数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确及安全性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.010

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读:

文题释义：

椎弓根：是椎弓的一部分，起于椎体后上部，短而厚，与椎体方向垂直向后方突起，其外形呈弧性，与椎体、关节突和椎板融合在一起，椎弓根是组成椎间孔的组成部分，其上方有一较浅的切迹构成椎间孔的下壁，椎弓根下方有一较深的椎弓根下切迹构成椎间孔的上壁。

计算机辅助手术：又为影像辅助导航手术，是利用计算机对数字化医学影像的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为医生从技术上提供支援，使手术更微创、更安全、更准确的一门新技术。

摘要

背景：椎弓根螺钉内固定已在儿童胸椎损伤中得到应用，常规方法更多的以徒手置钉为主，该方法虽然能满足手术需要，但是精度较低，并发症发生率较高，使得数字化影像导航辅助模块的运用成为可能。

目的：探讨数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确性及安全性。

方法：8具胸椎尸体标本采用随机数字方法分为徒手置入组和数字化影像导航辅助模块组，每组4具。徒手置入组行徒手置钉，数字化影像导航辅助模块组根据CT扫描结果结合逆向工程原理以及快速成型理论制作影像导航辅助模块，利用数字化影像导航辅助模块置入椎弓根螺钉。

结果与结论：①数字化影像导航辅助模块组一次置钉成功率显著高于徒手置入组(P < 0.05)；②数字化影像导航辅助模块组和徒手置入组均分别植入28枚螺钉，数字化影像导航辅助模块组置钉优良率为96%，显著高于徒手置入组的75%(P < 0.05)；③结果表明，采用数字化影像导航模块，能够有效的提高椎弓根螺钉置入成功率，并且该方法操作相对简单，易于掌握，能够根据每一位患儿情况制定个性化置钉方案。

ORCID: 0000-0002-1827-7249(黄琳)

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

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 数字化影像导航辅助模块, 儿童胸椎, 椎弓根螺钉, 准确性, 安全性, 手术成功率, 影像CT, 徒手置钉

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screw fixation has been used in children with thoracic injury. Conventional method is screw implantation by hand. This method can meet the needs of surgery, but its accuracy was low, and incidence of complications was high. The application of digital image navigation aid module is possible.

OBJECTIVE: To study accuracy and safety of digital image navigation aid module in thoracic pedicle screw placement.

METHODS: Eight thoracic vertebral bodies were equally and randomly assigned to the manual insertion group and the digital image navigation aid module group. Manual insertion group received manual screw insertion. In the digital image navigation aid module group, navigation aid module was made according to CT scan results combined with principle of reverse engineering and rapid prototyping. Pedicle screw was placed using the digital image navigation aid module.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Success rate of once screw set was significantly higher in the digital imaging navigation aid module group than in the manual insertion group (P < 0.05). (2) Twenty-eight screws were implanted in the digital image navigation aid module group and manual insertion group separately. The excellent and good rate of screw placement was 96% in the digital image navigation aid module group and 75% in the manual insertion group (P < 0.05). (3) These findings suggested that digital image navigation aid module can effectively improve the success rate of pedicle screw insertion. Moreover, this method is simple, easy to operate, and can make a personalized nail placement program for each child.

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: Child, Thoracic Vertebrae, Internal Fixators, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

黄琳，王龙，程瑞学，赵林静，王振梅. 数字化影像导航模块辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入的准确及安全性[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(39): 5840-5845.

Huang Lin, Wang Long, Cheng Rui-xue, Zhao Lin-jing, Wang Zhen-mei. Accuracy and safety of digital image navigation aid module for thoracic pedicle screw placement in children[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(39): 5840-5845.

