腰骶骨椎弓根螺钉置入内固定：CT三维重建虚拟导航的辅助

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.09.023

摘要/Abstract

摘要：

背景：椎弓根螺钉内固定系统广泛应用于创伤、畸形、肿瘤、退行性变等各种各种腰骶部疾患的治疗，如何提高置钉准确性一直是业界关注的热点。CT三维重建虚拟导航可以让术者在可视化三维解剖信息的实时引导下进行置钉，使得置钉过程更准确安全。
目的：探讨术前CT三维重建虚拟导航技术在腰骶骨椎弓根螺钉内固定中的临床应用价值。
方法：选取广西医科大学第一附属医院脊柱骨病外科从2008年7月至2014年11月收治的腰椎骨折、腰椎滑脱及腰椎管狭窄症患者共203例，在术前CT三维重建虚拟导航引导下行腰骶骨椎弓根螺钉内固定，内固定后复查X射线和腰椎三维CT，以Andrew椎弓根螺钉CT位置分级标准进行评估。
结果与结论：共置入腰骶椎椎弓根螺钉1 088枚，其中1 068枚螺钉位置为Ⅰ级, 置钉准确率达98.2%。152例获得随访，随访时间 12个月，无内固定物移位、断裂等并发症。术前CT三维重建虚拟导航技术能为腰骶骨椎弓根螺钉内固定提供三维立体的解剖信息，制定最优置钉计划，使置钉更加精确安全，从而提高整体的修复质量。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 脊柱植入物, 腰骶骨疾患, CT三维重建, 椎弓根螺钉, 内固定, 准确率

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screw fixation techniques have been widely used in the treatment of lumbar and sacral disease, such as trauma, deformity, tumor and degeneration. How to improve the accuracy of screw placement is a hot topic. CT-based three-dimensional reconstruction navigation technique provides real-time, multi-perspective, three-dimensional visualization of lumbar and sacral anatomy, and surgeons can perform the pedicle screw insertion procedures confidently with increase of accuracy and safety.
OBJECTIVE: To study the clinical value of CT-based three-dimensional reconstruction navigation technique in the application of lumbar and sacral pedicle screw placement.
METHODS: A total of 203 patients with lumbar and sacral diseases, including lumbar fracture, lumbar spondylolysis and lumbar spinal stenosis, were recruited from Department of Spine & Osteopathy, the First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University between July 2008 and November 2014. Patients received pedicle screw placement in lumbar and sacral bone under the guidance of CT-based three-dimensional reconstruction navigation. Postoperative X-ray films and three-dimensional CT scan of lumbar bone were routinely examined in each patient. The accuracy of pedicle screw insertion was evaluated with postoperative CT scan according to Andrew classification.
RESULTS AND CONCLUSION: A total of 1 088 screws were inserted in the lumbar and sacral bone. The accuracy of pedicle screw insertion was rated as grade I in 1 068 screws (98.2%) according to postoperative CT scan. 152 cases were followed up for average 12 months without any complications, such as internal fixator displacement and rupture. Preoperative CT-based three-dimensional reconstruction navigation technique provides three-dimensional anatomical information, assists to develop pedicle screw insertion plan, enhances the accuracy and further improves the safety of pedicle screw insertion.

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Key words: Internal Fixators, Imaging, Three-dimensional, Follow-Up Studies

中图分类号:

R318

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Chen Xiao-ming, Chen Qian-fen, Xiao Zeng-ming, Zong Shao-hui. CT-based three-dimensional reconstruction navigation technique assisted pedicle screw placement in lumbar and sacral bone[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(9): 1447-1451.

