辅助技术应用下脊柱侧凸矫形手术的研究进展

封显涛，陆晓生

（1.右江民族医学院研究生学院，广西 百色 533000；2.北流市人民医院骨外科，广西 玉林 537400）

脊柱侧凸常伴有三维畸形，累及冠状面、矢状面及横断面，特发性脊柱侧凸是常见类型，约3%青少年受累[1]，其症状可因侧凸程度不同而不同，包括影响美观、心肺功能受限及脊髓神经损伤等。Cobb 角是评估脊柱侧凸的金标准，治疗方式取决于脊柱侧凸畸形程度，对于严重或进展速度快的青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者最终仍需手术治疗。椎弓根钉棒系统内固定为常用的手术方式，以矫正畸形，解除脊髓、神经压迫，恢复稳定性及减缓或阻止进程等为手术目的，其中选择融合节段也至关重要[2]。椎弓根解剖形态对手术影响较大，侧凸畸形患者椎弓根常严重变细、变形或缺如，椎弓根螺钉难以通过甚至无法通过，此时置钉侵入椎管、损伤脊髓神经及大血管风险高，并发症将对患者造成严重的负面影响。崔冠宇等[3]研究发现青少年脊柱侧凸患者在胸椎椎弓根参数与正常青少年在胸弯顶椎附近差异明显，在凹侧椎弓根宽度较窄。为了提高置钉精确度、降低相关手术风险，辅助技术逐渐被应用于临床，帮助术者预判置入椎弓根钉和手术难度、提高侧突矫形成功率具有重要作用。本研究检索国内外文献，对辅助技术应用下脊柱侧凸矫形手术的研究进行总结，以期为临床提供有益参考，现综述如下。

1 有限元分析

有限元分析（FEA）利用数值求解工程和数学建模中出现的微分方程的技术，对模型进行力学模拟，先离散、后整合，以有限元素（即单元）模拟复杂的真实系统，现已广泛用于生物力学研究中[4]，如在脊柱外科领域可进行模拟仿真手术等。许阳阳等[5]建立正常与Lenke 1型侧凸脊柱三维模型，发现应力应变在顶椎变化最明显，凹凸侧应力不均衡，生理应力曲线改变，一侧需代偿维持；椎弓根螺钉后路矫形融合的效果已被认可，但仍存在螺钉松动、拔出和断裂等并发症，Musapoor 等[6]研究矫正力大小与螺钉密度关系，结果显示使用更高的螺钉密度，应力分布明显更大；上椎体固定技术 （UIV）可能对侧凸矫形后相邻节段疾病、交界处后凸畸形和假关节形成有影响，Nevzati等[7]通过三种固定技术进行对比，发现椎弓根螺钉刚性强，上椎体应力、拔出力最高，横突钩刚性小，但相应上椎体应力小，由于生物力学存在差异，在指导选择上端固定技术方面可能需要对患者进行个性化评估；Wu 等[8]利用FEA 研究脊柱缩短的力学实验中发现，在符合需要时，脊柱畸形矫正需尽量保留脊柱长度，以防止脊髓损伤、内固定物骨折和邻近节段病（ASD）；邬超等[9]通过FEA 侧凸椎体及椎间盘的不同位置受力及位移情况，同时提供整体到局部的量化指标；吴晓薇等[10]对侧凸患者进行活动度及应力应变的模拟，结果发现畸形最明显处的椎体应力变化趋势与静态时相反，提示脊柱侧凸改变了正常生物力学。通过FEA 可了解脊柱侧凸后应力分布及邻近组织受力情况，将复杂、抽象化的信息转变为可视化的，利于对应解释复杂变化。辛大奇等[11]对AIS 在前后5 年模拟矫形手术，对比结果示胸、腰椎侧凸的矫形率及矫形效果均明显下降，同时各术式下的螺钉应力最大区域也发生了变化，建议有手术指征的患者尽快选择合适的术式；王永清等[12]对Lenke5 型AIS 患者T3～L5节段钛棒应力变化进行分析，结果显示钛棒在胸弯下端椎与腰弯上端椎应力较大，尤其在左、右旋转工况下。模拟螺钉置入术后并分析与各椎体间的应力变化，同时在效仿人体活动时受力情况，对螺钉失效方面有力学参考价值。