图/表（结果） 3

参考文献

[1] 刘磊,孙琳, 孙记航,等.1-6岁正常小儿胸椎椎弓根形态学研究[J].中国脊柱脊髓杂志,2013,23(8):713-717.
[2] Fuster S, Vega A, Barrios G, et al.Accuracy of pedicle screw insertion in the thoracolumbar spine using image-guided navigation.Neurocirugia (Astur). 2010; 21(4):306-311.
[3] 史金辉,杨慧林,王根林,等.椎弓根内固定治疗合并脊髓损伤的胸腰椎骨折[J].国矫形外科杂志,2007,15(20): 1531-1532.
[4] 刘洪涛,镇万新,朱杰诚,等.经皮椎弓根内固定术在胸腰椎骨折中的应用[J].中国矫形外科杂志,2005,13(16): 1227-1229.
[5] 任东风,史亚民,侯树勋,等.后路短节段椎弓根内固定治疗无神经损伤胸腰段爆裂骨折[J].中国骨与关节损伤杂志, 2005,20(2):86-87.
[6] 张雪松,王岩,张永刚,等.全节段椎弓根螺钉与椎弓根钉、钩系统矫治单胸弯特发性脊柱侧凸的疗效比较[J].中国脊柱脊髓杂志,2008,18(3):182-186.
[7] Venmans A, Klazen CA, van Rooij WJ, et al. Postprocedural CT for perivertebral cement leakage in percutaneous vertebroplasty is not necessary-- results from VERTOS II. Neuroradiology. 2011; 53(1):19-22.
[8] 王建华,夏虹,吴增晖,等.数字骨科技术在儿童上颈椎手术中的应用[J].中国脊柱脊髓杂志,2012,22(6): 516-519.
[9] 夏天,王雷,董双海,等.椎间孔扩大减压结合改良经椎间孔腰椎椎体间融合术治疗退变性腰椎管狭窄症(22例3年以上随访)[J].中国矫形外科杂志,2012,20(24): 2242-2245.
[10] Li SG, Sheng L, Zhao H, et al. Clinical applications of computer-assisted navigation technique in spinal pedicle screw internal fixation. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2009;89(11):736-739.
[11] 樊友亮,丁亮华,何双华,等.腰椎后部结构生物力学研究进展及其临床意义[J].中国医师进修杂志,2011,34(11): 75-77.
[12] Li Q, Liu Y, Chu Z, et al. Treatment of thoracolumbar fractures with transpedicular intervertebral bone graft and pedicle screws fixation in injured vertebrae. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2011; 25(8):956-959.
[13] 张元智,杨勇,刘瑞,等.导航模板在单侧髋关节发育不良全髋置换术中的初步应用[J].内蒙古医学院学报,2010, 32(1):21-27.
[14] Zencica P, Chaloupka R, Hladíková J, et al. Adjacent segment degeneration after lumbosacral fusion in spondylolisthesis: a retrospective radiological and clinical analysis. Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 2010;77(2):124-130.
[15] Fan Chiang CY, Tsai TT, Chen LH, et al. Computed tomography-based navigation-assisted pedicle screw insertion for thoracic and lumbar spine fractures. Chang Gung Med J. 2012;35(4):332-338.
[16] 秦毅,李勇,李振宇,等.微创后路固定联合前路病灶清除植骨融合治疗胸腰段脊柱结核[J].中国矫形外科杂志,2014, 22(7):659-661,667.
[17] Ghaith el-S, Hodgson S, Sharp M. Laser surface alloying of 316L stainless steel coated with a bioactive hydroxyapatite-titanium oxide composite. J Mater Sci Mater Med. 2015;26(2):83.
[18] Melo RDS, Silva PWAD, Toscano CFDS.Avaliação postural da coluna vertebral em crianças e adolescentes com deficiência auditiva.Arquivos Int Otorrinolaringol. 2011; 15(2):195-202.
[19] Puelma F,Olave E. Relaciones del Origen del Tronco Celiaco, Arterias Mesentéricas y Renales con la Columna Vertebral en Individuos Chilenos. Int J Morphol. 2010;28(4):1227-1234.
[20] 史亚民,侯树勋,韦兴,等.青少年胸椎椎弓根影像学特征及其临床意义[J].中国矫形外科杂志,2003, 11(21): 1469-1472.
[21] 蔡志群,马琪峰.一期前路病灶清除钛网植入治疗胸腰椎结核[J].按摩与康复医学:下旬刊,2010,1(4): 101-102.
[22] 王建华,夏虹,吴增晖,等.数字骨科技术在儿童上颈椎手术中的应用[J].中国脊柱脊髓杂志,2012,22(6): 516-519.
[23] 郭新军,朱振军.人工珊瑚骨内固定手术治疗脊柱结核的临床效果分析[J].现代预防医学,2012,39(10): 2628-2629,2631.
