上颈椎手术方式回顾及应用机器人辅助上颈椎手术的体会

田伟 王晋超 刘亚军 范明星 北京积水潭医院 （北京 100035）

上颈椎手术方式回顾及应用机器人辅助上颈椎手术的体会

田伟 王晋超 刘亚军 范明星 北京积水潭医院 （北京 100035）

文章回顾了上颈椎常用内固定术式及各种术式的优缺点。总结了上颈椎手术存在的问题即手术风险高，精确度不足。分析了机器人辅助上颈椎手术在精确性、安全性上的优势。并以天玑机器人系统辅助上颈椎手术的案例分析说明天玑机器人系统辅助上颈椎手术能明显提高手术精确性和安全性，同时不会延长手术时间。

上颈椎 机器人 螺钉

上颈椎包括寰椎和枢椎，起着支撑头颅、参与颈椎生理运动的作用，同时兼具保护脊髓、神经根和椎动脉的功能。寰椎与枢椎的椎体高度特化，形态结构及椎间连接方式与其余脊椎完全不同。寰椎没有椎体，由左右两枚侧块及上下关节突、一个直而短的前弓及一个长而弯曲的后弓组成。后弓后上方则有椎动脉沟，椎动脉上行出寰椎横突孔，向后、外、上方走行绕过侧块，跨过此沟，再进入颅腔[1]。寰椎前弓后的关节面与枢椎向上伸入寰椎的齿状突共同形成寰枢关节。

寰枢椎之间的轴向旋转范围很大，大约有47˚左右，颈部50%的旋转发生在其间。活动性大意味着稳定性薄弱，寰枢椎的稳定性主要由寰枢侧块关节囊和寰枢关节周围的横韧带，翼状韧带和齿突尖韧带维持，其损伤或松弛会影响寰枢椎的稳定性，造成不同程度的脱位。退行性变、创伤、先天性畸形、炎症或肿瘤均可能影响寰枢椎的稳定性，引起高位脊髓、神经根和椎动脉压迫，产生相应的症状，需要通过复位减压内固定手术治疗[2]。

1.上颈椎内固定手术方式

寰枢椎内固定技术分为6种主要类型：钢丝/钛缆内固定植骨、椎板夹内固定、经侧块关节螺钉内固定、螺钉-钢板内固定、钉棒系统内固定（包括C1螺钉、C2螺钉和钉棒）以及螺钉-椎板钩内固定。钢丝/钛缆内固定植骨是最早的寰枢椎内固定方式，现在常与螺钉内固定技术同时使用以达三点固定的效果，很少单独使用。螺钉-椎板钩系统是近年新兴的内固定方式，可应用于寰枢椎或周围血管神经根畸形难以置钉的患者，已有生物力学实验证明其稳定性与钉棒系统相当，但目前临床应用尚不多[3]。早期的螺钉-钢板内固定为现行的寰椎侧块-枢椎椎弓根螺钉内固定的前身，因手术操作复杂且需损伤C2神经节而不再使用。目前，侧块关节螺钉是寰枢椎融合的金标准。2008年Kelly等[4]提出钉棒连接寰椎后弓钢板与枢椎椎板螺钉的技术，证明可提供安全有效的内固定，虽尚未在临床广泛运用，但随着技术进步带来的置钉准确性提升，钉棒系统逐渐成为更常用的内固定方式。

1.1 Magerl经关节螺钉内固定术

在1992年，首次提出经寰枢椎经关节螺钉内固定术，手术取后路正中切口，复位寰枢椎后分别将两枚螺钉由下至上依次穿过两侧枢椎上关节突和寰枢椎关节突关节面后进入寰椎侧块。能完全阻止寰枢关节的旋转运动，提供了极好的旋转稳定性，并有助于提高融合率。可同时进行钛缆植骨内固定提供三点稳定。Magerl经关节螺钉内固定术适用于可复位的寰枢椎半脱位的患者及合并寰枢椎后部结构骨折或需椎板切除减压的患者。除非患者合并严重骨质疏松，一般术后不需要外固定，可提高患者的生活质量。既往文献报告Magerl经关节螺钉内固定术融合率在96%～99%，长期随访患者颈部疼痛及神经症状有不同程度改善[5-7]。

然而，Magerl经关节螺钉内固定术不适用于难以复位的寰枢椎脱位。且因合并粉碎性骨折或寰枢椎骨性结构、椎动脉和神经根的解剖变异，有7%～23%的患者无法双侧置钉[8,9]。此外，寰枢椎经侧块关节螺钉内固定对术者技术要求很高，学习曲线陡峭，尤其对伴有解剖畸形的患者，可能只有一次置钉机会，需要极高的置钉精确性，通常需要在X射线透视或计算机导航下完成，近期已有在机器人辅助下完成高难度置钉的报道[10]。Magerl经关节螺钉内固定的主要并发症为椎动脉损伤，文献报告置钉偏差率为2%～15%，椎动脉损伤率为2.4%，还可能损伤脊髓和舌下神经[5,6,11,12]。

