导航辅助椎弓根皮质骨轨迹螺钉置钉的研究进展

徐子航，龙 浩，宁 旭

1.贵州医科大学，贵阳 550001；2.贵阳市第四人民医院，贵阳 550002；3.贵州医科大学附属医院，贵阳 550001

2009年Santoni等[1]报道了一种用于腰椎固定的椎弓根螺钉插入的新轨迹，命名为皮质骨轨迹(cortical bone trajectory,CBT)，其独特的进针轨迹(由内向外，由尾侧向头侧)增加了螺钉与皮质骨的接触。先前的生物力学研究表明，CBT螺钉的拔出力较传统椎弓根螺钉增加30%，置钉扭矩力则增加70%[1-2]。除此之外，CBT技术可以减少椎旁肌肉的剥离、缩短伤口的长度以及减少上关节突关节损伤的风险[3]。然而由于该技术缺乏明确的解剖标记点，确定最佳的进针点和进针方向难度较大，不正确地置入螺钉可能损伤神经、血管及加速椎间盘退变。因此如何安全、准确地置入CBT螺钉仍是脊柱外科医师所面临的挑战。

目前，导航技术已广泛应用于脊柱外科手术中，已被证实具有高精准度、安全、微创、低辐射暴露等特点[4-5]。然而目前国内外对于将CBT技术和导航技术相结合的研究较少，本文就导航技术在皮质骨轨迹螺钉内固定中的应用进行综述，为以后的临床应用推广提供理论依据。

1 徒手置钉技术的缺点

与传统椎弓根螺钉内固定方式的“人”字嵴进钉点标志相比，目前 CBT 螺钉内固定技术的局限性之一是缺乏易于识别和可复制的进钉标记点，Mastsukawa等[6]报道理想的CBT技术进针点为横突下1mm与上关节突关节中点垂线的交点，然而术中减压时通常需咬除部分上关节突进而导致标记点消失，尤其对于初学者来说，置钉难度较大，进而引发诸多问题：(1)徒手植入 CBT 螺钉过程中需要尽可能多地剥离椎旁肌肉，将会增大手术创伤和延长手术时间[7]。此外，术中反复透视可能增加术者及患者增加辐射暴露的风险。(2)螺钉错位率高，据报道，经验丰富的外科医师即使在传统荧光透视辅助下，CBT螺钉误植率仍可高达33.3%[8]。由于CBT由内向外，由尾侧向头侧置钉，不准确地置入螺钉，除了可能穿破椎弓根内壁、下壁导致神经损伤，还可能穿破终板及椎体前缘，进而加速椎间退变及导致周围肌肉血管的损伤。(3)尽管生物力学研究显示CBT螺钉的拔出力更高，然而不正确地置入螺钉，会导致螺钉与皮质接触减少，进而增加螺钉松动率。Cheng等[9]通过一项尸体研究发现，37枚螺钉中有6枚出现严重松动，且有1枚出现峡部和椎弓根骨折。在他们的尸体模型中观察到，置入螺钉的过程中，CBT螺钉的头部撞击棘突和椎板进而导致轨迹的偏差，大幅度降低螺钉与皮质的接触，这一机制有可能解释与CBT技术相关的螺钉松动和骨折。(4)固定强度及椎体稳定性不够，Mastsukawa等[10]通过一项生物力学研究发现，大尺寸的螺钉可以增加拔出强度和椎体固定强度，降低螺钉周围的等效应力，CBT 的理想螺钉尺寸是直径>5.5mm，长度>35mm，而该尺寸的螺钉很少在徒手技术中出现，意味着徒手技术难以达到理想的螺钉固定强度。此外，理想的进针深度应为椎体的1/2左右，由于徒手选择螺钉的长度较短以及基于安全考虑，徒手置钉时插入螺钉的深度不够，这可能是导致CBT技术侧屈及旋转稳定性不如传统椎弓根螺钉的原因[11]。(5)尽管Iwastuki等[12]提出了峡部引导法，即选择在峡部外侧边缘向内3 mm和椎间孔上缘，此方法术中标记物明确且受减压影响较小，易于辨认，为目前大部分外科医师所用，但该法可能会增加峡部骨折的风险。(6)手术节段受限，目前大多徒手技术局限于腰椎，很少有学者将该技术应用于胸椎，尤其是上胸椎，主要原因在于胸椎的椎弓根较细，且变异程度较大，很难准确置入螺钉。尽管Sheng等[13]提出了基于徒手技术的胸椎进针点，即椎弓根轴的投影点在小平面外缘内侧4～5mm，在横突中线上方5～8mm，并垂直椎板进针，然而该方法与传统椎弓根置入法相似，并不能减少肌肉剥离，且置钉难度大， 难以发挥CBT带来的优势。因此，个体化、理想化进针是CBT技术领域未来发展的趋势。