[24] Park JH, Jeon SR, Roh SW, et al. The safety and accuracy of freehand pedicle screw placement in the subaxial cervical spine: a series of 45 consecutive patients. Spine (Phila Pa 1976). 2014;39(4):280-285.
[25] 陈世忠.椎间融合器与单纯椎间植骨法治疗退变性腰椎滑脱症的疗效分析[J].中国骨与关节损伤杂志,2010, 25(5):439-440.
[26] 邓必权,胡华,滕宇,等.椎弓根螺钉复位内固定后单纯植骨融合与椎间融合器融合治疗腰椎滑脱症的疗效比较[J].中国老年学杂志,2015,35(7):1823-1825.
[27] Botolin S, Merritt C, Erickson M. Aseptic loosening of pedicle screw as a result of metal wear debris in a pediatric patient. Spine (Phila Pa 1976). 2013;38(1): E38-42.
[28] 叶斌,孟祥龙,刘玉增,等.徒手置钉技术在脊柱畸形矫正中的准确性与安全性研究[J].脊柱外科杂志,2014,12(1): 25-34.
[29] Larson AN, Polly DW Jr, Guidera KJ, et al. The accuracy of navigation and 3D image-guided placement for the placement of pedicle screws in congenital spine deformity. J Pediatr Orthop. 2012; 32(6):e23-29.
[30] Zwingmann J, Hauschild O, Bode G, et al. Malposition and revision rates of different imaging modalities for percutaneous iliosacral screw fixation following pelvic fractures: a systematic review and meta-analysis.Arch Orthop Trauma Surg. 2013; 133(9):1257-1265.
[31] 池永龙,徐华梓,林焱,等.微创经皮椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折的初步探讨[J].中华外科杂志,2004,42(21): 1307-1311.
[32] Zhang QS, Lü GH, Wang XB, et al. The significance of removing ruptured intervertebral discs for interbody fusion in treating thoracic or lumbar type B and C spinal injuries through a one-stage posterior approach. PLoS One. 2014;9(5):e97275.
[33] 吴静,茅金宝,孔祥云,等.导航与普通透视对手术室医务人员放射量的对比分析[J].医学影像学杂志,2013,23(10): 1631-1634.
[34] Van de Kelft E, Costa F, Van der Planken D, et al. A prospective multicenter registry on the accuracy of pedicle screw placement in the thoracic, lumbar, and sacral levels with the use of the O-arm imaging system and StealthStation Navigation. Spine (Phila Pa 1976). 2012;37(25):E1580-1587.
[35] Villavicencio AT, Serxner BJ, Mason A, et al. Unilateral and bilateral pedicle screw fixation in transforaminal lumbar interbody fusion: radiographic and clinical analysis. World Neurosurg. 2015;83(4):553-559.
[36] 叶斌,孟祥龙,刘玉增,等.徒手置钉技术在脊柱畸形矫正中的准确性与安全性研究[J]. 脊柱外科杂志,2014,12(1): 25-34.
[37] Allam Y, Silbermann J, Riese F, et al. Computer tomography assessment of pedicle screw placement in thoracic spine: comparison between free hand and a generic 3D-based navigation techniques. Eur Spine J. 2013;22(3):648-653.
[38] Tse EY, Cheung WY, Ng KF, et al. Reducing perioperative blood loss and allogeneic blood transfusion in patients undergoing major spine surgery.J Bone Joint Surg Am. 2011;93(13): 1268-1277.
[39] Ee WW, Lau WL, Yeo W, et al. Does minimally invasive surgery have a lower risk of surgical site infections compared with open spinal surgery. Clin Orthop Relat Res. 2014;472(6):1718-1724.
[40] Zwingmann J, Hauschild O, Bode G, et al. Malposition and revision rates of different imaging modalities for percutaneous iliosacral screw fixation following pelvic fractures: a systematic review and meta-analysis. Arch Orthop Trauma Surg. 2013;133(9):1257-1265.