1.2 寰枢椎钉棒系统

寰枢椎钉棒系统由C1螺钉、C2螺钉和连接二者的连杆组成。多为寰椎侧块螺钉连接枢椎椎弓根、峡部或椎板螺钉。相比Magerl经关节螺钉内固定术，钉棒内固定优势在于降低了椎动脉损伤的可能，并可进行寰枢椎复位。有研究表明，钉棒系统与其他内固定方式相比更加稳定，且并发症较少[13-15]。

2001年，Harms首先使用钉棒连接寰椎侧块螺钉、枢椎椎弓根螺钉内固定[16]。这种技术无需后部结构完整，无需寰枢椎完全复位，可同时进行椎板切除减压术，亦可对难复寰枢椎脱位或畸形给予固定。当后部结构完整时，可同时进行钛缆固定植骨提供更稳定的三点固定。在Harms内固定术式的基础上又延伸出许多术式，2004年Wright[17]提出寰椎侧块-枢椎椎板钉棒结构[18]。这种技术可作为枢椎椎弓根螺钉置入失败后的备选方案，也可用于一些高位椎动脉畸形难以置入其他螺钉时。因为螺钉的全长均在术野内，使得置钉过程更安全，椎动脉损伤的风险最低。在尸体标本的生物力学分析显示椎板螺钉在抗拔出力和旋入力矩优于峡部螺钉[19]。潜在并发症包括穿破皮质造成脑脊液漏或脊髓损伤。另外如果螺钉太长，则可能损伤C2/C3关节突关节。枢椎峡部螺钉与Magerl螺钉的钉道相似，螺钉的长度明显更短，螺钉不会越过侧块关节面。并发症也与Magerl螺钉相似[20]。不同钉棒系统的区别主要在于枢椎螺钉由椎弓根螺钉改为峡部螺钉、椎板螺钉等，但有研究表明，与其余枢椎螺钉相比，枢椎椎弓根螺钉的旋入力矩和抗拔出力最强。

此种内固定方式已逐渐成为最热门的寰枢椎内固定技术。Harm技术多轴螺钉内固定术后3～6个月随访示骨融合率为94%～100%，患者术后脊髓功能障碍与颈痛均有明显缓解21。但寰枢椎结构复杂，解剖变异多，为了安全地置入寰椎、枢椎螺钉，术者应对寰枢椎结构及邻近椎动脉走行十分熟悉。

Harm法寰椎置钉错误率为0～4%，枢椎为0～7%[16,21,22]。可能的并发症与经关节螺钉相同。由于上颈椎解剖变异较多见，术前应行增强CT明确椎动脉走行，术中常用透视或计算机辅助技术，甚至机器人辅助手术技术提高置钉的准确率，减少并发症的发生率。

2.机器人上颈椎手术优越性

上颈椎区解剖结构复杂，毗邻重要结构，需要极高的手术精度。上颈椎因骨折、先天畸形等解剖形态发生改变时手术难度更大。临床医生通常需要长时间的培养和经验积累才能够完成上颈椎螺钉内固定手术。椎弓根置钉时首先要在椎弓根中钻出钉道，然后才能将螺钉拧入。颈椎椎弓根螺钉通常直径为3.5mm，解剖学研究表明国人枢椎椎弓根最窄处平均为5mm。一项研究以数学方式计算得出，较理论上最佳钉道移位小于1mm、偏斜＜5˚的置钉不易损伤椎弓根皮质及周围结构，可认为是理想的置钉[23]。而枢椎弓根毗邻椎动脉、神经根和高位脊髓等重要解剖结构，如果螺钉穿出椎弓根皮质，可能造成灾难性的后果。

临床上对提高精确度的需求推动着置钉方法和精确性的不断进步，但仍无法避免脊髓、神经或椎动脉损伤的风险[24-26]。应用传统方法即根据解剖标志盲打时由于不能实时看到开路器或螺钉的位置，置钉准确性不佳。X射线透视下置钉准确率较盲打有所提高，但术中只能通过二维图像推断螺钉方向，且患者和医务人员X射线暴露量大。CT导航计算机辅助导航置钉准确率比X射线透视导航更高，可实时看到开路器或螺钉在椎弓根中的位置，缺点是医生在置钉同时需分散精力关注导航显示器。另外，以上所有的置钉方法都无法避免受人体机能所限产生的操作颤抖、滑移等导致的精确度下降。

随着近年计算机导航技术和机械工业的发展，脊柱手术机器人应运而生。机器人具有精度高、重复性好、耐疲劳等优点，能够突破人体机能的限制，进一步提高手术精确性[27]。自2015年起，我们开始尝试使用机器人辅助技术来进行上颈椎手术，避免上述上颈椎手术中存在的置钉精确性低及安全性差等问题[10]。

天玑机器人系统（北京积水潭医院与北京天智航医疗科技股份有限公司共同研发）是一种机器人辅助脊柱外科手术装备，该系统由移动式6自由度机械臂系统、光学跟踪系统和手术规划及导航系统共同组成。是目前世界上唯一能够被应用于临床完成上颈椎手术的机器人系统。

