数字化术前规划在腰椎重度退变椎弓根螺钉置入手术中的应用效果研究

王小阵， 张筱彤， 吴浙栋， 鲁齐林， 谷艳超， 严 浩， 郑圣东， 朱 凌， 竺义亮

腰椎管狭窄症及退变性腰椎滑脱症是困扰中老年人的常见腰椎疾病，严重影响患者生活质量，多数患者需要手术治疗以解除神经压迫。近年来，虽然脊柱外科技术得到了长足发展，但由于腰椎椎管内解剖结构复杂，医源性神经损伤、脑脊液漏等并发症仍时有发生[1]。此外，退变性腰椎疾病存在后方关节突、软组织的严重增生，正常的关节结构异常，给术中置钉带来困难。为了寻求合适置钉点，往往需要向外剥离更多肌肉组织来暴露手术视野，从而导致手术时间延长，出血量增加[2]。对此，即使经验丰富的医师也较难做到一次性成功，术中经过反复透视或多次置钉虽也能将螺钉置入，但反复置钉降低了螺钉的把持力，多次透视也增加患者及医护人员的辐射伤害。随着数字技术在骨科领域的不断发展，运用软件进行术前测量规划可为临床医师提供手术操作区域的三维成像，以退变的异常增生结构为标志，辅助术中置钉[3]。为探讨数字化术前规划的临床应用价值，本研究对采用数字化术前规划的22例腰椎管狭窄症及退行性腰椎滑脱症患者的临床资料进行回顾性分析，并与25例未采用数字化术前规划的患者进行比较，以验证数字化术前规划在辅助腰椎椎弓根螺钉置入中的优势。现报道如下。

1 对象与方法

1.1研究对象 选择2018年5月至2020年5月在武汉中西医结合骨科医院接受腰椎椎弓根螺钉置入手术的患者47例，其中腰椎管狭窄症24例，退行性腰椎滑脱症23例。根据患者是否采用数字化术前规划将其分为观察组(采用数字化术前规划，22例)和对照组(未采用数字化术前规划，25例)。两组年龄、性别、术因、病变节段数等基线资料比较差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。见表1。本研究获医院医学伦理委员会批准(No.672HREC20180501)，所有患者签署知情同意书。

表1 两组基线资料比较

1.2纳入与排除标准 纳入标准：(1)经术前腰部MRI或CT检查确诊为重度腰椎管狭窄症或重度退变性腰椎滑脱症[4]；(2)经保守治疗无效，符合手术指征；(3)关节突关节退变等级为3级[5]。排除标准：(1)合并严重骨质疏松者；(2)合并严重基础疾病难以耐受手术或存在手术禁忌证者。

1.3数字化术前规划 观察组患者术前行腰部CT扫描(仪器：美国通用GE，型号：128层，64排Revolution CT；层厚0.625 mm)，以获取腰部DICOM数据，然后将数据输入Mimics 19.0软件进行建模和运算处理。对重建模型进行表面光滑处理(见图1)。使用Mimics 19.0软件中的“MedCAD”功能在模型上绘制圆柱体代替椎弓根螺钉，设置虚拟螺钉的直径、长度，并进行位置调整(见图2)。从横断面、冠状面及矢状面方位查看螺钉的放置效果(见图3)。位置满意后在三维图像上观察虚拟螺钉与横突、椎板峡部正常结构的位置关系，并给予记录。应用软件中的“Measurement”功能测量螺钉的有效长度与螺钉的外展角，在矢状面上通过角测量工具确定螺钉的头倾角(见图4)。为了缩短手术时间，术前测量椎间隙的高度和连接棒长度，便于直接选取Cage与固定。将测量完成的图像和数据进行保存打印，将之带入手术室便于术中参考。术前数字化测量均由同一主治医师完成。

ⓐ左斜位观；ⓑ后面观；ⓒ右斜位观；ⓓ切除髂骨；ⓔ矢状面剖面观；ⓕ冠状面剖面观

图2 置钉模拟图 图3 不同切面观察模拟螺钉位置图 图4 外展角、头倾角测量图

1.4手术方法 两组患者均采用经椎间孔入路椎间植骨融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)，均由同一名高年资主刀医师完成。术中充分暴露手术操作区域，彻底清除附着在棘突、关节突周围的软组织，注意保留术区最上方置钉部位的关节囊，避免术后加速邻近节段退变。观察组在充分暴露骨性结构后，观察术中的置钉区域骨性结构与术前数字化模拟规划的相似性，参照术前规划设定的置钉点及角度进行开口、开路、探壁，然后置入定位针进行术中透视，确定钉道的准确性。术中根据骨性测量标记，进行定位的同时仍需使用探针探寻正常解剖结构对术中置钉点进行验证，然后再行透视确定。定位针位置满意后，按术前测量好的螺钉长度、螺钉直径，以及规划好的Cage和连接棒的规格进行一次性安装。对照组则采用“红心髓”定位法结合“Magerl”置钉法在透视下进行置钉[6]。

1.5观察指标 (1)术中相关指标。单枚置钉时间=置钉时间/置钉数。单枚置钉出血量=(置钉后出血量-置钉前出血量)/置钉数。出血量采用自体血回收装置进行测量。术中透视时间。(2)置钉精确度。术后患者均进行腰椎CT扫描，根据Gertzbein-Robbins分级系统[7]评估螺钉位置与椎弓根的关系：0级，螺钉完全在椎弓根内，未穿破椎弓根壁；Ⅰ级，螺钉穿破椎弓根内侧壁<2 mm；Ⅱ级，螺钉穿破椎弓根内侧壁2～4 mm；Ⅲ级，螺钉穿破椎弓根内侧壁>4 mm；Ⅳ级，螺钉穿破椎弓根其他壁。以0级、Ⅰ级记为精准置钉，Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级记为置钉不精准。