2 导航技术的发展现状

为改善徒手置钉技术的缺陷，学者们做出许多努力，其中最具代表性的是CBT置钉技术与导航技术相结合。导航技术在此之前已广泛地应用于脊柱外科手术之中，包括辅助椎弓根螺钉内固定术、椎体成形术以及全椎间盘置换术，并已被证实具有高精准度、安全、微创、低辐射暴露等特点[4-5,14]。目前应用于CBT螺钉内固定术的导航技术主要分为三类，即基于术中CT图像的导航技术，基于3D打印技术的术中导航模板技术，以及目前最新的脊柱外科机器人导航技术。

2.1CT导航技术 CT 导航系统主要包括空间定位系统、计算机以及相应的数据处理和图像处理软件。在CT导航系统中，患者的解剖结构通过CT影像反映，手术器械以示意图的方式重叠显示在相应的 CT 层面上。 医师通过计算机直观了解手术器械相对于病灶的位置关系，从而指导手术操作。目前术中CT成像技术已从原先的可移动CT发展至O型臂系统，O型臂系统可以消除获取三维影像时的成像器碰撞以及与其他手术设备空间位置的相互干扰，使成像更加精准，且可以减少操作时间及术中辐射量[15]。

Rodriguez 等[16]利用术中CT(O型臂)图像导航技术结合CBT螺钉固定技术治疗症状性的邻椎病，即在先前已置入传统椎弓根螺钉的椎弓根中再次置入CBT螺钉。结果显示5例手术中4例可以实现该技术，平均手术时间为218min，置入CBT螺钉尺寸为5.5mm,无手术相关并发症，所有患者症状较前明显改善。该技术避免了传统翻修手术时移除连接棒的弊端，可以减少手术时间及创伤。同样地，针对邻椎病，Kotheeranurak等[17]描述了一种新技术，即内窥镜辅助下的腰椎前路椎间融合术，采用CT引导、图像导航的单侧CBT螺钉固定治疗L5/S1椎间盘病变，结果显示多种微创结合技术在导航系统的辅助下，可以使螺钉置入更容易更准确，手术创伤更小。Obeidat等[18]第一次利用三维导航技术将CBT螺钉应用在颈胸交接处，并与颈椎侧块螺钉相结合，在术后的随访中没有出现螺钉相关的并发症及神经损伤，所有病例获得了即刻稳定，且均达到临床融合。CBT螺钉进针方向和颈椎侧块螺钉相似，使术者容易放置连接杆，减少融合节段，并潜在性减少术中出血量。

Laratta等[19]利用术中锥体束CT置入了618枚CBT螺钉，结果显示，整体导航螺钉准确率为98.3%,误差在1mm以内的准确率为99.2%,椎弓根外侧壁破坏率为0.5%，内侧壁破坏率为1.1%，且无螺钉相关的神经、血管及内脏并发症。Kumar等[20]比较在术中传统透视和CT导航下的CBT螺钉置入的准确性及并发症发生率，结果显示透视组椎弓根内侧壁破坏率高于导航组(6/88vs.1/94，P=0.05)，且透视组脑脊液漏及术后感染置钉相关并发症发生率高于导航组(8/19vs.2/19,P=0.04)。

总的来说，术中CT导航技术可以显著提高螺钉置入准确性及安全性，进而减少螺钉相关并发症，缩短手术时间，减少术者辐射暴露的风险，可以实现更高节段螺钉及椎弓根内双螺钉的置入，完成徒手技术难以完成的手术。且随着CT导航技术的不断改进，置钉精准度及安全性也正在不断提高。然而外科医师必须意识到患者可能出现与固定系统相关的髂嵴部疼痛，术后应及时镇痛来改善该情况[21]。

2.23D打印导航模板技术 3D打印导航模板原理是术者通过术前 CT 扫描获取图像，再用计算机辅助预设钉道，将数据传送到 3D 打印机，打印出个体化、准确的置钉导航模板，使其在手术中能够精确地放置CBT螺钉。

对于此技术，早期局限于尸体研究，Kim 等[22]通过对7例尸体胸腰椎进行CT扫描，通过计算机软件构建了T11～L5共80个CBT指南模板，术后扫描未见错位或骨穿孔，其中95%的螺钉实际置入偏差<2mm，平均(0.94±0.42)mm，且将模板安装到椎板并固定CBT螺钉仅需1～2min。同样，Wang等[23]也利用此项技术在尸体中上腰椎置入CBT螺钉，结果显示导航模板组的椎弓根内外侧破坏率(3.33%vs.13.33%，P=0.048)以及椎弓根上下壁破坏率显著降低(5%vs.18.33%,P=0.023)。同时还有学者设计并对比了不同导板之间的置钉准确性，李智多等[24]在一项尸体研究中设计了两种不同类型的导板，一种以人字嵴为贴合面，另外一种则以椎板-棘突为贴合面，结果显示椎板-棘突型的置钉成功率(95%，19/20)较人字嵴型高(70%，14/20),差异有统计学意义(P<0.05)。因此，椎板-棘突型导板更适合CBT螺钉的置入，且可以显著提高置钉准确性及安全性，并在理论上可降低神经、血管的损伤风险。大量的尸体研究实验证明了3D打印导航模板的可用性、准确性及安全性，为临床应用提供了可靠的基础。

