X射线透视辅助徒手法与CT三维图像导航下颈椎椎弓根置钉准确率的对比

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.11.021

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

三维重建：是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。

CT平扫：又称普通扫描，是指静脉内不给含碘对比剂的扫描，通常用于初次CT检查者，CT平扫最重要的是掌握各个不同部位或器官以及兴趣区的层厚和层距技术，当层厚等于层距时即为连续扫描，相临层面之间无间隙，当层厚小于层距时，两相临层面之间留有空隙。层厚选择取决于受检部位或器官以及病灶大小而定。

摘要

背景：临床上颈椎椎弓根导航方法相对较多，均能提高围术期置钉准确率，但是这些导航系统尚存在许多不完善之处，如图像质量不高、操作复杂繁琐、实时性差或导航存在创伤性等，难以达到预期的置钉效果。

目的：对比X射线透视辅助徒手法与CT三维图像导航下颈椎椎弓根置钉的准确率。

方法：取南阳医学高等专科学校第一附属医院收治的颈椎椎弓根置钉患者90例，随机分为2组(n=45)，徒手组在X射线透视辅助下徒手法置入132枚颈椎椎弓根螺钉，三维导航组在CT三维图像导航下置入128枚颈椎椎弓根螺钉，记录2组置钉时间、出血量；2组术后均行CT平扫，完成三维重建，比较2组颈椎椎弓根螺钉置钉准确率。

结果与结论：①三维导航组围术期置钉优良率95.3%显著高于徒手组88.6%(P < 0.05)；②三维导航组置钉时间显著长于徒手组(P < 0.05)，置钉出血量显著多于徒手组(P < 0.05)，导航匹配时间及辐射量小于徒手组(P < 0.05)；③2组术前JOA评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)；三维导航组术后3，6个月JOA评分均显著高于徒手组(P < 0.05)；④三维导航组并发症发生率7%低于徒手组16%(P < 0.05)；⑤结果提示，与X射线透视辅助徒手法置钉相比，CT三维图像导航能提高颈椎椎弓根置钉准确率，提高手术安全和精确性。但是CT三维图像导航置钉方法操作相对繁琐，耗费时间较长，造成患者术中出血量较大，应根据患者情况选择合适的置钉方法。

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
ORCID: 0000-0002-5928-0137(余伟)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 置钉准确率, X射线透视, 徒手法, CT三维图像, 颈椎椎弓根置钉, 置钉时间, CT平扫, 三维重建, 导航方法

Abstract:

BACKGROUND: Navigation systems all can improve the accuracy rate in cervical pedicle screw insertion, but cannot achieve desired outcomes because of some shortcomings, such as poor imaging quality, complicated operation, poor real-time performance, and invasive navigation.

OBJECTIVE: To study the accuracy of X-ray fluoroscopy and CT three-dimensional image navigation in cervical pedicle screw insertion.

METHODS: Totally 90 patients undergoing cervical pedicle screw insertion from the First Affiliated Hospital of Nanyang Medical College were enrolled, and randomly divided into control and experimental groups (n=45 per group). 132 cervical pedicle screws were inserted into the patients in the control group manually under X-ray fluoroscopy, and 128 ones were inserted into the patients in the experimental group assisted with CT three-dimensional image navigation. The operation time and intraoperative blood loss in the two groups were recorded. Postoperative CT three-dimensional reconstruction was performed to compare the placement accuracy between two groups.

RESULTS AND CONCLUSION: The excellent and good rate of placement in the experimental group (95.3%) was significantly higher than that in the control group (88.6%, P < 0.05). (2) The operation time and intraoperative blood loss in the experimental group were significantly higher than those in the control group, and the navigation matching time and radiant quantity in the experimental group were significantly less than those in the control group (P < 0.05). (3) The Japanese Orthopedic Association scores showed no significant difference between two groups before surgery (P > 0.05), and were significantly improved in the experimental group compared with the control group at 3 and 6 months postoperatively (P < 0.05). The incidence of complications in the experimental group was significantly lower than that in the control group (7% versus 16%, P < 0.05). (5) These results suggest that compared with X-ray fluoroscopy, CT three-dimensional image navigation can improve the accuracy of cervical pedicle screw insertion, showing higher safety and precision. However, it needs complicated operation skills, and long operation time results in massive intraoperative blood loss; thereafter, choosing which placement method depends on the patient condition.

