基于术中三维透视图像使用“天玑”骨科机器人辅助经皮骶髂关节螺钉治疗后环不稳定型骨盆骨折*

胡家朗 郭鑫 熊文 王俊文 陈明

随着手术技术的发展，微创经皮置入骶髂关节螺钉（sacroiliac screw，SI）治疗后环不稳定性骨盆骨折已被临床广泛使用[1]。相较于传统的切开复位内固定术，微创骶髂关节螺钉固定具有良好的生物力学稳定性[2]，对局部软组织条件要求低，手术创伤小，出血少，手术时间短，并发症少，术后切口疼痛轻，患者术后能实现“快速康复”[3-4]。

目前临床报道的常用骶髂关节螺钉置入方法主要包括：①术中透视下徒手置钉；②二维（2D）透视影像导航辅助置钉；③三维（3D）透视影像导航辅助置钉；④骨科手术机器人辅助置钉；⑤3D打印模板辅助置钉[5-7]。由于骶髂关节螺钉骨性通道狭窄，通道周围存在重要的血管神经，骶骨变异及患者肥胖、大量肠气等因素，该手术仍存在较高的螺钉误置率及一定的血管神经损伤发生率。在这些方法中，徒手置钉、2D透视影像导航辅助置钉以及目前报道的“天玑”骨科机器人辅助置钉都是以二维透视图像为基础的，尽管报道的螺钉误置率不一，但在骶骨变异、肥胖及大量肠气存在的情况下，这3种方法置钉仍存在较高的风险，甚至无法完成置钉。3D打印模板需要暴露较大的髂骨面，无法真正实现手术的微创。3D透视影像导航或机器人辅助置钉最初常用于脊柱椎弓根螺钉的置入，因术中透视影像可实现术中三个维度的可视化，同时在置钉过程中可实时监测导针方向，故临床已有少量使用3D透视影像导航辅助骶髂关节螺钉置入的报道，而且相较于2D透视影像导航具有明显降低的螺钉误置率及翻修率，其结果令人兴奋[7-8]。“天玑”骨科机器人辅助手术可克服导航设备辅助下手术者手部疲劳的问题，但目前国内有关“天玑”骨科机器人辅助骶髂关节螺钉置入都是基于二维透视影像的。因此，基于术中三维透视图像使用“天玑”骨科机器人辅助置钉的方法令人期待。

本组研究回顾性分析了武汉市第四医院2019年10月至2020年10月基于术中三维透视图像使用“天玑”骨科机器人辅助经皮骶髂关节螺钉治疗的12例后环不稳定型骨盆骨折患者临床资料，旨在探讨该技术的可行性、安全性及临床效果。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：①骨盆或骨盆髋臼骨折为新鲜闭合性骨折；②骨盆骨折为后环不稳定性骨折，轻度移位或适宜闭合复位内固定。

排除标准：①合并严重内科疾病无法耐受手术者；②移位明显或无法通过闭合复位获得满意复位的骨盆后环骨折；③无法配合完成随访者。

1.2 一般资料

本组12例病例中男8例，女4例；年龄32～69岁，平均41.2岁；体重：47～88 kg，平均60.2 kg；致伤原因：车祸伤7例，高坠伤3例，重物压砸伤2例；骨盆骨折按Tile分型：B2型7例，B3型4例；C1型1例；其中合并无明显髋臼前柱骨折1例。创伤严重程度评分（injury severity score，ISS）为10～19分，平均12.5分。合并其他部位的骨折或脏器损伤：踝关节骨折3例，桡骨远端骨折2例，肺部挫伤5例，肋骨骨折5例，胸、腰椎椎体或横突骨折4例，颅脑损伤2例，肱骨骨折1例。受伤至手术时间为5～11 d，平均7.1 d。

本研究已获得武汉市第四医院伦理委员会批准（KY2021-060-01），患者均知情同意并签署知情同意书。

1.3 手术设备及器械

“天玑”骨科手术机器人（北京天智航医疗科技有限公司），多功能全碳纤维骨科手术床（亿成科技有限公司），三维透视C臂机（德国Ziehm公司），7.3 mm空心拉力螺钉，桥接系统（天津正天医疗器械有限公司），骨盆单边外固定架（大博医疗科技股份有限公司）。

1.4 手术方法

本组所有病例均按照所有骨盆及髋臼骨折进行详细的术前计划，常规摄骨盆正位、入口位、出口位，骶尾椎标准侧位，合并髋臼骨折者摄髂骨斜位、闭孔斜位X线片，骨盆薄层CT+三维重建。

