改良经皮椎弓根穿刺技术的研究进展

许峻川，费琦，杨雍，孟海，李健

(首都医科大学附属北京友谊医院骨科，北京 100050)

经皮椎弓根穿刺技术目前已经广泛应用于经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty，PVP)、经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty，PKP)、经皮椎体活检、经皮椎弓根螺钉内固定等手术中，适应证包括椎体压缩性骨折、椎体恶性溶骨性肿瘤、侵袭性椎体血管瘤等。作为一种微创脊柱外科的基本技术手段，其具有创伤小、出血少、恢复快等优点，在临床实践中不断得到推广，但是依然存着放射暴露大、操作时间长、穿刺失败风险高等缺点。近年来随着影像设备和计算机辅助技术的发展，各种改良的经皮椎弓根穿刺技术不断涌现。本文就目前常见的改良经皮椎弓根穿刺技术的研究进展综述如下。

1 传统经皮椎弓根穿刺技术及缺陷

经皮椎弓根穿刺技术目前主要适用于胸腰椎节段，传统技术主要依赖术中C型臂X线机反复透视。术中标准正位以患椎体下缘为“一线影”的基准，在标准正位下用克氏针确定椎弓根位置并在皮肤做标记。皮肤入点在胸椎T4～12节段上常选择棘突旁开3～4 cm，而腰椎椎弓根粗大，常棘突旁开4～8 cm[1]。穿刺针外展角大小因手术节段的变化而不同，根据袁翠华等[2]对60具尸体的椎弓根穿刺和影像研究发现，穿刺最佳外展角在L1～4节段为5°～10°之间，而L5一般为20°，最大不得超过25°，胸椎T6～12为5°左右。在侧位透视上当穿刺针进入椎弓根1/2时，正位像穿刺针尖端应该位于椎弓根影中线处。椎弓根内部穿刺时，需多次透视保证穿刺针位于椎弓根内。当侧位显示穿刺针尖端到达椎体后壁时，正位尖端则应该位于椎弓根内侧缘，此时可继续穿刺至穿刺针尖端最终位于椎体前1/3处，完成整个穿刺过程。

这种经典穿刺方法尚存在诸多不足：a)术中穿刺针的头/尾倾角及外展角度主要依赖手术医生的经验来确定。不同患者腰背部皮肤、肌肉的厚薄和椎弓根的解剖结构均不同，皮肤入点及角度的偏差会影响穿刺的成功率。以PVP手术并发症为例，其最常见的骨水泥渗漏与穿刺过程联系密切，Saracen等[3]报道其发生率可达20%。郝定均等[4]回顾性分析穿刺失误的严重并发症有0.51%，包括周围器官损伤、椎弓根皮质断裂、硬膜损伤等；b)穿刺过程需要反复X线透视，增加了患者和术者的放射暴露风险。有研究表明[5]PVP术中采用传统X线透视时，在不超过每年放射剂量标准的情况下术者1年手术量仅推荐150台；并且患者平均皮肤透视剂量为688 mGy，需要采取措施降低患者的皮肤剂量；c)经皮椎弓根穿刺技术有一定的学习曲线，不容易掌握，对于初学者而言学习和掌握的时间较长。

2 改良经皮椎弓根穿刺技术的方法及其优缺点

2.1 数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)三维重建技术 DSA是常规造影术和电子计算机图像处理技术相结合的产物。二维DSA仅能获得断层信息，而基于旋转DSA技术的DSA三维重建则能进一步处理图像，从而得到立体的图像效果。目前3D-DSA在PVP、PKP等手术中均有应用。3D-DSA的优点有：a)操作灵活，相比CT引导穿刺、导航辅助穿刺等操作更简单；b)在手术过程中实时反映穿刺过程，降低穿刺并发症和失败率；c)能从横断面、矢状面、冠状面三个方向同时观察针尖位置，对穿刺的把握更准确。Cannavale等[6]行PVP手术对比实验的结果表明DSA三维重建组(25例患者35节段椎体)与CT引导穿刺组(25例患者37节段椎体)相比，手术时间更短(DSA三维重建组38.2 min，CT引导穿刺组60.2 min，P=0.02)，患者接受放射剂量更小[DSA三维重建组(6±1.3)mSv，CT引导穿刺组(23±1.3)mSv，P=0.02]，两组的并发症概率相同。王福安等[7]通过回顾性研究35例PVP手术患者术后骨水泥情况发现，同样的35例患者3D-DSA术后发现骨水泥渗漏的能力高于二维DSA(3D-DSA发现率为37.1%，二维DSA发现率为25.7%)，并且更容易发现骨水泥Ⅱ型渗漏(经引流静脉渗漏型；3D-DSA发现率为20%，二维DSA发现率为17.1%)。3D-DSA也有局限性，主要有：a)其空间分辨率较CT图像差，如果患者出现的神经症状较为明显，需要准确地了解椎管受压、神经孔及静脉丛渗漏等情况时，更高精度的检查仍然是必要的；b)目前大多数平板DSA旋转速度缓慢，图像质量易受呼吸影响，图像质量有待进一步提升；c)过度术中透视可能增加术者及患者的放射暴露剂量，对健康有损。

