导航系统在脊柱微创手术中应用的研究进展

齐鹏 崔赓

随着导航技术和微创技术的进步，脊柱微创手术得到了持续的发展。传统的术中影像系统 ( 如 C 型臂透视系统 ) 目前在脊柱手术中应用广泛，而更为先进的影像系统如三维 X 线透视、锥体束 CT、术中 CT / MRI 等，则被研究证实具有更为安全和准确的内植物置入水平，同时还可以显著减少医护人员的放射线暴露剂量[1]。这些先进的导航技术的应用对比传统的术中 C 型臂透视技术，可以提供更为准确和清晰的解剖图像，对于脊柱微创手术显得更为适用[2-3]，笔者将近年来脊柱微创手术中导航系统的应用现状及研究进展综述如下。

一、导航系统在颈椎微创手术的应用

颈部复杂的解剖结构使得其手术对操作的要求更加严苛，这样就导致影像导航系统在颈部有着独特的应用价值，首先，由于颈部的骨性结构与椎动脉和神经系统更为贴近，使得手术的精确程度显得更为关键，特别是在上颈椎区，椎动脉损伤是其常见的手术并发症，在 C1～2经关节突螺钉置入时，椎动脉损伤概率可达 4.1%[4]。

一项尸体研究评估了 ISO-C 型臂系统辅助下颈椎后路螺钉置入的可靠性，此研究共植入 42 枚直径为 4 mm 的螺钉，分别位于 C1～2椎弓根、C3～6侧块、C7椎弓根，此项研究得到的置钉准确率为 97.6%，仅有 1 枚 C7椎弓根螺钉穿透了椎弓根壁，其余的 41 枚螺钉经证实均准确置入无偏差[5]。在另外一个关于 C2经椎板螺钉置入的小样本量临床研究中，同样证实了三维 X 线导航辅助下脊柱微创手术是安全和有效的[6]。类似的研究还有 Ishikawa 等[7]报道的三维 X 线辅助下的导航可显著降低颈椎螺钉置入时手术相关并发症的概率。在一项最新的尸体研究中，Tian 等[8]使用基于 CT 技术的三维 X 线导航系统评价了下颈椎螺钉的置入情况，发现应用此系统时，没有出现穿透皮质超过1 mm 的螺钉，所有螺钉均准确置入相应的位置，而徒手置钉组有 12.5%～17.9% 的螺钉误置率。另外一些研究证实无导航辅助下的徒手置钉在经关节突和经椎板螺钉置入时破壁率分别达到了 15% 和 18%[9-10]。

另外还有一些关于颈椎退行性疾病微创治疗的扩展性研究[11]，在最常见的 ACDF ( anterior cervical discectomy and fusion ) 术式中一般很少会应用到微创方法，包括全内镜系统也很少使用，但是研究证实对比传统的开放 ACDF 手术，微创技术的应用可明显降低术中并发症概率[12-13]。此外，一些研究还证实微创通路 ACDF 手术对比传统的开放ACDF 手术，可降低术后邻椎病、颈部僵硬和吞咽困难等术后并发症的发生概率。颈椎前后路微创减压操作的目的主要是为了解除神经根管的压迫来缓解相应的神经症状，同时减少局部结构的破坏从而维持脊柱的稳定性[14-15]，因此一些研究对比了导航与非导航辅助微创通路下对颈椎退行性疾病的治疗，一项最新的研究认为 O 型臂导航辅助下前路颈椎微创减压手术可以带来更小的切口与损伤，此外对比常规手术中持续透视产生的患者和术者放射线的暴露问题，导航辅助下的手术通常可以减少相应的放射线暴露剂量[15]。

先进的导航系统尤其适用于枕颈结合部的手术，2007年 Wolinsky 等[16]首次报道了无框架影像导航立体定向系统结合 C 型臂透视引导下切除齿状突来治疗颅底凹陷症，这项组合了内镜、通道和无框架立体定位系统的技术，其有效性在接下来的一项 15 例的队列研究中得到进一步证实[17]，此研究中所有患者的脊髓症状均得到长期改善，并且避免了一些经口咽入路的手术相关并发症。Hsu 等[18]的一项研究扩展了此类影像导航系统的应用范围，将其应用于脊索瘤的切除手术中，通过对此类技术的应用，可以精确地定位肿瘤的位置，识别椎动脉的走行，显示出硬膜囊的形状。Leng 等[19]通过应用术前 CT 颈椎血管造影并结合无框架立体定向导航系统来切除病灶，两者的结合显著减少了对重要血管的损伤。在颈椎后路融合术中，C2椎板螺钉通常用于在降低椎动脉损伤风险基础上的同时，最大限度地提供内固定稳定性。Nottmeier 等[20]报道了 8 例三维 X 线导航辅助下的 C2椎板螺钉置入手术，13 枚直径为4 mm 的椎板螺钉经术后 CT 影像验证全部准确置入，无一例穿透到椎管内。