所有患者均行全身麻醉，仰卧或俯卧于全透光骨科手术床上，患者骶尾部正中垫高约10 cm透光软垫，以便于螺钉置入。以目标骶髂关节螺钉置入区域为中心确定3D C臂的起始位置，调节手术床高度以完成C臂的碰撞检测。

常规消毒、铺无菌手术巾并固定于邻近皮肤上以避免术中滑动，铺巾应暴露双侧髂前上棘或髂后上棘，以便于放置固定患者示踪器。对于无移位、轻度移位，仍可容纳通道置钉或在通道轴线上的分离移位者直接进行采图规划；对于骨盆后环轻度旋转或垂直移位者，可借助患肢骨牵引、手法或置入斯氏针进行骨折满意复位。

手术流程包括以下几个步骤。

（1）图像采集：机器人移至拟置钉手术侧，C臂机置于机器人对侧，光学跟踪相机置于患者足端。将“人体示踪器”固定于C臂机所在侧的髂前上棘，机器人主机选择脊柱手术模块，三维C臂需移动至起始位置，标尺与机械臂连接完成后置于拟置钉区域相对的腹部皮肤处。如患者肥胖，可将标尺置于上述腹部区域的前外侧处。摄标准正侧位X线片确认标尺定位点及拟置钉的骶椎均能完整呈现。完成骨盆兴趣区域的三维图像采集。

（2）规划与置钉：将C臂机采集的三维图像传输至在机器人操作台配准后，选择合适的进钉点和进钉方向，完成目标螺钉的规划。将定位标尺更换为导向器套筒后，于主操作台上选择“模拟”，而后运行机器人机械臂至目标位置。运行过程中注意光学跟踪相机位置的摆放以使其能同时识别机械臂及人体示踪器。手术者沿机械臂所示位置于体表皮肤做1～2 cm手术切口，并切开深筋膜，钝性分离肌肉组织后直至骨面，置入导针套筒至套筒尖端抵住骨面，沿套筒方向置入导针，置入过程中可使用C臂机摄骨盆入口位、出口位及侧卧进行监测。导针置入位置满意后，退出导向器，测量所需螺钉长度，沿其方向置入合适长度的空心拉力螺钉，拔除导针。再次透视摄二维图像确认螺钉位置及长度，二维图像不能清晰确认时，可再次摄3D图像。确认无误后，切口冲洗后缝合，无菌敷料覆盖。

（3）对于骨盆前环骨折可使用内置外架（INFIX）或骨盆单边外固定架固定，耻骨联合分离复位后使用钢板或空心拉力螺钉固定。对于1例合并无明显移位的髋臼前柱骨折使用前柱螺钉固定。其他部位的骨折按相应的治疗方法行骨折复位固定，不作赘述。

1.5 评价指标

螺钉置入相关指标评价：骶髂关节螺钉总数、使用机器人辅助置钉的手术总时间（自C臂摆位至螺钉位置确认完毕）、置钉准备时间（自C臂摆位至规划结束总时间）、置钉时间（自机械臂开始运行至螺钉位置确认完毕总时间）。

术后骨折复位情况及螺钉置入准确性评价：骨盆前后位、入口位及出口位X线片骨折最大移位程度来评价，采用Matta评分标准：位移＜4 mm为优，位移4～10 mm为良，位移11～20 mm为可，位移＞20 mm为差。术后2 d行三维CT评价螺钉置入位置优良率。螺钉位置优良率分级[9]：0级，螺钉未穿出骨皮质；1级，螺钉穿出皮质＜2 mm；2级，穿出皮质在2～4 mm之间；3级，穿出皮质＞4 mm。

记录术后与骶髂关节螺钉相关并发症发生情况及发生率、术后切口愈合情况。

记录患者骨折愈合情况及愈合时间。末次随访时患者功能评价：采用Majeed骨盆骨折量化评估系统从患者的疼痛、工作、站立、就座、性生活5个方面进行功能评价[10]，满分为100分，＞85分为优，70～84分为良，55～69分为可，＜55分为差。

2 结果

本组12例病例，术前CT证实1例为骶椎变异，S1双侧骶骨翼前缘“凹陷”。2例患者术前常规静脉血栓筛查发现下肢深静脉血栓，1例腘静脉血栓并肺动脉分支血管栓塞，VTE总发生率为25.0%。此3例患者在给予低分子肝素充分抗凝并安装临时下腔静脉滤器后完成手术。12名患者共置入骶髂关节螺钉17枚：其中7例患者S1单侧置钉7枚，4例患者S1双侧置钉共8枚，1例患者S1、S2单侧置钉各1枚。骶髂关节螺钉手术总时间为55～95 min，平均65.1 min；置钉准备时间为25～62 min，平均39.2 min；置钉时间为21～47 min，平均25.4 min。术后X线评价骨折复位情况：优11例，良1例，优良率100%。术后CT评价螺钉位置：0级16枚，1级1枚，完全准确率：94.1%（16/17）。术后患者均无血管或神经损伤，无死亡病例，手术切口均一期愈合，无切口感染或愈合不良病例。