近3年来，有部分学者已将此项技术用于实际手术中，Kim等[25]利用此项技术治疗1例71岁的L4椎体滑脱患者，术后恢复满意，未出现相关并发症。Marengo等[26]同样利用此技术治疗11例患者，结果显示螺钉实际位置与术后平均偏差为0.91mm,85.2%的螺钉偏差角度<2°。Mastsukawa等[27]研究发现3D打印导板的准确率可高达97.5%，实际偏差(0.62 ± 0.42 )mm,矢状面和横状面角度偏差分别为(1.68 ± 1.24)°和(1.27 ± 0.77)°，且该研究中使用的螺钉尺寸为6.0mm×40mm，大尺寸的螺钉增加了其与皮质的接触，进而潜在性地增加了其固定强度[10]。同样，Maruo等[28]研究了无徒手经验的外科医师使用3D打印导航模板技术置入CBT螺钉的准确性，结果显示，平均外展角偏差为(0.6 ± 2.5)°，头倾角则为(-1.3±2.9)°，总体准确率为91%，但在10台以后准确率就提升至97%。

总之，3D打印导航模板置钉具有以下优点:(1)个体化设计，提高置钉的安全性和准确率，降低血管、神经损伤的风险，减少术后并发症; (2)操作简单，学习曲线短，适合手术经验不足的年轻医师; (3)减少患者及术者在手术过程中辐射的暴露，同时缩短手术时间; (4)降低手术成本，无需其他设备辅助。但目前仍存在两个问题：(1)由于其导板需要加工制作，紧急情况下不适用；(2)术者必须完全切除与导向器接触的椎板后表面软组织，过度或不充分的暴露会影响轨迹的准确性，椎板表面形状的精确复制会受到软骨组织如骨赘和小关节肥大的影响。

2.3机器人导航技术 近年来，机器人辅助技术在多学科中广泛应用，如骨科、普外科、胸外科、泌尿外科等。当前机器人主要存在三种模式：监督控制系统、遥控机器人系统及共享控制模式系统。而对于脊柱外科领域，大多数机器人都是基于“监督控制系统”的模式，即通过软件预先设定螺钉置入进针点、尺寸及轨迹，并通过编程软件控制机器臂，而术者则在一旁监督机器人工作。因此该模式最核心的部分仍为“导航定位”，但相较于传统CT导航技术，机器人可以避免手术室内人员及器械对导航信号的干扰(如红外线传感器的光学信号接收器)以及因疲劳和情绪等因素所造成的人为失误等。目前已有学者将机器人导航技术应用于CBT螺钉内固定术之中。

Le等[8]比较国产“天玑”骨科机器人与传统透视辅助下CBT螺钉置入的准确性，根据改良的Gertzbein-Robbins分级方式进行螺钉准确性评估，结果显示机器人辅助组A类螺钉准确率高达87.2%，而传统透视组A类螺钉准确率仅为66.9%(P=0.038)，但机器人组的手术时间、失血量及累计辐射时间多于传统透视组(P<0.05)。在随后的研究中，Le等[29]还发现利用机器人可以降低小关节侵犯率，传统透视组中41.3%出现小关节侵犯，远高于机器人组的17.3%(P=0.04)。陈豪杰等[7]利用Renaissance脊柱机器人辅助置入CBT螺钉治疗合并骨质疏松的腰椎退行性疾病，对比徒手技术发现，脊柱机器人辅助置钉精准度更高(98.3%vs.84.5%，P=0.009)，侵犯上关节突的发生率更低(P<0.05)。除此之外，机器人组手术时间及出血量也显著少于徒手组，这可能是由于CBT螺钉技术缺乏易于识别的进针标记点，徒手置入螺钉需尽可能剥离多的椎旁肌肉来确保安全置入，进而增大手术创伤及延长手术时间。Khan等[30]比较Mazor X机器人与术中三维CT导航技术辅助CBT螺钉置入的准确性，结果显示机器人组92枚螺钉均准确置入，而CT组74枚中69枚准确置入(P=0.01)，但在手术时间、出血量无显著差异(P>0.05)。

