三维导航技术在骨盆髋臼微创手术中的应用

蔡贤华，张宝成，郑益钒

中部战区总医院骨科，武汉 430070

骨盆髋臼骨折常由高能量暴力伤导致，合并伤与并发症多见。目前多数人主张，在血流动力学稳定及损害控制的前提下，应早期对骨盆髋臼骨折进行复位与固定，进而恢复其解剖结构。传统开放手术出血量多、创伤大，不利于患者术后早期康复。随着微创治疗理念的发展，经皮螺钉内固定术因其创伤小、出血量少、恢复快等优点，逐渐成为治疗骨盆环损伤的首选方法，在某些髋臼骨折中也得到了进一步应用。然而，由于骨盆环解剖结构复杂，毗邻重要血管、神经及盆腔器官，如何安全置钉是一项挑战性的工作，安全置钉要求在固定主要骨折块的同时，避免损伤重要的血管神经。寻找一种安全微创、精准有效的置钉方法对骨科医师十分重要。三维导航技术为骨科医师提供了所需的三维交互影像，经过十几年的发展和临床应用，该技术已成为骨盆髋臼微创手术可靠的辅助手段。本文将就三维导航技术特点、在骨盆髋臼微创治疗中的应用及面临的问题进行概述。

1 三维导航技术的特点

三维导航技术(three-dimensional navigation technology)又称等中心投照成像技术，应用该技术首先采用红外线对患者及术中器械进行“注册”[1-2]，即利用等中心投照及C-arm扫描成像传至计算机系统，然后利用计算机将接收信息进行处理， 将患者术中影像数据和手术床上的骨盆结构准确对应，术中跟踪手术器械并将其位置在患者影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，术者对患者解剖结构的毗邻位置了然于胸，从而使可视化技术与临床手术相结合，达到精准、安全和快速置钉的目的。

在三维导航可视化技术的辅助下，术者可通过移动套筒模拟导针在骨盆髋臼各轴面位置，不仅能够提供进针通道，而且多角度观察导针在骨内轨迹，进而确保置钉安全。虽然导航技术具有较高的准确性，但由于存在图像漂移的可能性，有时可造成数据误差，出现置钉偏差。因此，3D导航技术下的置钉技术仍然需要在常规X线监测下完成[3-4]。总之，3D导航技术即采用红外线进行注册，运用电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)摄像机作为传感器，通过示踪器及针追踪器发出信号以显示空间位置，有效地协助骨科医师完成精准化、个性化螺钉的置入。三维导航技术充分体现现代医学的精准化、智能化和个体化三大特点[1]。

2 三维导航技术微创治疗骨盆髋臼骨折

2.1骶髂关节复合体损伤 骶髂关节复合体由骶髂关节、骶髂、骶结节和骶棘韧带，以及骨盆底的肌肉和筋膜构成，为躯干与下肢负荷传导的主要枢纽，对骨盆的稳定作用比前环更重要，约占骨盆功能的60%，因此恢复其连续性与完整性对骨盆环的稳定性十分重要。其损伤类型分为骶髂关节脱位、骶骨骨折、髂骨骨折以及这几种类型的组合形式。经皮骶髂关节螺钉内固定的适应证为未移位或能够复位的骶髂关节复合体损伤(图1)，对于严重粉碎性的骶髂关节复合体损伤或伴有神经损伤的患者需谨慎使用。在诸多损伤类型中，单纯骶骨骨折较为常见且治疗难度颇大。国外学者Denis将骶骨的解剖分为三区，根据骨折线累及的区域进行分型：Ⅰ型为骶骨翼骨折，不累及骶孔与骶管；Ⅱ型累及骶孔；Ⅲ型累及骶管。骶骨骨折常因累及骶孔或骶管而损伤骶神经根，腰骶干因靠近骶骨翼，骶骨翼骨折常伴有腰骶干损伤。如果患者神经功能在术前经非手术治疗未见明显好转，则应采取开放的术式探查神经损伤情况以利于患者术后功能恢复。此外，累及骶孔或骶管的骨折切忌使用半螺纹的拉力螺钉，以免使骨折块间加压而加重患者的神经损伤。骶骨作为置钉通道，常因形态变化或内固定力学的要求而加大手术难度。既往有学者[5]将腰骶移行椎列为手术禁忌证，但是随着导航技术的精准化和术者经验的提升，经皮骶髂关节螺钉固定移行椎已成为一种安全可行的方法[6]。同样的，过去由于缺乏精确有效的辅助置钉手段，在安全通道狭小的S2节段中置钉容易引起神经血管损伤的并发症，使S2骶髂螺钉的应用受到限制，而S2骶髂螺钉的补充能够明显提高后环的内固定强度，尤其适用于垂直不稳定型后环损伤者[7]。现在得益于三维导航技术的发展，S2节段中置入骶髂关节螺钉变得更为简单、安全有效(图1)。另外，合并有骨质疏松的患者容易出现螺钉松动的现象，置入横跨对侧骶髂关节的贯穿螺钉能够提高螺钉的内固定强度，然而长螺钉的置入要求更高的手术技巧，三维导航技术能够安全地辅助长螺钉的置入，有效避免了内固定发生松动失败的风险。