所有病例均获得完整的随访，平均随访时间13.1（10～23.5）个月。所有病例骨折愈合时间平均82.1（75～93）d。2例行骨盆单边外固定架固定患者均于术后2.5个月复查X线片提示骨折端有明显骨痂形成，即刻去除外固定架，在康复科医师指导下行双下肢功能锻炼。此2例患者分别于术后3个月及3.5个月复查时双髋关节主动活动范围至正常，余10例患者于术后平均7.3（5～13）d即可在无痛下主动活动双髋关节至正常范围。所有病例末次随访时Majeed评分为78～96分，平均89.3分，无1例患者因骨盆或髋臼骨折出现重度残疾。

典型病例：患者，男，51岁，诊断为骨盆骨折（Tile分型为：B2-1型）（见图1）。

图1 A、B.术前X线及CT诊断为骨盆骨折（Tile分型为：B2-1型）；C、D.术中使用三维C臂采集图像；E、F.“天玑”骨科机器人主机界面进行S1骶髂关节螺钉规划，并可在三个维度多平面及三维透视图像上检测螺钉位置；G-J.术中透视监测导针及螺钉位置、长度，前环使用内置外架（Infix）进行固定；K-M.术后摄X线片及CT提示骨折复位及内固定位置良好，骶髂关节螺钉位置优，未侵犯通道周围骨皮质；N.术后2个月即可在完全无痛的情况下无需辅助设施下地负重活动，患者双髋关节功能良好

3 讨论

因骶骨变异（变异率约为17%）、肥胖及大量肠气的影响，术中2D图像监测下经皮骶髂关节螺钉置入手术仍存在较大的风险和挑战。普通透视下，文献报道的螺钉误置率为2%～15%，神经损伤发生率为0.5%～7.7%，螺钉方向4°的偏移就足以导致邻近神经及血管的损伤。多次的导针调整会减少螺钉周围的骨量，进而出现螺钉松动而最终需要行翻修手术[11-13]。

相比于2D图像，3D图像可从矢状面、冠状面及水平面三个维度显示骨性通道，可以提供类似于薄层三维CT的高质量图像，不受骨表面标志、肥胖及肠气等的影响，因此3D图像更有利于手术导航。Verma等[14]报道术中3D透视导航辅助腰椎椎弓根螺钉的误置率由2D透视导航辅助的9%降至3%，而Noriega等[15]报道的误置率则更是由10.3%降至3.6%，同时他们发现在颈椎及胸椎等小椎体椎弓根钉的辅助置钉手术中，这种精度的优势表现得更为明显。Zwingmann等[16]比较了3D透视导航技术和传统方法置入骶髂关节螺钉发现，前者的螺钉完全准确率为81%，手术翻修率为1.6%，而后者则分别为42%和19%。另有研究报道，3D透视导航辅助骶髂关节螺钉置钉通道皮质骨穿出率为7%，而2D透视导航的则是14%～20%[11-13]。Matityahu等[17]在一项经皮骶髂关节螺钉置钉的多中心随机对照研究中发现：在正常骶椎中，利用3D导航辅助置入的66枚螺钉无一误置，而传统方法徒手置钉的误置率为12.3%（9/73），2D导航辅助误置率为27.3%（6/22）；在变异骶椎中，共置入37枚螺钉，共9枚误置，其中徒手置钉7枚误置，另2枚为2D导航辅助，误置率分别为18.9%和5.4%。“天玑”骨科机器人在导航设备的基础上增加了机械臂，避免了手术医师因手部疲劳所致的螺钉导针置入偏移。林书等[18]报道，利用3D透视“天玑”机器人辅助置入腰椎椎弓根螺钉的准确率为94.8%，远高于传统透视置钉的86.3%。龙涛等[19]利用2D透视“天玑”机器人辅助经皮置入骶髂关节螺钉，术后使用X线片评价的螺钉置入准确率为100%。本研究的完全准确率为94.1%，与文献报道相似，优于Zwingmann等[16]报道的结果。笔者认为，文献报道的准确率不一与研究者在术后使用的影像手段及所使用的评价标准不同有关。“天玑”机器人机械臂的加入比导航设备更减少了不稳定因素，提高了置钉的准确率。另外，与导航设备不同的是，“天玑”机器人的人体示踪器只要不发生相对于其所放置的髂骨的位置变化，人体的整体位置变化（如平移、旋转等）是不会影响机械臂与人体示踪器之间的相对位置关系的，即不会发生所谓的人体示踪器的位置“漂移”，从而大大降低了术中因患者整体位置变化给置钉准确性带来的影响。