FEA 可对侧凸患者术前进行可视化模拟仿真手术，分析在矫正力作用下螺钉、椎体及邻近节段椎体、椎间盘等应力变化及矫正规律，为临床提供生物力学参数及指导；其次了解脊柱各节段的运动学特性，可对比手术前后活动度丢失程度，预测椎体退变情况。但FEA 是否能真实、可靠反映侧凸患者实际情况，与建模有很大关系，脊柱周围解剖复杂，在侧凸基础上增加了变异可能，实际应用需在临床工作中进一步验证。

2 3D 打印

3D 打印技术在降低脊柱侧凸矫形置钉难度中起到很大帮助，通过重建手术节段脊柱三维模型，导入3D 打印机后得到解剖实体模型，在体外实体模型中模拟手术，研究适合的进针点、角度及螺钉长度、大小，并可在三维层面观察解剖区域和畸形细节[13]。高笛等[14]对76 例脊柱侧凸患者研究中发现，3D 打印组可以提升手术效果，提高矫形成功率；沈建辉[15]对12 例脊柱后凸畸形患者进行颈椎体截骨术，结果显示结合3D 打印技术可减少手术创伤、提高置钉成功率。体外手术节段3D 模型可帮助术者详细了解局部特殊解剖特征，构建手术计划，并可反复进行手术关键操作，增加熟练度，对真实术中情况有预判作用。此外，衍生出3D 打印导航模板，通过脊柱后方椎体骨性标志设计出与后方紧密相贴的定位标志模板，可以术前规划置钉角度、深度及大小等，制作出个体化模板辅助置钉，姜成浩等[16]运用3D 打印导航模板对9 例脊柱侧凸患者畸形矫正，结果显示置钉安全率为83.9%；徐会法等[17]研究认为3D 打印组与导航模板组在置钉精确度比较，差异无统计学意义，在手术时间、置钉时间、术中出血量方面3D打印组占优，可能与3D 打印组无需安装定位模板有关；白云松等[18]使用3D 打印技术清晰、直观显示儿童先天性脊柱侧凸的脊柱结构及形态，在置钉准确率上明显高于对照组；李雷等[19]研究将3D 打印技术应用于AIS 后路内固定矫形手术，可提高螺钉置入准确性，缩短置钉时间。3D导航模板犹如提前设计置入通道，在充分暴露解剖部位后安装好即可进行操作，以上研究均显示3D打印可明显提高置钉准确性，一定程度上减少反复术中透视和辐射暴露，在矫形效果方面有所改善。导航模板在脊柱后方如何稳定安装是其重要点，根据后方解剖结构，王辉等[20]采用棘突和椎板邻近关节突区域作为固定点，具有较好的安装稳定性，这是准确置钉的基础，否则可影响置钉角度、增大误差等。

在临床应用中，3D 打印技术可以提供手术节段模型，在术前模拟手术、了解术中关键点，同时设计置钉导航模板，帮助手术医生置钉、定位等，特别是对于年轻医生来说，可减少学习曲线，提高置钉精确度，避免严重并发症的发生。但是3D 打印耗时长，时效性差，对患者CT 数据质量及3D 打印硬件要求高，同时费用较昂贵，其在解剖变异明显的患者中可能应用价值更高。且也存在模型与实体之间的误差，术中仍需谨慎操作。