引言

材料方法

1.1 设计 随机对照性分析。

1.2 时间及地点 于2014年12月至2015年12月在新乡医学院第一附属医院完成。

1.3 材料

1.3.1 实验标本 8具尸体胸椎标本由新乡医学院第一附属医院提供，男4具，女4具，年龄6-13岁，平均(7.8±1.8)岁。标本范围包括完整的脊柱以及侧方和后方的软组织结构，且所有标本均经过拍片以及CT轴位扫描检查。排除合并骨质疏松及其他全身性疾病者。将8具胸椎标本采用随机对照方法分为徒手置入组和数字化影像导航辅助模块组，每组4具。

1.3.2 主要器材和仪器电钻、咬骨钳、球形探针、最小刻度为0.5 mm的直尺、直径2.5-5.0 mm的丝锥、各种型号的钛质螺钉、电动摆锯(呼和浩特市迈得佳医疗器械有限公司)；64排螺旋CT(Light Speed 64，美国GE公司)。
1.4 方法

1.4.1 置钉前检查对8具胸椎标本行CT扫描检查，设置扫描参数，将扫描获得的数据导入三维重建软件中进行胸椎三维模型的重建，并根据重建结果确定胸椎椎弓根置钉相关参数。将8具尸体标本沿着T₁_-₁₂棘突后方皮肤切开，清除相关软组织和韧带，充分暴露置钉位置^[15]。

1.4.2 置钉方法

徒手置入组行徒手方法置钉：将4具尸体标本根据CT扫描结果选择相应的螺钉，并参照Kim方法置入螺钉^[16]。置钉过程中凭借医师的临床经验将T₁-T₃以横突上缘与椎板外缘的延长线的交点、T₄-T₉以横突上嵴延长线与椎板的交点、T₁₀-T₁₂以横突的平分线与椎板外缘的交点分别作为置钉的进入点，确定位置后，采用胸椎开口器根据进钉角度等参数置入椎弓根，确定置钉通道是否通畅，并缓慢置钉^[17-19]。

数字化影像导航辅助模块组采用数字化影像导航辅助模块导航定位置钉：根据CT扫描结果结合逆向工程原理以及快速成型理论制作影像导航辅助模块，在数字化影像导航辅助模块定位下进行椎弓根螺钉置入：将置钉前获得的CT连续断层图像数据导入三维重建软件进行胸椎三维模型重建，并以STL格式导出。将获得的数据输入相关软件中，设计数字化影像导航模块，确定最佳进钉钉道^[20]。同时，置钉过程中将数字化影像下形成的胸椎椎板后部及棘突根部背侧模块与钉道相互结合，从而形成具备导航辅助的模块，并在软件上模拟制定的准确性，见图1A。根据快速成型技术将模型准确的导航模块制作实体模型，根据置钉条件将定位导向孔制作成厚2 mm，长10 mm，内径2 mm以及外径4 mm的空心圆柱体，见图1B。待辅助导航模块完成后，在CT下确定每一枚置入螺钉的直径和长度，螺钉长度为置钉通道的80%。置钉过程中左手握住模板，右手则采用定位导向孔钻出进钉点和进钉通道，利用丝锥攻丝缓慢置入螺钉^[21-22]。