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

Key words: Cervical Vertebrae, X-Rays, Imaging, Three-Dimensional, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

余伟，王蕾，何思峰，郭红斌，刘东升. X射线透视辅助徒手法与CT三维图像导航下颈椎椎弓根置钉准确率的对比[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(11): 1758-1763.

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图/表（结果） 2

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引言

鉴于脊柱外科手术自身特点和脊柱复杂的解剖结构等，导致手术难度、危险性较大，围术期患者更多的考虑手术的安全性和精确性^[1]。国外学者于1992年首次将Stealth Station导航系统运用于脊柱外科手术中，并且后经不断发展衍生出多种不同类型的脊柱导航系统，这些导航系统在提高手术置钉精度和手术安全性等方面均发挥了重要的作用^[2-3]。但是，从临床使用效果来说，各种导航系统在置钉过程中尚存在许多不完善^[4]。X射线透视是颈椎椎弓根置钉中使用最广的导航方法，该方法能提高置钉准确率，减少手术创伤。但是，X射线导航时对人体有损伤，并且射线照射越多，危险性越大^[5-6]。同时，X射线透视时实时性较差，术前获得的导航数据与术中脊柱解剖结构匹配度较低，难以真实的反应脊柱周围组织关系，甚至会误导医师，难以达到预期的手术治疗效果^[7]。

随着医疗技术的不断发展，计算机图像处理技术、红外光学立体定位技术、机器人技术等均得到应用，从而形成了一项新的医学生物工程技术——计算机辅助外科手术技术，而在骨科领域被称为计算机辅助骨科手术技术，该方法能在三维图像的实时指导下提高手术精确性^[8-9]。目前，计算机导航在脊椎置钉过程中导航主要由三种类型，即：X射线透视二维图像导航、CT三维图像导航、ISO-C3D导航。CT三维图像导航能为医师提供清晰的三维图像，并且在导航下操作更加直观，能提高手术成功率^[10]。文献报道显示，在导航系统辅助颈椎椎弓螺钉内固定手术中，CT三维图像导航最为适用^[11]。Dodd等^[12]采用CT三维图像导航系统导航颈椎椎弓螺钉置入，结果显示，CT三维图像导航置钉满意率为96%，且未发生椎弓根皮质穿破。提示CT三维图像导航适用于颈椎椎弓根螺钉内固定手术，但是采用该方法导航时患者的置钉准确率尚缺乏研究。

试验选择南阳医专第一附属医院收治的颈椎椎弓根置钉患者90例作为研究对象，探讨X射线透视辅助徒手法与CT三维图像导航下颈椎椎弓根置钉的准确率，为提高手术成功率提供数据。

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材料方法

1.1 设计 随机对照试验。

1.2 时间及地点 于2015年1月至2016年1月在南阳医学高等专科学校第一附属医院完成。

1.3 材料 椎弓根螺钉系统主要包括椎弓根螺钉、纵行固定杆、横连杆、固定螺钉，其材质为钛合金。螺钉直径3.0-6.5 mm，长度30-45 mm，销售厂家为上海天科贸易有限公司，生产厂家为Blackstone Medical Inc.。

1.4 对象 纳入南阳医学高等专科学校第一附属医院放射科收治的颈椎椎弓根置钉患者90例，按随机数字表法分为徒手组和三维导航组(n=45)。徒手组中12例脊髓型颈椎病，13例神经根型颈椎病，6例后纵韧带骨化症，13例颈椎骨折脱位，1例肿瘤；三维导航组中10例脊髓型颈椎病，12例神经根型颈椎病，5例后纵韧带骨化症，14例颈椎骨折脱位，4例肿瘤。