图1 患者男性，48岁，双侧骶髂关节损伤。骶髂螺钉在骶髂关节损伤中的应用(橙色箭头为S2骶髂关节螺钉)

手术过程：根据患者骨盆损伤情况及拟定手术方案，患者取仰卧位或俯卧位，同时将患侧腰椎及骶区用体位垫垫高，在健侧髂前上棘安装患者示踪器，连接C型臂X线机与导航设备，注册并激活示踪器、校准仪及导针套筒，先行C型臂X线机透视定位病变区，正位片以骶髂关节固定部位为中心，侧位以患侧骶骨为准；再行扫描收集三维图像信息，并将信息输入导航工作站，以髂前上棘至髂后上棘连线的中后1/3处为体表进针点，将探针与套筒组合，导针刺入皮下直至髂骨面，在导航引导下通过移动套筒确定进针方向及深度，通过反复调试进针角度及进针点后，移动套筒模拟进针深度，可观察到探测针延长线穿过髂骨内板、骶髂关节、骶骨翼及S1椎体；避开骶孔、骶管，钻入导针，边进针边注视显示屏上的三维图像，观察导针是否发生偏移，进入一定深度后，C型臂X线机透视骨盆正位、侧位、出口位及入口位以明确导针针长度及位置是否满意，测深、拧入合适空心螺钉1枚[2]。

2.2耻骨上支骨折 耻骨上支骨折通常发生在耻骨中段或累及髋臼前壁，常伴有同侧耻骨下支或坐骨支的骨折(图2)。骨盆前环承担着骨盆环约40%的稳定性，其对加强后环内固定强度及恢复整个骨盆环的稳定性意义重大，因此，对于前环不稳定者有必要固定。传统的治疗方法为切开复位内固定或有限切开微创钢板内固定，同样存在着创伤大、出血多、手术时间长等问题，而且钢板的费用高于螺钉，因此现在普遍首选经皮螺钉内固定技术。当耻骨上支骨折无移位或轻微移位，骨折经闭合复位达到满意者，才能安全有效地置入耻骨上支螺钉。而对于进针点处骨折、开放性骨盆骨折以及耻骨支粉碎性骨折，则不宜使用。

手术过程：需要进行相同的导航设备准备工作，同样在健侧髂前上棘固定示踪器以及完成三维扫描等过程。进针点的选择：一般情况下，耻骨支低位骨折时，进针点应靠近耻骨联合；耻骨支骨折位置较高时，进针点应靠近耻骨结节处。在进针点处作2cm切口，钝性分离皮下组织达骨面，将导针与套筒组合紧贴骨面，通过调整导针的方向使得进针角度满意后钻入导针至合适深度，测深并拧入螺钉，整个置钉过程需在透视监测下完成。螺钉参数因性别不同而有很大差异，对于男性来说，使用6.5mm螺钉是安全的；而对于耻骨支较为细小的女性，有可能会穿透骨皮质，置钉过程中需加以注意。