2 结果

2.1两组手术情况比较 47例患者手术均顺利完成，术后均未发生神经损伤、脑脊液漏及切口感染等并发症，部分患者术后残余症状经康复治疗后痊愈。观察组22例共置钉152枚，对照组25例共置钉172枚。观察组单枚置钉时间、术中透视时间均短于对照组，单枚置钉出血量少于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。

表2 两组术中相关指标比较

2.2两组置钉精确度比较 观察组共置钉152枚，观察组总体置钉精确度显著优于对照组(P<0.05)。但两组置钉精确率差异无统计学意义(88.16% vs 80.23%；χ2=3.762，P=0.052)。见表3。

表3 两组置钉精确度比较(枚)

3 讨论

3.1椎弓根螺钉因其优越的生物力学特性而被广泛应用于腰椎内固定手术中[8-9]。然而，术中安全、快捷、精准地置入螺钉是决定手术成败的直接因素。腰椎退变性疾病在临床中较为常见，且患者多为中老年人，关节突结构的严重退变为置钉带来巨大困难。由于椎弓根空间有限且毗邻结构重要，置钉不精准就有可能造成不可挽回的医源性损伤，引起严重的手术并发症。此外，螺钉的置入位置不佳会使螺钉的固定效果减弱，影响脊柱术后的整体稳定性。Gertzbein和Robbins[7]分析了100例椎弓根内固定患者，误置率高达15%，且有7%的患者因出现神经症状而需行二次手术。

3.2传统的置钉方法主要有Roy-Camile法、Weinstein法、“Magerl”置钉法及“人”字嵴法，而这些置钉方法均需要以正常的解剖结构作参考，否则难以获取最佳的置钉通道[10]。为了提高置钉的精准性和安全性，许多学者试图通过辅助技术来指导术中置钉，其中包括超声辅助定位[11]、3D打印导板技术[12]、导航技术以及手术机器人[13]。超声定位技术虽然能够精准辅助术者寻找进钉点，用于经皮定位尚可，但在开放性手术中，不仅操作不方便，而且难以做到无菌操作，跨学科开展项目也不利于操作方案的实施。近年来，随着3D打印技术的日臻完善及在临床上的广泛开展，“个体化”打印导板辅助置钉大大提高了置钉的精准度与安全性。Kaneyama等[14]应用3D打印技术辅助颈椎螺钉置入，置钉优良率达98.90%，大大提高了螺钉置入准确率。王雅辉等[15]应用3D打印导板辅助腰椎后路椎弓根螺钉置入，手术均顺利完成，置钉优良率达84.69%，显著高于传统椎弓根螺钉置入组。导航技术借助腰椎CT扫描数据，然后进行虚拟重建，可视化下模拟置钉，有效提高了置钉的精准度。此外，为了增加置钉的准确性，新型脊柱外科手术机器人也逐渐在临床中应用，通过机器人置钉，术中可以密切监测螺钉置入的整个过程，为术中置钉提供了保障。但有学者通过临床对比研究发现，机器人辅助置钉并未较徒手置钉有显著的优势[16-17]。此外，高昂的医疗设备在基层医院也难以获得。

3.3目前，术中透视辅助下徒手置钉仍然是主流方法，术者凭借经验、借助解剖特点及三维空间想象力进行定位置钉。但对于关节突退变严重患者，由于解剖结构不清，且存在个体化差异，给常规置钉带来困难，术中常需反复透视来调整螺钉位置，这不仅增加了患者和医师辐射暴露量，而且反复调整螺钉通道也降低了螺钉的把持力，易出现内固定失败。总体而言，无论采用何种置钉方法皆注重术前影像学资料的观察。随着CT影像学技术的发展及其与医工结合的不断进步，运用数字化软件进行术前模拟规划辅助置钉成为临床的新趋势。Chen等[18]和Wasinpongwanich等[19]通过软件对颈椎解剖特征进行形态学分析，模拟规划指导椎弓根螺钉置入，为临床应用提供了参考。张耀申等[20]应用计算机数字测量规划指导腰椎TLIF，减少了手术时间、术中出血量及透视次数，术前规划置钉准确率达91.7%。

3.4术前规划仅需借助患者CT数据，通过Mimics软件进行三维重建，即可全方位、多层次地观察置钉区域的骨性结构，以增生的结构为参考标志模拟螺钉的置入[21]。本研究观察组22例，共置钉152枚，置钉精确率达88.16%。个性化术前规划置钉的优势有：(1)术前可在模型上随意调整置钉角度，选择最佳置钉点，不局限于常规置钉方式；(2)根据软件测量结果选择合适规格的螺钉、融合器及连接棒，节省手术时间；(3)减少术中透视次数，避免放射线对患者及医护人员造成的损伤；(4)通过三维模型便于与患者沟通，减少患方因对手术认识不足而造成的医疗纠纷；(5)增加术者的感官认识，便于术中更客观地进行置钉，也有利于年轻医师掌握复杂的置钉技巧。

综上所述，采用数字化术前规划具有较好的辅助作用，便于手术顺利实施。但辅助置钉只能作为一种参考，术中仍需X线透视来确定置钉的精准度。另外，本研究也存在一定的不足：置钉参考的标记为骨性结构，术中置钉需剔除关节突周围软组织，增加了手术时间。