纳入标准：①符合颈椎椎弓根内固定术临床诊断标准^[13-14]；②入院后均存在颈椎曲度异常或(和)颈椎节段性不稳定；③入院时伴有不同程度的颈椎疼痛、活动受限；④患者及家属对围术期导航方式知晓同意，且经医院伦理委员会批准、同意。

排除标准：①合并有影响效应指标观测、判断其他生理或病理者；②合并严重心、肝、肾功能异常者；③合并传染性疾病及意识不清或存在精神障碍者。

主要仪器与设备：64排螺旋双源CT(德国西门子公司)，C臂X射线透视机(德国西门子公司)，骨科手术导航仪(美国美敦力公司)，CT三维图像导航配套软件(美国美敦力公司)，颈椎手术器械包1套(医院提供)。

1.5 方法

1.5.1 术前准备术前拍摄X射线颈椎片，并且在层厚为 1 mm的螺旋CT扫描和MRI检查，了解患者术前颈椎椎体及附件的形态、大小，了解椎弓根的解剖结构、椎体及椎弓根是否完整等，根据每一位患者检查结果确定椎弓根螺钉的进钉点、置钉角度及选择合适的螺钉直径、长度。同时，术前完善患者常规检查、辅助检查及实验室检查等。三维导航组术前需要对层厚为1 mm的CT影像进行拷贝，将获得的数据输入导航系统中进行处理完成颈椎提的三维图像，标记进钉点、进钉方向和长度^[15-16]。

1.5.2 置钉过程围术期密切加强患者心电监护，动态了解患者生命体征，患者行全身麻醉，待麻醉生效后进行消毒、铺巾，根据术前影像检查结果确定手术阶段。术中以病椎中心后正中纵形切口切口匍匐，剥离椎体周围的组织，充分暴露病椎横突^[17-18]。

徒手组：在X射线透视辅助徒手法置入132枚颈椎椎弓根螺钉。根据患者术前检查结果选择横突中部作一条水平线，沿着关节突关节中部作一条垂直线，2条直线的交点即为进钉点。置钉前先采用锥子从后外斜向前内侧，与矢状面构成10°角方向平行于椎体终板进针，并向椎弓根内缓慢拧入螺钉。采用相同的方法完成定位，进钉。置钉完毕后在C臂X射线下观察螺钉的置入位置，置钉满意后进行下一步操作^[19-20]。

三维导航组：在CT三维图像导航下置入128枚颈椎椎弓根螺钉。根据患者术前检查结果启动导航系统，固定好示宗器，保证红外线能接收到稳定的信号，连接好数据线，并将有红外线反射球的参考架固定在病椎相邻椎体棘突上，调整位置，使得能与发射红外线的追踪器相互感应，安装完毕后采用探针进行点对点注册、匹配，导航系统自动计算出导航精度(匹配越完全，导航精度越高)^[21-22]，见图1。

医生在围术期将CT三维图像导航绘制的实际位置数据与术前CT影像进行比较，精确的拟合出虚拟的手术阶段三维图像并且在导航仪上显示节段椎体的横断面、矢状面、冠状面及重建的三维图像，根据三维图像情况由示宗器选择最佳的椎弓根螺钉进钉点、方向，选择合适螺钉的直径、长度，并在导航系统下完成颈椎椎弓根螺钉的置入，见图2^[23-24]。

1.5.3 术后处理 2组患者术后均卧床休息，根据患者恢复情况拔除术区引流管，定期复查颈椎X射线，并采用双能CT进行平扫，完成三维重建^[25-26]。

1.6 主要观察指标

1.6.1 置钉优良率 2组置钉后1个月对螺钉优良率进行评定。优：置钉位置、方向准确，且螺钉均在椎弓根内；良：置钉位置、方向存在误差，但是在允许范围内，部分螺钉穿出椎体；差：置钉位置、方向误差较大，多数螺钉穿出椎体^[27-28]。

1.6.2 围术期指标观察2组置钉时间、置钉出血量及导航匹配时间。

1.6.3 日本骨科学会(Japanese Orthopaedic Association，JOA)评分观察2组术前、术后3个月、术后6个月JOA评分情况，主要包括主观症状(9分)、临床体征(6分)及日常活动受限度(14分)，得分越高，术后恢复越好^[29-30]。