2.3髂骨新月形骨折 髂骨新月形骨折是由侧方挤压力作用于骨盆环引起的靠近骶髂关节的髂骨翼骨折，骨盆后环骨折线起自骶髂关节，向上方延伸至髂嵴，形成独特的新月形骨折块[8](图2)。若髂骨新月形骨折同时存在髂骨翼后部骨折和骶髂关节脱位，此时骨盆环不稳定，目前学者们多主张手术治疗。过去采用前路或者后路切开复位钢板内固定的方式，现在多以微创手术治疗，三维导航技术促进了该微创技术的应用发展。以Day分型为基础，经皮螺钉内固定治疗骨盆新月形骨折的方法可分为：DayⅠ型,1～2枚LC-Ⅱ螺钉固定；DayⅡ型,LC-Ⅱ螺钉联合骶髂关节螺钉交叉固定；Day-Ⅲ型,单纯骶髂螺钉固定[9]。对于无明显移位或闭合复位满意的髂骨新月形骨折，首选经皮螺钉内固定。对于闭合复位失败或陈旧性骨折难以纠正骨折错位者，应行切开复位内固定。

图2 患者男性，60岁，右耻骨上支骨折。右侧耻骨上支螺钉固定(黄色箭头)； 左侧髂骨DayⅡ型新月形骨折，LC-Ⅱ螺钉联合骶髂关节螺钉交叉固定(红色箭头)

手术过程：根据患者的骨折类型取相应的体位，DayⅠ、Ⅲ型取仰卧位，DayⅡ型取俯卧位，在健侧髂前上棘或髂后上棘安装示踪器，完成骨折部位的三维扫描等导航准备工作，DayⅠ型患者从髂前下棘选取进针点，钉道指向髂后上棘，将导针与套筒连接后置于髂前下棘处，调整进针点与进针方向至满意后缓慢钻入导针，经透视确认导针位置满意后取2cm切口，测深拧入螺钉后再次透视确认螺钉的位置正确。对于DayⅡ、Ⅲ型患者导航下置入骶髂螺钉的方法同前。

2.4髋臼骨折 髋臼骨折与骨盆骨折最大的区别在于前者注重手术技术，而后者注重急救[10]。髋臼骨折为关节内骨折，解剖位置深，毗邻关系复杂，术后易发生创伤性关节炎、异位骨化、股骨头缺血性坏死等严重并发症，治疗十分困难。关节面的解剖复位对于术后患者的功能恢复至关重要[11]，因此绝大多数髋臼骨折需要行开放术式以获得满意的骨折复位。如果关节面无移位或移位不明显，则无需切开复位，可以行经皮螺钉内固定的方式治疗。目前经皮螺钉内固定技术主要用于治疗髋臼前柱骨折、后柱骨折，另外还有学者用于双柱骨折、横行骨折及横行伴后壁骨折等[12](图3)。三维导航技术的辅助提高了置钉安全性，减少了手术并发症，仅适用于无移位的或经闭合复位后可满意复位的髋臼骨折，而对于粉碎性骨折、关节内碎骨块和其他无法经闭合满意复位的骨折不宜使用。