2001 年，Kaibara 等[21]首次描述了通过术中 MRI 导航辅助下经口咽入路切除颅颈交界区脊髓病变的技术，随着导航设备的发展，这项技术在 2012 年由 Dhaliwal 等[22]进一步详细描述，共有 22 例通过术中 MRI 导航设备接受了颅颈交界区腹侧部病变的手术并且对术后效果进行了评估，作者论述了术中 MRI 导航应用的 3 大优势——即切除范围的准确评估，局部解剖结构的清晰辨认和精确显示的病灶边界[22-23]。一些其它的相关研究也报道了通过使用术中 MRI 导航系统对颈椎、胸椎和终室区硬膜下囊肿的精确化治疗[24-26]。

导航系统在枕颈交界区的应用受限主要是因为参考架在背部骨性结构上固定不稳所致，在前路手术中，Hott等[27]和 Summers 等[28]描述了头部固定参考架应用于齿状突螺钉置入的影像导航系统。这一设备现在被应用于后路枕颈交界区的导航系统中，通过使用此类参考架，Nottmeier 等[20]发现可以准确地在 C1和 C2水平置钉而不增加术中因不稳失真导致的重复注册。

二、导航系统在胸椎微创手术的应用

胸椎与一些重要结构密切相关，如主动脉，腔静脉和肺实质。这就导致了胸椎前路手术具有相当大的挑战性，在胸椎微创手术中导航技术的应用相对有限，Villavicencio等[29]进行了一项导航辅助下球囊扩张椎体后凸成形术的可行性研究，应用 ISO-C 型臂导航系统辅助下经椎弓根进行穿刺操作，对比常规透视下手术组平均 293.2 s 的放射暴露时间，导航组将平均放射线暴露时间降至 41.3 s，且所有手术均未出现手术相关并发症。

胸椎椎弓根螺钉置入时，由于椎弓根横截面积较小，特别是在女性患者中，较小的椎弓根横截面积造成其准确置钉具有很大的挑战，此外徒手置钉法严重依赖解剖标记和触觉感受，使得螺钉置入的准确性因个人的手术经验技巧而明显不同，同时初学者想要达到较高层次的水准往往伴随着一个陡峭的学习曲线[30]。这就导致了过去一些无导航辅助下的尸体置钉研究，胸椎螺钉误置率可达 55% 之高[31]。螺钉误置的后果通常会导致神经根的损伤、出血和脊髓的受损[30]。胸椎螺钉置入的临床研究发现，立体定向导航技术可以显著降低破壁率的发生[32-33]，Youkilis等[33]使用术前 CT 导航系统在 65 例中置入共 266 枚胸椎螺钉，破壁率仅 8.5%，Han 等[32]应用类似的导航方法置入 92 枚胸椎螺钉，仅 4.35% 穿透椎弓根皮质，且穿破距离＜2 mm，此外，Allam 等[30]论证了基于三维导航技术的螺钉置入相对优势，其准确度可达 99%，而徒手置钉组准确率仅 89%。

虽然导航辅助下胸椎螺钉置入技术已经探索了很多年，但是直到最近才将其应用在微创技术中。Holly 等[34]研究了导航下经皮胸椎螺钉置入技术，94 枚经皮螺钉在ISO-C 型臂导航系统的辅助下置入尸体标本中，平均直径6 mm 的螺钉有 94.7% 准确置入椎弓根内，明显优于常规置钉方法。