图/表（结果） 1

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引言

椎弓根螺钉内固定系统广泛应用于腰椎骨折、腰椎滑脱及退行性改变等各种腰骶部疾患，具有生物力学性能优良, 固定牢靠和稳定性好等优点^[1]。目前尽管大多数的脊柱外科医生能够熟练地掌握腰骶椎弓根螺钉置入技术，但由于椎弓根局部解剖变化多端，神经血管分布复杂，徒手置入螺钉的失误率仍然高达13.4%^[2]。尤其是一些先天畸形和二次脊柱手术翻修的病例，由于骨性标志的变异和缺失，椎弓根螺钉置入的失败率明显增加。椎弓根钉置入的失误可导致严重的并发症，如内脏、大血管、脊髓及神经根损伤、硬膜撕裂及脑脊液漏等，此外由于椎弓根解剖结构受破坏，力学稳定性下降最终可能导致螺钉松动、移位或断裂。因此，如何提高置钉精度和降低置钉失败率是脊柱外科医生需关注的重点。计算机导航系统是近十几年发展起来的手术辅助工具，在骨科尤其是脊柱外科应用上已取得显著效果^[3-4]。它给术者提供了多个立体视角的手术导航图像，能将手术器械的相对位置，进钉点角度和深度的变化、植入物的长度及直径以虚拟的的形式实时显示更新，并能模拟手术器械的前进和后退，引导内固定螺钉准确置入椎体^[5-6]，减少术中X射线对人体的辐射^[7]。在一些先天畸形、多次手术返修的高难度的腰骶段手术中，使用导航系统毫无疑问能够提高置钉的优良率。但在常规的腰椎手术中，某些术者认为，腰椎弓根相对粗大，椎管宽，骨性标志明显，导航在腰椎弓根螺钉置入中意义不大，且延长手术时间^[8]。但综合国内外文献报道发现，使用导航系统也能明显减少腰椎弓根钉置入的失误率^[9-12]。

广西医科大学第一附属医院脊柱骨病科自2008年7月至2014年11月对203例腰骶部疾患患者进行术前CT三维重建虚拟导航，设计个体化修复方案，获得了满意的临床效果。

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材料方法

设计：回顾性病例分析。

时间及地点：于2008年7月至2014年11月在广西医科大学第一附属医院脊柱骨病科完成。

对象：选择2008年7月至2014年11月在广西医科大学第一附属医院脊柱骨病科行腰骶椎椎弓根螺钉内固定的患者203例，其中男111例，女92例；年龄24-67岁，平均43.5岁。病例组成为腰椎骨折52例，腰椎椎弓不连并滑脱39例，腰椎管狭窄症112例。

诊断标准：①有急慢性腰痛病史，有或无下肢放射痛，伴或不伴有间歇性跛行等相应体征。②影像学检查确诊为椎间盘突出、椎管狭窄、腰椎滑脱、腰椎压缩或爆裂性骨折。

纳入标准：①保守治疗无效，具备手术指征的患者。②手术方式均为腰椎后路减压及导航引导下椎弓根钉置入加椎体间或横突间植骨融合。③所用椎弓根钉均为韩国BK公司产品。④患者对治疗方案均知情同意并签署导航手术同意书，医院伦理道德委员予以批准。

排除标准：①具有明显内科并发症可能术中额外增加手术时间的患者。②椎弓根骨折、先天性椎弓根发育不良不允许椎弓根钉置入者。

材料：

脊柱内固定系统：本研究中所使用的脊柱内固定系统由郑州凯斯特医疗器械有限公司提供，韩国BK MEDITECH CO., LTD生产，其材质为钛合金材料TC4ELI，其化学成分符合GB/T 13 810中的规定，由椎弓根螺钉、可转向椎弓根螺钉、提拉复位椎弓根钉、固定螺帽、连接棒、横向连接器、可转向提拉复位螺钉、连接棒(HEX)、预弯连接棒、多米诺棒连接器、可转向棒连接器、髂骨螺钉、髂骨连接器及髂骨固定螺帽组成。螺钉直径为：4.0 mm、4.5 mm、5.5 mm、6.0 mm、6.5 mm和7.5 mm，长度为20-50 mm；横向连接器的规格有30 cm、35 cm、40 cm、45 cm、50 cm和55 cm；连接棒规格为40-500 mm。该脊柱内固定系统表面光滑，无锋棱、毛刺、附着物等缺陷，能够与生物体内组织和血液中的生化成份相容，材料不被腐蚀且对生物体不产生毒副作用。硬度(除连接棒) ≥ 260 HV10，抗拉强度(连接棒)≥ 900 MPa。