3 骨科机器人

随着医学智能化发展，骨科智能机器人逐渐应用于脊柱外科，以提高椎弓根钉置入精确度。该系统通过CT 扫描获得手术节段影像数据并导入控制系统，对手术节段螺钉角度、大小进行设置并执行，视踪系统监视下机械臂运动到指定位置，并借助定位通道置钉。特发性脊柱侧凸主要累及胸椎和腰椎，胸腰椎椎弓根各有不同，胸椎椎弓根宽度偏小，特别是T4或T5[21]，然而对于侧凸患者，椎弓根解剖变异明显，凹凸侧差异大，甚至一侧缺如，使置钉难度大大增加，同时损伤脊髓神经和大血管的风险增加，特别是严重侧凸者，对置钉精准度、术者技术要求高。目前骨科机器人在置钉方面展现出明显优势。宋玉鑫等[22]研究发现，与3D 打印技术比较，机器人辅助下明显提高了A类螺钉置入的准确率；张同同等[23]研究发现，机器人置钉可以减少D 类级结果；凡君等[24]研究比较骨科机器人和徒手置钉的效果，结果显示骨科机器人不仅在提高置钉准确度、减少出血量及缩短住院时间等方面占优，同时还可提高整体疗效；Chen 等[25]使用机器人对退行性脊柱侧凸矫形，置钉准确率为98.7%，高于徒手置钉的92.2%。在提高置钉精确的同时，骨科机器人手术术后效果也有很大改善。李军杰等[26]运用天玑机器人对伴有椎体旋转的脊柱侧凸患者进行导航置钉，总误置率为1.1%，无二次调钉，术后效果满意；包梦颖等[27]对一位主弯Cobb 角40°的特发性脊柱侧凸患者矫形，机器人辅助下术后侧凸畸形明显改善。翟功伟[28]用Mazor 机器人辅助置钉28 例，与徒手置钉比较，在单个螺钉置入时间上占优，可能在连接系统、机器人操作等方面耗时多，但一次性精准置钉后减少反复调整螺钉及透视次数。同时骨科机器人的出现也带动了脊柱微创置钉的演变，术前规划完毕后可经皮置入螺钉，远比常规显露手术部位创伤小。

机器人辅助导航技术无疑为椎弓根安全置钉提供帮助，提高置钉准确性、安全性，但可能会增加手术时间、经济费用等，特别是定位出现故障时，将导致整体出现偏差，此时需要多次调整螺钉或重启设备。盛伟超等[29]分析可能的原因包括椎体节段定位错误、解剖位置暴露不良、通道管滑移及手术台位置变化等，要求手术医生需术前、术中注意任何一个操作细节，否则可能会影响全局。

4 总结与展望

FEA 能可视化模拟手术，了解固定器置入后应力应变情况，提供关键定性生物力学参考；3D 打印技术提供侧凸模型，制订个性化置钉导航模板，深入了解手术节段解剖细节及为术者提供体外练手机会；骨科机器人系统体外规划螺钉进针点、角度及大小，可重复操作直至满意，同时也推动了微创置钉的发展。总之，辅助技术应用于脊柱侧凸矫形手术极大提高椎弓根螺钉置入精确度，减少螺钉误置导致的严重并发症风险，特别是对于严重侧凸患者，但各辅助技术应用也存在相关局限性。

当前脊柱矫形融合以椎弓根钉棒系统内固定为主要方式，然而脊柱侧凸椎弓根变异也是手术面临的棘手问题。针对椎弓根置入螺钉条件差的情形，有学者提出椎弓根外内固定，如新型脊柱改良系统。该系统无需进入椎管，以横突为固定点，只需显露横突或椎板进行操作，从而降低手术风险和减少并发症，经过生物力学及FEA 研究，从理论上可以达到冠状面和水平面类似于椎弓根钉棒固定强度，存在微动态固定，可减缓邻近节段退变[30-31]；但该系统目前仍处基础研究阶段，其中一个关键点在于横突钩与横突的契合度，胸腰椎横突形态学三维角度差异大，前期研究主要集中在腰椎方面，然而脊柱侧凸在胸椎发生率不低，深入研究胸椎必不可少，后期需大量动物实验、生物力学及临床研究进一步证实其可行性，以期该系统能作为椎弓根钉棒系统的有益补充。