄(66.4±14.6)(55～79)岁；包括腰椎管狭窄症36例，腰椎间盘突出症10例，腰椎滑脱症18例。本研究经北京积水潭医院伦理委员会审批，获得全部患者知情同意。分析结果不包含患者个人信息。

3.仪器与设备：天玑骨科手术机器人系统，包括光学跟踪设备、手术规划及控制工作台(以下简称工作台)和手术机械臂。光学跟踪设备为双摄像头系统，通过接收反射球的光线，运用双目立体视觉原理进行位置和姿态计算，实现机械臂和患者的精准定位。工作台用于图像处理、钉道规划、运动位姿计算和机械臂运动控制。手术机械臂具有6个自由度，可以定位螺钉通道的方向，对螺钉植入实施精准位置引导，实现精准置钉。

二、方法

1.机器人辅助CBT螺钉固定：患者取俯卧位。常规消毒铺单。取腰背部正中切口，沿棘突骨膜下剥离椎旁肌，显露至椎板外缘，固定患者示踪器于上位棘突。将机器人末端定位导板置于切口背侧，通过“C”型臂X线机(西门子，德国)采集术中三维图像。将数据传输至机器人工作台，自动完成图像配准。术者通过工作台进行皮质骨螺钉固定规划，设定螺钉的位置、直径和长度。手术机械臂自动运行至每个螺钉的规划位置，医生沿手术机械臂导向器置入导向套筒至骨面，沿导向套筒使用电钻打入导针。全部导针置入完成后，透视确认导针位置。沿导针开路及丝攻，植入皮质骨螺钉(图1)。按需进行椎板减压、椎间融合以及植骨等其他常规手术步骤。以生理盐水对术区进行反复冲洗，留置切口引流管1根，逐层缝合切口。以无菌敷料包扎。

2.术后处理：术后给予预防感染(使用抗生素时间≤48 h)和营养神经等治疗。患者第2天佩戴腰围下地活动。引流量<50 ml/24 h时拔除引流管。

3.随访：出院前行腰椎正、侧位X 线及 CT检查。术后1、3、6及12个月门诊复查，行腰椎正、侧位X线及CT检查。

4.效果评价：(1)记录手术时间、术中出血量、术后引流量和并发症等。(2)术前、术后 1个月及末次随访应用疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)和日本矫形外科学会(Japanese Orthopedic Association，JOA)评分对患者功能恢复情况进行评价。VAS评分0～10分，评分高为疼痛剧烈；JOA评分0～29分，评分高为功能恢复好。(3)影像学评估：术后对手术节段行CT检查。依据改良Gertzbein和Robbins分级方法将植入螺钉精准度分为5级：A级为螺钉未穿破骨皮质，完全植于椎弓根内；B级为螺钉穿破皮质长度<2 mm；C级为螺钉穿破皮质长度≥2 mm且<4 mm；D级为螺钉穿破皮质长度≥4 mm且<6 mm；E级为螺钉穿破皮质长度≥6 mm。其中A和B级为可接受螺钉；C，D和E级为不良螺钉[9]。由2名未参与手术的医生分别对螺钉精准度进行评估并取平均值。

结 果

一、螺钉置钉的准确性

共植入464枚螺钉，其中A级406枚(87.5%)，B级44枚(9.5%)，C级10枚(2.2%)，D级4枚(0.8%)。可接受(A级和B级)螺钉占97.0%。患者均未出现因植钉失误造成的严重脊髓、神经及血管损伤。随访时间为(11.6±3.4)(10～14)个月，其间未见螺钉松动、断裂发生。典型病例见图2。

二、手术及临床疗效

手术时间为(110.4±63.2)min，术中出血量为(164.3±234.2)ml,术后引流量为(210.4±146.4)ml，住院时间为(5.4±2.4)d。2例患者出现切口感染，其中1例经抗生素及换药治疗后痊愈，1例行切口清创后痊愈。JOA评分由术前的(8.4±7.6)分提高至末次随访的(21.0±8.4)分，VAS评分由术前的(8.0±6.8)分提高至末次随访的(3.2±4.2)分，2项指标术前与术后差异均有统计学意义(P=0.003,0.007)。

图1 机器人辅助皮质骨螺钉固定手术关键步骤 A 固定示踪器于患者棘突，机器人安放于手术部位 B 利用“C”型臂X线机扫描获取三维图像，医生进行手术规划 C 机器人根据规划移动到手术部位，医生沿机器人末端导向器置入导向套筒 D 经透视确认导针位置后拧入螺钉