导航系统：美国枢法莫公司脊柱导航系统(Sofamar Danek stealthstation)，硬件包括专业图像工作站，参考架(使导航系统能实时跟踪患者和器械位置变化，包括主动和被动两种)，红外光电侦测仪(可及时监测参考架位置变化并对主动和被动手术器械瞬时跟踪)，多种携带红外示踪器的手术器械；所用的软件为synergy Spine 1.5(Pccket Guide，Medtronic)，该软件能很好地将CT数据重建成逼真的高分辨率虚拟图形，界面简洁明了，配合携带示踪器的手术器械，便于随时建立手术路径，实时显示置入螺钉的位置、角度和深度。

方法：术前先将患者的CT数据以DICOM格式写入光盘，然后在影像工作站通过光驱读入数据后，在工作站中重建虚拟的手术椎体，在虚拟椎体上制定手术计划。首先在虚拟的椎体上点选匹配点，匹配点选取6-9个点，应该选取手术中暴露于视野内的骨性结构，各点最好高低错落分布，避免多个匹配点处于同一水平面上(图1)。设置完成后术者将影像工作站放置于患者的脚端，将工作站上的空间定位红外探头的探测范围覆盖术野。所有手术均选择后正中切口。常规切开皮肤、腰背筋膜，骨膜下剥离椎旁肌，充分显露脊柱后柱棘突、椎板、上下关节突等后柱骨性结构。待后柱骨性结构充分暴露后，在手术节段相邻腰椎棘突上安装参考夹，参考夹固定后切勿触碰以免产生误差。注册探针和其他导航器械。术者用探针在患者脊柱后柱骨性结构上点出术前计划所选定的匹配点逐一进行匹配注册，将精度评价值控制在3.0范围以内就可以被工作站程序通过，即可根据监视器上的三维重建图像导航指引下选定进钉点，参考图像指示角度及方向，完成钉道准备(图2)，随后置入椎弓根螺钉。术中行C臂透视(GE公司，USA)确认置钉角度及位置准确。

主要观察指标：术后第3天行X射线片及CT扫描置钉节段以观察椎弓根螺钉置入的准确性，根据Andrew椎弓根螺钉CT位置分级标准对置入椎弓根螺钉位置进行评价^[13]：Ⅰ级：椎弓根螺钉未突破椎弓根皮质；Ⅱ级：突破皮质且≤ 2 mm；Ⅲ级：突破皮质且> 2 mm。准确率为Ⅰ级螺钉数量/椎弓根螺钉总数量(%)。

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讨论

精确置入椎弓根螺钉是后路腰椎融合手术的关键技术^[14]，需要术者具有完善的解剖知识、丰富的操作经验和周密的术前计划，尤其是腰椎畸形和发育异常的病例，以及严重骨质疏松影响置钉手感的病例，即便是有相当经验的脊柱外科医生，面对这样的病例，徒手置钉失败甚至损伤神经组织的潜在风险明显增高^[15-16]。传统的椎弓根螺钉置入，术中通常需C臂线透视监测螺钉是否正确置入，这种对患者和术者有着高辐射危险的定位方法已不能满足脊柱手术向微创化发展的需要。CT三维重建虚拟导航技术通过术前CT数据采集建立虚拟三维图像，术中注册点匹配后虚拟三维图像就能反应真实的三维关系，在虚拟的三维图像上预先设置好螺钉的最佳进钉点，直径及长度后，按照预定的路线立体动态置入螺钉。CT三维重建技术的优势在于可以更直观、完整地再现各种组织结构及其相对位置，使术者实时获得患者不同体位的三维图像信息，从而尽可能地避开手术危险区，并可利用相关软件，在模型上进行个体化手术设计和生物力学分析，使内置入物按预定的理想路径获得精确固定，缩短手术时间，减少术中出血，提高手术疗效^[17-19]。分析研究国内外文献所报道的数据发现，在计算机导航下腰椎弓根螺钉置入的失误率显著下降。Schulze 等^[20]对50例采用传统置钉术的患者术后行CT 扫描评估置钉精确性时发现20%的螺钉突破皮质。段新民等^[21]利用计算机3D技术精确设计钉道，腰椎置钉成功率高达98.8%，远高于传统手术组的81.4%。张彪等^[22]在导航辅助下置入胸腰椎弓根螺钉62枚，术后按Richter分类评估螺钉位置，置钉优良率达100%。本文203例患者均在术前CT三维重建虚拟导航引导下行腰骶骨椎弓根螺钉固定治疗，置钉准确率达到98.2%，也明显优于文献所报道的徒手置钉的准确率^[23-24]。