1.6.4 安全性观察2组患者术后并发症发生率，包括切口感染、切口不愈、置钉松动等。

1.7 统计学分析 采用SPSS 18.0软件处理，计数资料采用n/%表示，行卡方检验；计量资料采用x(_)±s表示，行t 检验，P < 0.05提示差异有显著性意义。

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讨论

生物力学研究结果显示，颈椎椎弓根内固定技术具有稳定的生物力学，显著优于其他内固定技术。从理论上来说，对于需要颈椎重建患者，只要椎弓根结构完整，患者均符合颈椎椎弓根螺钉内固定手术治疗^[31-32]。随着医疗技术的不断发展，颈椎椎弓根置钉准确率得到进一步提高。

但是，由于每一位患者存在明显的个体差异性，使得置钉风险率仍然较高。因此，临床上采取有效的措施提高椎弓根螺钉置钉准确率对提高手术成功率，降低术后并发症发生率具有重要的意义^[33]。

目前，临床上椎弓根螺钉植入导航方法有二维透视导航、三维透视导航、核磁共振导航等。二维透视导航价格相对廉价，并且围术期操作简单，能为医生提供实时颈椎解剖影像结构。但是，二维透视仅能获取二维图像，不能获得患者颈椎部位的三维立体图像，导致置钉准确率十分有效^[34]。三维透视导航利用ISO-C3D、Vario 3D及不同软件进行导航，该导航方法能为医生提供轴位、矢状位及冠状位图像，能获得预期的置钉准确率。但是，该导航方法所需时间相对较长，数据的处理相对复杂，容易引起获得图像质量较低，并且该导航方法受到的影响因素较多^[35]。而核磁共振导航对于骨骼的显示不如CT，并不适用于脊柱内固定手术导航。近年来，CT三维图像导航在颈椎椎弓根置钉导航中得到应用，且效果理想。本研究中三维导航组围术期置钉优良率为95.3%，徒手组优良率为88.6%，2组置钉优良率比较差异有显著性意义(P < 0.05)。CT三维图像导航是一种新型的导航模式，该导航模式下能为医生提供高质量的导航影像，能有效的提高颈椎椎弓根置钉准确率，并且该导航操作相对简单，医生能在直视状态下完成螺钉的植入，从而能促进患者术后恢复^[36]。本研究中，2组术前JOA评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)；三维导航组术后3，6个月JOA评分，高于徒手组(P < 0.05)。三维导航组并发症发生率低于徒手组(P < 0.05)。由此看出，CT三维图像导航更加有助于患者术后恢复，降低术后并发症发生率较低，提高手术成功率。但是临床上CT三维图像导航时也存在一些不足，由于CT三维图像导航系统原理相对复杂，操作也比较繁琐，掌握该导航方法需要一定的时间和过程，医师需要首先了解其导航的工作原理，了解该导航的特点和不足，并且需要多次进行操作^[37-38]。同时，CT三维图像导航耗时时间相对较长，导致患者围术期置钉时间较长，使得患者围术期出血量较多，从而增加了患者痛苦。此外，CT三维图像导航时为了保证螺钉植入位置的准确性，导航使用前需要进行精确的匹配，并且需要多层次的注册匹配，直到达到术中满意的导航精度^[39]。本研究中，三维导航组置钉时间显著长于徒手组(P < 0.05)，出血量显著多于徒手组(P < 0.05)，导航匹配时间短于徒手组 (P < 0.05)。因此，临床上颈椎椎弓根置钉患者术前应加强患者常规检查，了解患者病椎的类型、数量等，根据患者身体状况、经济水平等选择合适的导航方式，术后叮嘱患者复查，对于异常患者立即采取有效的措施应对处理。

综上所述，与X射线透视辅助徒手法置钉相比，CT三维图像导航能提高颈椎椎弓根置钉准确率，提高手术安全和精确性。但是，CT三维图像导航置钉方法操作相对繁琐，耗费时间较长，造成患者术中出血量较大，应根据患者情况选择合适的置钉方法。

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