图2 患者，女，76岁，腰椎滑脱(L4)。行机器人辅助腰椎管减压、椎间盘切除、椎间融合器植入和皮质骨螺钉植入术 A 术前侧位X线B 术前正位X线 C 术前矢状位CT D 术前矢状位MRI E，F 术后侧位和正位X线示内固定位置良好，滑脱椎体完全复位

讨 论

椎弓根螺钉是脊柱外科最常用的内固定技术。然而，骨质疏松患者由于骨密度降低，钉道把持力不足，采用椎弓根螺钉固定时容易出现螺钉松动等并发症。如何增强骨质疏松患者的内固定强度始终是研究的热点。2009年Santoni等[1]率先提出CBT螺钉内固定技术，采用该技术置钉点较传统椎弓根螺钉更偏内，置钉方向在矢状面由下向上，在横断面由内向外，因钉道与椎弓根和椎体皮质骨充分接触，增加了骨-螺钉界面强度，具有更强的螺钉把持力。研究发现CBT钉道的CT值始终保持在传统椎弓根钉道CT值的4倍以上[3]；螺钉植入扭矩力约为传统椎弓根螺钉的3倍[10]；而CBT 螺钉轴向拔出负荷较传统椎弓根螺钉提高30%[2]。这些研究结果均表明CBT螺钉具有更强的生物力学强度，是治疗合并骨质疏松症的腰椎退行性疾病的较好选择。此外，相比于椎弓根螺钉，CBT技术还有如下优势：(1)手术创伤更小。CBT螺钉进钉点位于椎弓根峡部，显露时所需切口更小，肌肉和软组织剥离更少，可减少出血并降低术后腰背痛程度。(2)对邻近小关节侵扰更少。因为CBT螺钉入钉点较为偏下，损伤邻近小关节的风险大大降低，进而降低邻近节段退变风险。(3)减少椎弓根附近神经和血管损伤风险。CBT螺钉的路径为由内下向外上，远离附近的神经和血管[4，6]。一项Meta分析结果显示后路腰椎椎体间融合术中CBT螺钉固定在术中出血量、手术时间、住院时间、再次手术率、围手术期并发症以及总并发症发生率方面均优于椎弓根螺钉[8]。

CBT 螺钉内固定也存在一些技术局限。首先，缺乏易于识别的可重复进针点标志，若定位不准确易导致峡部骨折；第二，螺钉方向不易掌握，方向不对易导致椎弓根内壁或外壁破裂，或者损伤出口神经根等，同时CBT改道相对困难。以往文献报道，透视辅助下CBT螺钉皮质穿透率可达到20%[1，11]，其中0.95%～2.1%的患者需要进行翻修手术[12-13]；我们在以往研究中发现透视辅助CBT螺钉准优良率为87.9%[14]。螺钉的误植不仅会降低螺钉生物力学强度，还会损伤周围的神经和血管。此外，徒手植钉需要反复的透视辅助，增加医生和患者放射线暴露。这些都限制了CBT 螺钉内固定技术在临床的进一步应用。

手术机器人的发展和进步为解决上述瓶颈问题带来了新的希望，近年来成为研究的热点。我们在以往的研究中证实，与传统徒手植钉相比，机器人辅助植钉精确性和安全性更高，并发症发生率更低[15-16]。但机器人辅助CBT螺钉固定的相关研究相对较少。本研究结果表明，机器人辅助CBT螺钉技术在腰椎退行性疾病中的应用，其优势就是医生可以根据“C”型臂X线机扫描获取的三维图像进行精准置钉设计，并依靠机器人准确实施，可以有效弥补CBT螺钉技术的局限，提升置钉的安全性和精准性，螺钉植入优良率为97%，术后患者腰椎临床功能较术前得到显著提升。

此外，本研究发现某些影响CBT螺钉置钉精度的危险因素：(1)肌肉和软组织牵拉。因为软组织牵拉会导致患者示踪器与手术部位出现微动，导致导航信息出现偏差，影响机器人的工作精度。(2)电钻钻取钉道时出现滑移。入钉点通常在峡部，该部位骨皮质较厚，螺钉不易进入，易打滑，需要先在入钉点使用电钻磨出一个凹槽，然后再使螺钉进入。(3)骨质疏松严重。对合并严重骨质疏松症的患者，在拧入螺钉时需要注意防止螺钉改道。(4)机器人辅助手术有一定的学习曲线。应用机器人辅助手术也需要医生熟悉操作步骤和操作要求，度过学习曲线。

本研究为回顾性分析，结果尚需要大样本前瞻性随机对照试验进一步验证。

综上所述，机器人辅助CBT螺钉植入具有较高的精确性和安全性，采用该技术可显著降低手术难度，获得较好的治疗效果。且 CBT 螺钉本身具有良好的把持力，对伴有骨质疏松症的腰椎退行性疾病患者是较好的治疗选择。