图3 髋臼骨折微创内固定术。a.患者男性，60岁，右髋臼前柱骨折，髋臼前柱螺钉;b.患者女性，49岁，右髋臼后柱骨折，髋臼后柱螺钉

手术过程：髋臼前柱骨折患者取仰卧位，在健侧髂前上棘固定参考架，注册并校准导航设备后行骨折部位三维扫描获取三维图像资料，在同侧耻骨结节下方作为进针区，在进针点处作2cm切口，钝性分离皮下组织达骨面，将导针与套筒组合紧贴骨面，根据导航系统反馈的实时图像调整进针点与进针方向至满意后缓慢钻入导针，并经骨盆入口位、闭孔斜位及出口闭孔斜位透视确认导针位置及长度可后，测深沿导针钻入1枚空心螺钉，再次透视确认螺钉的位置正确。髋臼后柱骨折患者取俯卧位，在健侧髂后上棘安装参考架，完成三维扫描等相关准备工作。将导针与套筒连接后置于坐骨结节处，调整进针点与进针方向至满意后缓慢钻入导针，经透视确认导针位置满意后取2cm切口，测深拧入螺钉后再次透视确认螺钉的位置正确。

3 3D导航技术的主要优势

相比于传统的X线透视辅助置钉手段，3D导航的主要优势在于置钉的安全性、精准性和快速性。X线透视下置钉需获得清晰的骨盆平片，术者需要有丰富的操作经验及解剖知识才能开展此项技术，术中必须经过反复透视来指引导针的准确置入，透视时往往因肠气、患者体型肥胖、骶骨变异等因素影响而加大手术难度，容易引起螺钉置入位置的偏移而损伤周围神经血管，据研究指出螺钉方向错位4°即可引起神经血管损伤[13]。此外，导针置入过程中由于经过多次调整，破坏了钉道周围的骨质而降低了螺钉的固定强度。透视次数增多也使得医护与患者接受较高的辐射暴露量。X线透视辅助置钉技术只需常规透视机即可完成操作，价格低廉，操作方便，在基层医院即可开展，但应由经验丰富的医师主刀完成手术。CT引导下置钉是进一步发展的微创置钉辅助技术，术前需先经CT扫描以定位螺钉的进钉平面、在臀部皮肤的进针点位置及螺钉置入方向，再将导针从模拟的进钉点及方向置入，术中经CT扫描确认导针的方向位置满意后拧入螺钉。此种方法较X线透视与三维导航技术可获得质量最高的影像图片，置钉准确率较高。而且在局麻下即可进行手术操作，患者处于清醒状态下，通过与患者交流可以监测神经损伤情况。但CT引导下置钉多于CT室进行，无法达到手术室的无菌条件环境，另外患者面临着高辐射暴露的风险[14]。三维导航技术的特色之处在于实现了视野的可视化，相当于为术者提供了一双“透视眼”，能够精确识别危险区域进行安全有效的置钉，尤其适用于解剖结构复杂的骨盆髋臼微创治疗手术。传统X线透视下置钉错误率可达2.6%，而在三维导航技术的辅助下螺钉错误率仅0.1%～0.3%，其显著提高了置钉的精准性[2]。

4 使用3D导航技术的主要要点

三维导航技术还具有手术时间快与降低辐射暴露量的优点[12]，但在使用过程中，应注意以下几个问题。

首先，骨折复位质量是重中之重的问题。骶髂关节的良好复位是实现精准安全置钉的前提，若骶髂关节不能得到良好或解剖复位，则不能进行骶髂关节螺钉内固定，否则易导致神经血管损伤。如果耻骨支骨折复位不良，螺钉穿孔的可能性更大，精索损伤、子宫韧带损伤以及附近的神经血管损伤是耻骨支骨折治疗的相关并发症。髋臼骨折若不能满意复位，患者的髋关节功能将大打折扣。因此微创手术必须能够做到微创复位，否则微创手术就失去了意义。复位方法有手法复位和器械复位。手法复位是目前最常用的方法，对于骨盆环损伤纵向移位者可行术前持续0.5h的大重量牵引(一般9～12 kg)，这样基本能纠正后环的垂直移位；后环骨折移位明显时，前环一般也有明显移位，因此先对前环进行复位有助于后环的复位与稳定[9]。旋转移位者可采用髂骨置入Schanz钉辅助复位或通过双侧不同作用方向推压髂骨进行纠正旋转移位，外旋外展髋关节也能起到外旋的作用[9]。对于难以闭合复位的骨折可以在局部作小切口以顶棒推顶辅以复位。器械复位装置如骨盆复位架[15]逐渐被研发并应用于临床中，其优势及复位质量有待进一步探索。尽管闭合复位技巧不一，但实现满意复位仍是一个难点。对于难以闭合复位者，必要时行切开直视下复位，可降低手术难度与神经损伤的风险以及提高手术效果。