1.4.3 置钉优良分级^[23-24] 优：螺钉未穿破椎弓根，置入的螺钉完全在椎弓根内；良：螺钉基本按照通道置入，固定良好，未出现组织的严重损伤；差：置入螺钉穿破椎弓根，且固定较差，损伤周围组织。

1.5 主要观察指标 两组尸体标本螺钉置入情况。
1.6 统计学分析 数据采用SPSS 18.0软件处理，计数资料采用n/%表示，进行卡方检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

目前，临床上使用的胸椎椎弓根螺钉置入方法相对较多，包括徒手法、X射线透视法、椎板开窗法以及计算机导航方法等^[25-26]。徒手法是胸椎椎弓根置钉中常用的方法之一，该方法对医师的专业技能和临床经验要求相对较高，医师在置钉过程中更多地依赖于自己的手感，以保证进钉的安全性和准确性^[27]。相关数据结果显示，徒手法置钉椎弓根皮质穿破率为6.2%-72.4%，而由于失误等引起的并发症发生率高达0-0.9%，影响患者治疗预后^[28-29]。X射线透视法虽然能进一步提高置钉的安全性，但是由于X射线照相质量相对较低，导致置钉误差率在12.7%-72.4%，再加上患者手术过程中长时间X射线照射容易增加手术风险，影响患者治疗预后^[30-31]。

近年来，数字化影像导航辅助模块在儿童胸椎椎弓根置钉中得到应用，且效果理想。该研究中，数字化影像导航辅助模块组一次置钉成功率显著高于徒手置入组(P < 0.05)；数字化影像导航辅助模块组非一次置钉成功率显著低于徒手置入组(P < 0.05)。数字化影像导航辅助模块和其他置钉方法相比优势较多，该方法制定准确性、安全性较高^[32-33]。相关学者进行了一次实验，实验结果显示：通过建立导航模板指导胸椎椎弓根螺钉置钉能取得理想的治疗效果^[34-35]。由于脊柱发育在不同年龄段的解剖学上存在较大的差异，并且年龄越小脊柱软骨成分越复杂，儿童胸椎尚未发育成熟，椎弓根相对较细，具有其独特的解剖学特点，导致椎弓根置钉过程中风险较高^[36-37]。数字化影像导航辅助模块的应用则能够规避上述风险。数字化影像导航辅助模块在运用过程中，首先对患者进行CT连续扫描，经过相应的数字化影像技术构建三维数字解剖表面模型，并且以该模型为基础确定最佳的置钉钉道，然后结合逆向工程软件建立相应的实体模型，从而能够确定每1枚螺钉的置入位置和置入方向，更加体现了椎弓根螺钉的数字化、影像化原则^[38]。该研究中，数字化影像导航辅助模块组和徒手置入组均分别植入28枚螺钉，数字化影像导航辅助模块组置钉优良率为96%，显著高于徒手置入组的75% (P < 0.05)。儿童胸椎椎弓根螺钉置入过程中使用数字化影像导航辅助模块能够显著增加模板与椎体间的接触面积，从而能够提高模板应用时的稳定性，避免了手术过程中由于体位的变化或者相邻椎体之间的位移而影响制定的精度，手术操作相对简单，对于医师专业技能要求相对较低，能够进一步提高椎弓根置钉的准确性和安全性^[39]。该研究中，数字化影像导航辅助模块组置入螺钉后CT扫描以及X射线片显示：螺钉进钉点相对准确，进钉方向适当，全部螺钉均准确进入相应的椎弓根及椎体内^[40]。

综上所述，椎弓根螺钉内固定治疗过程中采用数字化影像导航模块效果理想，能够有效的提高置钉成功率，并且该方法操作相对简单，易于掌握，能够根据每一位患儿情况制定个性化置钉方案，具有较高的临床应用价值。

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