光辅助X射线体表定位在骨科植入物内固定中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.13.014

摘要/Abstract

摘要：

背景：以往骨科内固定常使用C臂机进行体表定位，但固定中的反复透视会加大对人体的损伤及延长固定时间。
目的：探寻一种简便实用、更有利于骨科内固定的光辅助X射线体表定位技术。
方法：使用自制的简易装置将雷达状的红色激光投射在体表来辅助C臂机进行体表定位。使用SD大鼠和新西兰大白兔设计动物实验，模拟软组织内异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入、脊柱椎弓根螺钉进针点定位3种骨科内固定方法。分别使用传统C臂机和光辅助X射线体表定位技术各进行 30次定位。分析2种方法对操作的影响，并分析深度和活体因素对光辅助X射线体表定位技术的影响。
结果与结论：与传统C臂机定位相比，光辅助X射线体表定位技术在实验过程中能够更快的进行体表定位(P < 0.05)，但定位的深度和活体因素会影响光辅助X射线体表定位技术的准确度(P < 0.05)。说明光辅助X射线体表定位技术具有简便、快速、动态化的优点，可方便骨科内固定的进行，但在固定过程中需考虑各种因素对定位准确性的影响，减小或消除这些影响因素将更好的发挥光辅助X射线体表定位技术的优势。

关键词: 骨关节植入物, 骨与关节图像与影像, 激光, C型臂, X射线, 体表定位, 动物实验, 骨科内固定, 骨组织工程

Abstract:

BACKGROUND: C-arm X-ray machine is often used in orthopedic surgery to perform the body surface localization. But the repeatedly perspective during the fixation surgery will increase the damage to the human body and prolong operation time.
OBJECTIVE: To explore a kind of simple practical technology of body surface localization by laser auxiliary X-ray used in the orthopedic surgery.
METHODS: The radar-shaped red laser was projected in the body surface by self-made simple device to assistant the C-arm machine to perform body surface localization. Sprague Dawley rats and New Zealand white rabbits were used to design animal experiment, three kinds of orthopedic surgeries were simulated. Traditional C- arm machine and the technology of body surface localization by laser auxiliary X-ray was used separately to get position of foreign body in soft tissue, place the distal cross-bolting of fracture intramedullary nail, and place the pedicle screw in spinal surgery. There were 30 cases in every test. The influence of two methods to the operation was analyzed, and the influence of depth and living body to the technology of body surface localization by laser auxiliary X-ray was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the traditional C-arm machine, the technology of body surface localization by laser auxiliary X-ray could obtain the body surface localization more faster (P < 0.05). But the depth and living body may influence the accuracy of technology of body surface localization by laser auxiliary X-ray (P < 0.05). It suggested that the technology of body surface localization by laser auxiliary X-ray has the advantages of convenient, fast and dynamic which could be greatly convenient for orthopaedic surgery. But various kinds of influential factors should be reduced or eliminated in order to better the advantages of the technology in the operation process.

Key words: bone and joint implants, photographs and images of bone and joint, laser, C-arm X-ray machine, X-ray, body surface localization, animal experiment, orthopedic internal fixation, bone tissue engineering

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 2

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引言

材料方法

设计：自身对照，动物实验。
时间及地点：于2011年5月至2012年8月在复旦大学附属金山医院中心实验室完成。
材料：
实验动物：健康清洁级3月龄SD大鼠30只，雌雄不限，体质量200-300 g；健康清洁级8月龄新西兰大白兔6只，雌雄不限，体质量2.3-3.0 kg；所有动物均由复旦大学实验动物中心提供，合格证号：SCXK(沪)2007- 0011。
实验过程中对动物的处理方法符合中华人民共和国科学技术部颁发的《关于善待实验动物的指导性意见》^[9]。
光辅助X射线体表定位技术的主要试剂及仪器：
Main reagents and instruments:

方法：
软组织内异物定位：将30只SD大鼠腹腔内注射体积分数0.5%戊巴比妥钠溶液麻醉(30 mg/kg)。麻醉成功后，仰卧位固定。腹部去毛，腹部正中术区皮肤消毒后，取1.0 cm长度的克氏针(直径1.5 mm)模拟异物，切开约1.0 cm纵行切口，逐层切开皮肤、皮下组织和腹膜后将异物放置于每只大鼠腹腔内(或腹部皮下)，丝线逐层缝合切口。
骨折髓内钉远端锁钉置入：使用临床废弃股骨髓内钉1枚(直径10 mm，长32 cm)和医用股骨模型6具。股骨模型固定于操作台上，将股骨髓内钉主钉从股骨大转子梨状窝开口向远端髓腔内置入5，10，15，20，25 cm共5个不同深度，在不使用配套的瞄准支架下用骨科微型电钻夹持克氏针(直径1.5 mm)模拟远端锁钉置入。每具股骨模型可模拟5次试验，共30次试验。
脊柱手术椎弓根螺钉进针点定位：将6只新西兰大白兔耳缘静脉注射3%戊巴比妥钠溶液麻醉(30 mg/kg)。麻醉成功后，俯卧位固定于操作台。腰椎部位去毛，腰椎正中术区皮肤消毒后，每只大白兔取5个腰椎，使用直径 1.5 mm克氏针代替椎弓根螺钉，用骨科微型电钻夹持克氏针模拟进行经皮椎弓根螺钉进针点定位，共30次试验。
体表定位过程：自制的简易光辅助X射线体表定位装置包括呈雷达状排列的金属网，和投射出红色激光的激光发射装置。经过调试确保金属网和激光投射出的雷达坐标一致。首先在C臂机的球管垂直X射线投射方向放置呈雷达坐标排列的金属网，对实验动物或模型需定位的部位进行透视，根据透视的影像记录目标的坐标值。然后利用激光发射装置投射红色激光，在实验动物或模型的体表投射出激光坐标。最后根据记录的坐标值，在体表作出标记，可描述体内某脏器或异物的体表标志。过程见图1。定位过程中根据环境病情变化和操作者需要反复这一操作，可动态化进行定位描述。
分组及干预：分别使用传统C臂机和光辅助X射线体表定位技术进行软组织内(大鼠腹腔内)异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入、脊柱手术椎弓根螺钉进针点定位各30次。光辅助X射线体表定位技术为实验组(n=30)，传统C臂机定位为对照组(n=30)。为进一步研究各种因素对光辅助X射线体表定位技术准确性的影响，单独以软组织内异物定位实验再次分组进行研究。为了研究不同深度的异物对定位的影响，分别将异物放置于大鼠腹部皮下和腹腔内，放置腹部皮下的为浅部组，腹腔内为深部组(n=30)。研究活体运动对定位的影响，以腹腔内异物为准，大鼠处死前后各为活体组和尸体组(n=30)。再次分组流程见图2。