不同的机器人工作机制并不完全相同，作为国产机器人代表的“天玑”是国际首台通用型骨科手术机器人产品。该机器人包括1台六自由度机械臂、1台主控台车和1套红外光学跟踪系统,利用术中三维图像直接进行手术规划,最小化配准误差，并利用光学跟踪系统来检测呼吸运动和器械偏差,实现手术过程的动态安全控制[31]。而Renaissance及Mazor X Stealth均产于Mazor公司，临床研究报道Renaissance在椎弓根钉植入手术中的置钉率达96%，然而Renaissance的骨安装方式操作较复杂且手术过程中缺少术中实时监控等，而后出现的Mazor X机器人,整合该公司已有的Stealth导航软件优势,结合串联机械臂，实现光电导航下的机械臂实时定位，进一步提高准确率及安全性[32-33]。

脊柱机器人导航技术可以显著提高螺钉置入准确性及降低上关节突侵犯发生率，进而提高螺钉置入的安全性及降低邻椎病的发生率，且具有运动稳定、不易疲劳、减少术者暴露辐射风险等优点。然而现在骨科机器人仍存在诸多缺点：(1)价格普遍昂贵，在一般医院难以普及，且维护成本较高，不利于机器人技术的应用与发展；(2)机器人操作流程复杂，需要学习与适应，在学习初期可能会增加手术时间、出血量，以及反复扫描导致辐射量增加；(3)目前大部分骨科机器人实质为“半自动”模式，智能程度不够，术中需要术者监督完成手术。

3 导航技术未来发展趋势

对于脊柱外科领域，螺钉置入的高准确性必定是导航技术的核心， 传统的CT导航技术精准度受人为因素影响大，而目前的3D打印导板技术置钉的准确率也受椎体退变程度及术者技术显著影响，骨科机器人具有4～6个自由度的机器臂替代人类手臂，允许在轴向、冠状和矢状面上的更高精度，螺钉置入时无需过分考虑椎体退变的影响，且与术者的技术无明显关联，因此骨科机器人技术仍是未来发展的趋势。除此之外，由于脊柱外科手术需要反复徒手进行大量操作，容易引起术者的疲劳及情绪波动，机器人具有很好抗疲劳性及操作可重复性，可以显著提高手术效率。

现阶段导航技术已经表现出很好的安全性，但由于椎体周围存在着丰富的神经血管，因此未来的导航技术仍需更高等级的安全保障，目前仍需解决以下几个问题：(1)术中实时的精准度检测，目前少有导航技术可以监测术者置入螺钉过程中的情况，CBT螺钉主要应用于骨质疏松的患者，骨密度下降可能会导致实际螺钉置入时原有钉道的改变，进而造成螺钉的错位，增加神经、血管损伤的风险。增加实时监测系统可以让术者实时评估置入过程中螺钉与周围神经血管的关系，从而提高螺钉置入准确性及安全性。(2)缺乏术中紧急情况的反馈机制，即无法判断螺钉是否损伤神经、血管等，因此术中需配备具有手术经验的“熟手”进行监督。未来的导航系统可以用额外的传感器来解决该问题，这类传感器可以通过信号的变化判断螺钉或者导针是否穿破皮质到达血管、神经及椎管附近，当出现上述危急情况时，机器人立刻停止当前操作并反馈给术者，进而保证手术的绝对安全[34]。值得注意的是，在提高精准度及安全性的同时必然会增加术中辐射暴露量，因此如何平衡两者仍是未来需要解决的问题。

除此之外，未来的导航技术还需具有经济效益性，昂贵的设备及高额的维护成本会限制技术的推广及发展。再者，简单的操作系统可以缩短术者的学习曲线，更有利于导航技术的发展。

4 小结

无论何种导航技术，都可以显著提高CBT螺钉置入的准确性及安全性，且允许术者使用大尺寸的螺钉，可以潜在地提高螺钉固定强度及椎体稳定性，充分实现CBT螺钉设计意图。除此之外，导航技术的发展正在不断扩大CBT螺钉内固定技术的适应范围，手术节段由起初的下腰椎发展至今的颈胸交界处。而以往复杂繁琐的脊柱翻修术，在导航技术的辅助下，可以实现在原有的椎弓根内再放置1枚CBT螺钉，避免拆除原有器械，减少手术创伤。但传统导航技术目前精准度不高、影响因素多，新型导航技术同样面临价格昂贵、维护成本高等弊端。尽管如此，在脊柱外科CBT领域，导航技术仍然体现出巨大的潜能，且随着新型交互机构、人工智能、虚拟现实以及新一代通讯(5G)技术的快速发展，导航技术将迈入新阶段，同时也将推动CBT螺钉内固定技术进入全新的阶段。

作者贡献声明：徐子航：提出研究选题、筛选相关文献、撰写文章；龙浩：研究选题、文章初稿；宁旭：文献审核