2015年8月至2016年2月，我们在天玑机器人系统的辅助下完成了3例上颈椎手术，患者平均年龄49岁，包括两名男性与一名女性患者。3例病例包括两例寰枢椎畸形与1例寰枢椎骨折。根据术前影像学资料设计钉道后，术中在天玑机器人辅助下，共置入了6枚螺钉，其中1名患者为经皮置入，其余2名患者为开放下置入。术后复查CT，所有螺钉均未损伤周围皮质，置钉精确度为100%。经过术后拟合，入点偏差为（1.15±0.46）mm，出点偏差为（1.31±0.23）mm，综合偏差为（1.24±0.28）mm。所有患者术后均恢复良好，未出现颈痛、医源性脊髓功能恶化等神经损伤症状及椎动脉损伤。所有患者伤口愈合均良好。

自1985年PUMA机器人参与完成了历史上第一台机器人辅助手术以来，已有近20款脊柱外科领域相关的辅助机器人出现。其中最受关注的是以色列的SpineAssist、法国的ROSA和瑞士的Neuroglide[28-31]。SpineAssist已通过FDA与CE认证，其安全有效性经多中心临床试验证实，可明显提高置钉的精确度，ROSA脊柱机器人也于2016年通过FDA认证，有临床试验证明其可提高置钉精确度[29,30]。以上两种脊柱机器人均已在临床展开运用，但其使用范围主要为腰椎或胸椎。Neuroglide机器人系统是由支撑结构与悬挂在手术区域上的紧凑型机器人、光学追踪与导航系统组成，适用于上颈椎，但其精确度尚不能满足临床应用。而我国自主研发的天玑机器人系统是目前唯一能够完成临床上颈椎区手术的机器人系统。

Kostrzewsk运用neuroglide机器人系统经后路在6具人体标本的上颈椎中置入了14枚螺钉，其中两枚因某些原因误差偏差明显较高，其余12枚的入钉点偏差为（1.94±0.89）mm，置钉精确度明显低于天玑机器人系统[31]。在临床体会中，手术机器人辅助上颈椎手术能够显著提高上颈椎手术的精确性，减小并发症的发生，同时手术时间并没有明显延长。

3.展望

机器人辅助手术技术是结合了医疗、材料、传感技术及影像技术等关键学科的综合产物，其发展的关键主要在于图像的重建及导航系统精度及安全性的提高。术中机器人系统需要将术中C型或O型臂扫描重建的三维图像与术前CT匹配，根据术前CT上设计的钉道调整机械臂的位置方向。但重建三维图像存在一定的扭曲，会造成置钉的偏移，如果能够改善术前CT及术中扫描三维重建的算法，使之二者更贴近于现实，并能更精确地匹配，会减少其带来的误差。另一方面，目前机器人导航追踪使用的NDI Polaris光学组件存在0.35mm左右的误差。通过未来导航系统精度的提升，此方面的误差也会得到改善。此外，随着机器人技术的不断发展，未来机器人将由辅助工具逐渐转变为手术的主要操作者，因此必须不断完善其安全措施。一方面要逐渐完善机器人的操作程序，保证机器人只进行被设定好的操作；另一方面要为其增添力学反馈传感器、视频音频传感器，保证操作失误时机器人可以及时自动停止操作，以防进一步损伤。

上颈椎手术是脊柱外科难度最大、风险最高的手术。其学习曲线陡峭，通过长期的临床实践才能逐渐掌握其技巧。如何提高上颈椎手术安全性与精确性一直是外科医生面临的巨大挑战。医疗机器人在上颈椎手术中的成功应用明显提高了上颈椎手术的精确性和安全性。从中不难想象医疗机器人的广阔发展前景，它是医生的一双慧眼和妙手，可以使现有的手术变得更加安全，更可以帮助医生突破自身限制，推动外科治疗向着更精准、更微创的方向发展，是我国精准医疗发展的重要方向。

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Review of Upper Cervical Spine Surgery and Application Experience of Robot Assisted Upper Cervical

TIAN Wei WANG Jin-chao LIU Ya-jun FAN Ming-xing Department of Spine Surgery, Beijing Jishuitan Hospital (Beijing 100035)

This paper reviewed the commonly used internal fxation surgeries of the upper cervical spine. Summarized the challenges of upper cervical operation, such as high risk and lack of accuracy. Analyzed the superiority of robot-assisted upper cervical surgery in accuracy and safety. And introduced the application experience of robot-assisted upper cervical spine surgery , that the TiRobot system can signifcantly improve the accuracy and safety of upper cervical spine surgery without operation time extending.

upper cervical spine, robotics, screw

1006-6586(2017)07-0009-05

R687

A

2017-01-09

田伟，教授，北京积水潭医院一级主任医师、博士生导师、院长，中华医学会骨科学分会主任委员，享受国务院政府特殊津贴。首先建立国内智能骨科手术体系，开展椎间盘退变及颈椎非融合技术前沿基础及临床研究，主持制定了国家颈椎人工椎间盘卫生行业标准。