主要观察指标：记录每次试验获得定位成功需要的时间。
统计学分析：计量资料以x(_)±s表示，用SPSS 13.0软件进行统计学分析。两组均数差异的比较采用配对t检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

3.1 体表定位方法及优缺点 目前，临床上使用的体表定位方法有以下几种：①参照物法：在体表放置金属、颜料等可显影物体帮助X射线、CT等进行体表定位。如使用CT结合龙胆紫对颅内小病灶进行体表定位^[10]。该方法操作简单、参照物易于获取，最为普及。最大的不足：如取异物时，异物在软组织内游走，固定过程需要反复定位。因此需要一种动态的体表定位技术。②导航仪法：导航仪在辅助骨科内固定，特别是脊柱外科固定中作用显著^[11-13]。最大的不足：成熟的导航仪均为国外进口，费用昂贵。骨科医师需接受培训后才能熟练掌握使用^[14]。③超声波或多普勒装置等：临床上多用在固定前的体表定位^[15]，也有固定中使用的尝试^[16]。最大的不足：定位易随着体位的改变、时间的变化发生偏移，需要超声波医师的帮助，外科医师不便随时随地使用。

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3.2 光辅助X射线体表定位技术的优点 虽然骨科内固定中用于体表定位的方法较多，国外已有飞利浦和西门子公司将十字交叉的激光定位系统应用于X射线机^[8]，但中国使用光线辅助体表定位的报道较少，尚处在研究探索的初级阶段。特别是使用呈雷达状排列的激光尚未见报道，故本次实验将光辅助X射线体表定位技术应用于C型臂，分别使用传统C臂机和光辅助X射线体表定位技术进行软组织内异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入、脊柱椎弓根螺钉进针点定位3种动物实验。两种定位方法相比，差异均有显著性意义。本次实验光辅助X射线体表定位技术获得定位成功需要的时间较短，确实能提高3种动物实验模拟固定的速度，并具有很多优点：该装置结构简单成本较低，技术上操作简便，适合各种复杂的操作环境，操作者操作快速有效。尤其是可动态化进行体表定位的优点，理论上可为各种骨科内固定提供便利。

3.3 光辅助X射线体表定位技术的缺点 通过进一步实验，光辅助X射线体表定位技术仍存在某些不足。对于大鼠浅部和深部异物定位的比较，由于深部定位难度更大，易受更多因素的影响，深部组定位成功需要的时间更长。说明光辅助X射线体表定位技术随着难度的增加准确度也会降低。对于活体和尸体大鼠异物定位的比较，由于活体大鼠腹部呼吸运动可导致腹腔内异物和体表标志出现漂移，活体组定位成功需要的时间更长，说明光辅助X射线体表定位技术在活体上的准确度也会降低。

但考虑到本次实验制作的简易装置仅能在实验中提供初步技术支持，也会降低光辅助X射线体表定位技术的准确度。故需要制作更加精密的工业化装置来重复实验，甚至进一步满足临床手术复杂、精确的要求。

综上所述，光辅助X射线体表定位技术是一种操作简便、快速有效、性价比较高的体表定位技术。本次实验的不足与展望：①简易装置体积较大，使用灵活性欠佳，定位的精确度尚待提高，需进一步制作更加精密的工业化装置。②由于人体血液为红色，红色激光在活体软组织显影度较弱，需要激光专业人员提供帮助，可考虑使用绿色激光，但成本较高，获取较难。③本次实验仅模拟了3种常见的骨科内固定，对更加复杂的固定方法尚未分析，需要进一步研究。④某些分析项目不够全面，如只分析了深度和活体的影响，其他因素需进一步研究。⑤激光定位技术本身存在的误差尚需进一步研究。⑥激光对人体有一定程度的损害，需要寻找一种损害较小甚至无害的光线。

致谢：向尹望平主任、李德芳医师给予的指导和帮助表示衷心感谢！并对复旦大学附属金山医院中心实验室的支持表示感谢。
作者贡献：第一作者负责资料收集，实验设计，数据处理，成文。全部作者负责实验实施。第二、三作者负责实验评估，审校。第一作者对文章负责。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：实验过程中对动物的处置参照国家科学技术部颁发的《关于善待实验动物的指导性意见》。
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