除了为脊柱退行性病变、脊柱感染和脊柱肿瘤提供良好的固定，导航辅助下经皮螺钉也适用于胸椎外伤的治疗，Kakaria 等[35]报道了使用导航辅助下经皮螺钉固定治疗 6 例由于骨折导致的脊柱不稳，通过运用 ISO-C 型臂导航系统，总共 37 枚螺钉被置入，穿破椎弓根皮质达到Grade II ( 螺钉破壁距离＜2 mm ) 的为 16%，达到 Grade III( 螺钉破壁距离＞2 mm ) 的仅为 3%，无一例出现因螺钉误置所造成的神经系统相关并发症。O 型臂导航系统也同样证实了其在脊柱创伤治疗中有效性。通过对导航系统的应用，不仅可以对脊柱序列进行充分的评估，还能对椎管进行精确的减压。此外导航的应用还可以降低术者的放射线暴露，降低螺钉误置的发生，避免患者因此而进行的二次手术[36]。

三、导航系统在腰骶椎微创手术的应用

一项 2007 年的荟萃分析报道了腰椎徒手置钉平均准确率在 79% 左右[37]，而在畸形手术中胸腰椎螺钉误置率高达 30%[38]，因此包括术中透视和影像导航系统在内的技术一直被提倡应用以改善椎弓根钉置入准确率，同时通过微创技术的应用也可以显著地改善成人畸形手术的恢复时间并降低手术相关并发症的概率，尤其是在老年患者中这一优势更为明显。在一项最新的研究中，Scheufler等[38-39]纳入了年龄范围在 64～88 岁的老年脊柱畸形患者，通过双平面 X 线透视或者以 CT 为基础的导航系统进行微创减压融合手术，共有 415 枚螺钉置入，术后没有出现明显的螺钉误置 ( 所有破壁螺钉等级均小于 Grade II )且没有 1 枚螺钉需要返修。虽然行全脊柱扫描的术中 CT注册时间平均为 17.5 min，但是就放射线暴露剂量来说，一台单节段 X 线导航的经椎间孔腰椎间融合术 ( transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF ) 对术者的平均放射线暴露剂量约为 0.025 msv，而术中 CT 导航系统对术者的放射线暴露剂量基本为 0 msv，此外研究表明术中 CT 导航辅助下螺钉置入时间 ( 54 min ) 要明显少于双平面 X 线导航辅助下的置钉时间 ( 89 min )，所以术中 CT 导航系统的手术时间并没有较其它导航系统明显延长。脊柱术中 CT导航系统在提高了成人畸形手术注册准确性的同时，降低了术者的放射线暴露剂量，加快了脊柱畸形手术的操作效率，而且术中 CT 的应用可以提供全脊柱各方位序列的准确评估，此外一系列的研究还证明了微创手术可以达到和传统手术相同的椎间融合率[38-39]。

通过对术中 CT 导航系统的进一步研究，Tormenti等[40]报道了应用术中 CT 导航系统在脊柱畸形手术中的相关病例，此研究中共置入了 164 枚胸腰段椎弓根钉，仅1.2% 的破壁率反映出术中 CT 导航系统相对于传统的 X 线导航系统具有更高的精确度。尽管这些研究表明了导航系统在脊柱畸形方面的进步，但是在脊柱微创手术中其手术相关并发症仍旧无法完全避免[39]。

导航系统在骶椎病变中的应用促进了骶椎后路手术的进展，Lee 等[41]报道了导航辅助下经后路治疗骶椎前部病变的病例，术中导航被应用于引导术中骨性结构的钻孔，此后微创技术在骶椎手术中被逐渐的推广应用。Luther等[42]应用 ISO-C 型臂导航系统进行了前路腰椎间融合术的相关探索，对 5 例行 L5～S1间隙的前路减压融合术，1 例行 L4～S1双节段的前路减压融合术，所有患者均未发生手术相关并发症，但是作者同时指出受限于导航软件只能模拟出直径 12 mm 的螺钉，故相应的会降低骶骨螺钉置入时的准确性。

导航系统也被应用于骶髂螺钉的置入，在骨盆损伤所致的骶髂关节不稳微创手术中，由于骶髂关节形态和L5神经根的结构经常发生变异，非导航辅助下往往会发生由于螺钉误置所造成的神经损伤，因此导航的应用可能会改善这一操作过程的准确性和安全性，Smith 等[43]在尸体上对比了三种不同导航系统的骶髂螺钉置入准确率，对比无导航辅助下的徒手置钉所有导航组均显示出较高的准确性。