在手术时间及术中射线剂量方面，Li等[20]报道，无论是骨盆前环还是骨盆后环通道螺钉的置入，3D透视导航辅助置钉的平均手术时间均明显短于传统透视的平均手术时间。Kraus等[21]报道，在椎体融合和骶髂关节手术中，使用3D透视导航技术，患者所接受的有效射线剂量减少了92%（3D透视为0.4 mSv，2D透视为5.03 mSv）。Beck等[22]的研究报道，3D透视导航的平均放射剂量是181 cGy/cm2，而2D透视的平均放射剂量是1 376 cGy/cm2。本组研究的手术总时间平均为65.1 min，置钉准备时间平均为39.2 min，置钉时间平均为25.4 min，与Zwingmann等[16]报道的一致。笔者分析认为，与传统方式或者2D透视下机器人辅助手术不同的是，本组手术以三维C臂的起始位置调整开始，调整结束后还包括手术医师对术区消毒、铺巾的时间，因而导致平均置钉准备时间长于平均置钉时间，但实际准备时间是应当减去术区消毒、铺巾的时间更为准确。尽管本组研究没有计算消毒、铺巾时间，但在实际操作中发现，与二维图像不同的是，三维图像的摄取对于患者体位的要求相对较低。一般情况下，在人体示踪器位置摆放成功后，三维C臂一次取图即可获得手术所需的图像。而在二维透视时，患者对于水平卧位的要求较高，同时助手往往需要多次调整C臂的位置及倾斜角度才能摄取标准入口位、出口位及侧位的图像。此外，在置钉监测过程中，当患者体位有所改变，如继续使用准备时C臂的倾斜角度，则难以对置钉的位置做出准确的判断，从而不得不花费时间去调整角度。在手术射线剂量方面，尽管本研究没有具体统计，但同上述手术时间的情况一样，由于多次透视角度调整的原因，使用二维C臂实际透视的射线剂量可能是高于三维C臂一次扫描的总剂量的。对于手术者而言，在三维C臂扫描时，手术人员可短暂离开手术间，因而所接受的总辐射剂量也可能是要低于二维C臂透视的。

在实际手术操作过程中，笔者认为有以下几点需要注意：①手术设备的选择，尽量选用全透光的骨科专用手术床。若无此类手术床，可选择可调节高度的带全透光延长板的手术床。避免在手术过程中因手术床金属件的影响导致图像摄取失败。②位置摆放，三维C臂在进行图像摄取时需以手术侧骶髂关节为中心确定位置原点；在进行碰撞实验时需调整好床面的高度，笔者的经验是床面高度在95 cm左右。③图像摄取前C臂机所选择的部位应选择以骶骨为中心的“脊柱”，而并不是以髂骨为中心的“骨盆”。④术中避免C臂或手术操作对人体示踪器的碰撞。一旦人体示踪器产生了与其所固定的髂骨之间的位移，则会大大影响导航的位置准确性，而不得不重新进行图像摄取及螺钉规划。⑤导针置入前应仔细检查导针是否有明显的弯曲变形，以免影响实际导针的准确性。导针置入时需麻醉医师配合降低患者呼吸的幅度，同时手术操作尽量轻柔，以避免导向不准确。⑥与巡回护士配合，术中可使用无菌绷带将手术无菌单进行束缚，避免在C臂摄取图像时因无菌单的摆动而造成手术区域的污染。

但本组研究尚存在一些不足。首先，本研究是单纯的描述性回顾研究，无对照组，无法进行统计学分析；其次，样本量较小且为单中心研究，研究结果存在一定的选择偏倚；再次，受所使用三维C臂开口径的限制，无法配合骨盆复位架同时使用，因而在病例的选择上存在一定的选择偏倚；最后，本研究未对手术透视剂量进行明确记录，无法提供此方面的记录。

综上，术中三维透视配合“天玑”骨科手术机器人经皮微创置入骶髂关节螺钉，手术中能获取所需的高质量图像，螺钉规划时可从三个维度多平面确定理想的螺钉位置，通过机械臂的稳定导向准确置入螺钉。临床结果显示，螺钉置入准确性高，安全性好，手术时间短，患者术后疼痛轻，可早期进行康复锻炼，并发症发生率低，住院时间短。对于肥胖、骶椎变异、合并严重骨质疏松及腹腔内大量肠气患者，其相对于二维透视的优势更为明显。