其次，置钉安全性问题。虽然导航可以提供准确的虚拟导航路线和实时成像提示，但即使使用3D导航，由于技术问题的可能性、操作者的技术专长或解剖结构的复杂性以及图像漂移的可能性，导针或螺钉造成的穿孔也无法完全避免。如果使用手控定位针则需要与皮肤接触，从而难以避免肌肉颤动而产生的偏差，这些因素一旦发生则需要重新定位，从而延长了手术时间。术中需要通过追踪系统实施跟踪技术指导手术，在以光学系统为主的导航中，因术野出血、手术人员遮挡、手术灯干扰等产生的“遮挡现象”以及定位针弯曲、骨块移动等产生的“漂移现象”均会影响导航效果，发生导航方向失准等问题[16]。

最后，三维导航系统操作过程复杂，学习曲线较长，低年资医师需要不断的学习摸索，才能掌握好此项技术。三维导航器械价格昂贵，普及有一定难度。

5 总结与展望

三维导航技术在骨盆髋臼微创手术治疗中具有精准度高、并发症发生率低、出血量少、术后恢复快等优点。3D导航置钉技术的适应证仅限于无移位或移位在可以接受的范围内以及能通过牵引等闭合技术达到复位标准的骨盆与髋臼骨折，主要包括骨盆环后部损伤(骶髂关节分离、骶骨骨折、髂骨新月形骨折)、耻骨上支骨折、髋臼前柱及后柱骨折等。然而，该技术仍存在一些不足：(1)3D导航置钉技术的适应证较窄，仅仅适用于可以复位的骨盆髋臼骨折。该技术是在骨盆骨折复位的前提下实施，尤其对于髋臼骨折，更应强调关节内解剖复位，因此临床除了常规肢体牵引、髂骨置入把持针采用Joystick技术或有限切开复位技术外[17]，还应开发骨盆骨折辅助复位器械和设备、或骨科计算机辅助复位技术，来完成骨盆髋臼骨折的闭合复位，以上技术的开发和实行将进一步扩大3D导航置钉技术的适应证。(2)3D导航置钉技术需要骨科医师手持导向钻置入螺钉，存在抖动或偏移可能，而骨科机器人机械臂可稳定地把持导向钻，按照既定的路径和程序置入螺钉，消除了人为不稳定因素的干预，从而置入螺钉更加稳定和精准[10]。目前达芬奇机器人通用于普通外科、胸心外科、泌尿外科、妇产科等学科的腔隙软组织手术，完成精准外科操作，但是其并不适合骨骼软组织系统的手术[1]。相信属于骨科医师的机器人一定会进一步发展，促进导航技术更加精准、稳定和安全，有望为骨盆髋臼的微创治疗提供新的辅助置钉技术。(3)对于复杂骨盆髋臼骨折，术者应用3D导航技术前可辅以3D打印等数字骨科技术联合制定手术计划，也可以术中辅以虚拟现实技术，更好监测置钉过程。对于高龄骨质疏松者，强化骨水泥技术可进一步提升螺钉的力学性能，避免内固定失效。

综上所述，由于骨盆骨折类型复杂，个体化差异较大，必须综合考虑制定个性化的治疗方案才能达到预期目的，包括辅助复位技术、开放复位或开放减压手术后辅以微创技术等。相信随着影像学技术和导航技术的发展、数字骨科技术的研发、辅助复位技术的提升和人工智能的发展，三维导航技术在骨盆髋臼骨折微创治疗的适应证将进一步拓展，在骨盆髋臼骨折微创治疗的个性化、智能化及快速康复方面发挥更大的作用。