四、导航系统在脊柱微创手术中的局限性

受限于当前微创技术本身的不足和导航系统设备的缺陷，导航系统在脊柱微创手术中的应用有一定的局限性，目前所有的导航系统均有着自己相应的缺点，在术前 CT导航微创手术中，由于影像解剖和术中解剖结构的不契合度较高，很大程度上影响了术中的操作，这种不契合主要是由于初始的术前扫描影像资料与术中即刻的解剖结构不对应所至。特别是当创伤和腰椎滑脱造成脊柱结构的不稳时，骨性结构的变形会越发明显，此外由于注册时必须将棘突剥离显露出来，增加了切口的面积，无法完全达到微创手术的要求。三维 X 线透视导航的缺点在于面对骨质疏松、肥胖和具有金属植入物患者手术时，图像质量会明显受到干扰，且由于此项技术的学习曲线相对陡峭，限制了此项技术的应用推广，因为目前该设备仅能一次扫描局限的几个椎体，因此在长节段手术中，需要进行多次的扫描注册才能完成手术。术中 MRI 导航系统用于脊柱疾病的治疗也相对受限，由于目前该技术的设备成本相对其它导航较高，使其影像学特点受到应用的限制[9]，需要进一步的研究将其特有的影像优势应用到临床中 ( 如肿瘤的切除 )[44]。

众多的研究结果详细描述了对比术中透视下徒手置钉技术，导航系统在置钉准确度方面的相对优势，但是目前为止还有没有关于神经相关症状改善的平行对照研究，但是一些对照研究已经证实了导航系统可能带来的相关益处，在 2011 年的一项研究中，Wood 等[45]认为通过使用三维 X 线导航系统可以显著提高微创置钉准确性，其潜在的神经损伤风险可以通过神经监测的运用得以降低。另外近期一项关于 O 型臂导航下腰椎螺钉置入的研究表明通过导航的应用可以明显地增加置钉准确性，而且由于螺钉准确置入间接的减少了因螺钉返修所带来的手术时间延长[46]。另一项 von Jako 等[47]的研究认为通过一种新型电磁导航系统的应用可以降低椎弓根钉置入时的放射线暴露剂量，这些导航的优势，如提高精度、降低辐射、提高安全性等，需要更多的研究来证实其对比传统方法在脊柱微创手术中的确切效果。

五、导航系统在脊柱微创手术中的发展前景

导航系统和脊柱微创手术技术的融合是为了达到更好手术精度的同时降低放射线暴露剂量，然而为了更好地评估这些技术的有效性和效价比，则需要更多的研究来论证。即使目前已经拥有了先进的术中 CT 和术中 MRI 导航系统，导航系统的未来仍是值得期待的。例如当前对新型经皮椎弓根螺钉置入机器人系统的探索，通过结合双平面X 线透视，导航规划和机器人辅助技术，相关的尸体研究已经证实了 BFRS ( biplane fluoroscopy-guided robot system )在改善经皮椎弓根钉置入准确率的确切效果[48]。此外一个加拿大的研究小组分享了他们应用 nueroArm 导航系统来提高显微神经外科手术精度的初步经验[49]，这些研究论证了机器人辅助技术对于微创手术或者是显微神经外科手术的拓展是可行的。另外的一项研究是关于电磁导航技术的应用[50]，这项技术克服了许多传统导航设备的缺点，其参考架和探头不需要通过额外的光学仪器进行解剖结构位置关系的模拟，这样就使得手术部位可以进行移动而不会影响到注册的精度，尽管这项技术的初步应用还局限于头颅部手术，但是电磁导航系统在脊柱手术方面会有着很多结合的可能性。此外，放射线暴露在脊柱微创手术中仍然是一个重要的考虑因素，一系列的研究表明了在微创手术中应用导航系统可以降低对患者和术者的放射线暴露，初步研究证实锥形束 CT 可以提高术中的可视化程度和导航的精确度，与此同时还能降低术中的放射线暴露剂量[29,38-39,51-53]。通过对成像技术的进一步发展，再加上MRI 技术和内镜技术的综合运用，势必可以进一步降低因为放射线暴露所带来的健康问题，从而改善脊柱微创手术的限制[53]。

由于导航系统和微创技术的发展，使得患者可以获得更为安全和准确的手术操作。经皮椎弓根置钉技术相对于其它脊柱手术技术，由于导航系统的应用可以带来更大的收益。随着患者对手术要求的进一步提高，医务工作者会逐渐意识到导航系统的价值，不难预计，导航系统会在脊柱微创手术方面产生深远的影响。