导航将术中脊柱位置与术前三维虚拟图像整合的过程称为注册，这一过程通过匹配来实现。在术前选定的标记点上安装参考夹，导航系统获取标记点位置信息后，便与术前三维虚拟图像上相应点的位置相比较并调整图像，即为匹配。由于腰椎的活动度比较大^[25]，为避免因体位变动而产生的误差，本组病例大多采用单椎体匹配。注册点的选择直接关系到导航的精度与速度，在腰椎后柱结构中所选取的6-9个注册点，应选取棘突，双侧上下关节突和椎板上下缘这些明显的骨性标记，如果上述的标记缺失，亦可选取残存的骨性边缘进行匹配注册，但需要手术医生具备较出色的空间定位能力。采用单椎体匹配注册时，术中必须确认椎体的序列，由于各腰椎的体积形态相差不大，误选相邻的椎板注册也有可能在允许的误差范围内通过，但是这样的注册结果会直接导致导航失败，因此建议在导航开始前拍摄C臂透视定位确认手术注册椎体。

术中的一些细节处理不当会明显的影响导航精度，延长手术时间。①参考夹必须稳定的夹持在骨性棘突上，手术操作中注意不要触碰到参考夹以免发生影像漂移，参考夹如果发生移位需重新匹配注册。②操作者及助手不要遮挡器械的红外线，接收器信号要保持绿灯状态，使用有线的导航器械是一种不错的选择。③匹配注册完成后，最好用导航器械点击指示手术野中明显的骨性标记物，如棘突、关节突等，观察导航的精度，标记物如明显偏移需查找产生误差的原因，如椎体序列错误等。④导航成像质量受患者手术体位、体表脂肪、骨密度、C 臂电压等诸多因素影响，成像质量的好坏直接影响置钉准确率。

CT三维重建虚拟导航辅助腰骶骨椎弓根螺钉内固定结合了临床医学、影像学、工程学及材料学等多门学科，需要术者具备丰富的计算机知识及手术经验，术者应充分理解导航原理，并在实践中提高操作技巧。由于导航术中需固定参考架，匹配注册，钉道准备等原因，每个螺钉平均置入所时间可能会超过传统方法置钉时间。作者在总结本组病例手术情况时发现，在使用导航的初期阶段，由于匹配注册耗时比较长，每枚螺钉平均置钉时间需10-20 min。通过近20余例病例应用后，匹配注册时间明显缩短，均在5 min内完成。掌握导航技术存在明显的学习曲线^[26]，因此反复的模拟操作以及半年左右近20例的导航手术对于初学者很有必要。

计算机三维数字重建技术能够精准地引导腰椎椎弓根螺钉置入，使手术医生能够高效率、实时三维立体地了解病变椎体的形态及结构，明确病变椎弓根的部位及范围，从而及时评价和调整手术方法，最大程度减少手术创伤，避免损伤组织和神经，提高修复效果。

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