2.2 计算机辅助导航技术 计算机导航系统是将空间三维立体导航、计算机图像处理及三维可视化技术与临床手术结合起来的技术，近几年来术中三维透视导航逐渐成为热点。术中三维透视导航系统主要通过三维C型臂或O型臂获取实时三维图像，排除了体位改变、解剖位置改变等干扰因素，无需匹配自动注册。目前常见的术中三维导航系统包括Iso C-3D、Orbic-3D、O-arm等。世界上第一台术中可三维重建的C型臂X线机Iso C-3D由西门子公司生产，目前因影像质量不及CT，且在应用内植物时更明显，故主要应用于骨盆骨折和四肢骨折。之后改进为Orbic-3D导航系统，其最大旋转角度达190°，精度最大误差1.18 mm，平均为0.47 mm，标准差为0.21 mm[8]。黄彦等[9]报道，应用Orbic-3D导航系统引导经皮微创椎弓根钉治疗老年胸腰椎压缩骨折取得良好疗效，24例单节段患者平均手术时间(56.5±10.5)min，术中出血量(60.5±15.8)mL，无神经损伤等手术相关并发症，植入的96枚椎弓根钉术后CT复查均在椎弓根内。O型臂CT导航系统(O-arm)由美敦力公司生产，其精度更高，平均位置误差是0.2 mm，标准差是±0.07 mm[10]，图像质量更高，能清晰的显示骨骼的解剖结构。已有多篇文献报道其应用于脊柱经皮椎弓根穿刺手术中[11-13]。Schils等[11]在O-arm导航下为54例患者行PKP手术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折，其平均手术时间为38 min，平均透视时间为2.5 min，平均放射剂量为220 mGy。Kim等[12]报道O-arm引导下290例经皮椎弓根螺钉置入，其准确率达96.6%。Wood等[13]也证实其腰椎椎弓根钉的失误率仅3.8%(24/627)。

总体而言，术中导航系统能提高手术精度，实现术中实时操作，给临床医生更好的手术计划，减少术中失误和术后并发症的发生。王黎明等[14]还认为应用导航还可扩大手术适应证，过去胸椎压缩超过50%，腰椎压缩超过75%，骨性椎体后壁不完整均被认为是手术禁忌证，但是其认为在满足一定时间平卧恢复、患者脊髓前方的后纵韧带、硬膜囊等组织完整的条件下，借助导航多方位、高精度的观察则可以手术。导航系统也存在不足之处：a)设备昂贵、手术费用较高会加重患者经济负担。b)影像漂移：即真实结构和导航影像的误差，Arand等[15]报道其发生率高达66%，其与传感遮挡、设备松动、结构移动等均有一定关系。目前导航系统被报道有2%～15.7%的失误率和0～7.42%的再手术率[16]。新兴的术中三维导航有望较少手术失误和再手术的发生，但有关其在经皮椎弓根穿刺技术中的应用还有待于进一步的研究证实。

2.3 手术机器人 随着导航技术的成熟，大量基于导航系统的手术机器人不断出现。手术机器人目前以半主动式导航机器人为主，其可以帮助医生在一定范围内控制手术器械，但是如果器械超过安全范围，系统可以终止操作，在一定程度上提高了手术的安全性。目前应用于脊柱外科的手术机器人较少，包括SpineAssit、韩国研发的SPINEBOT及BiTEBOTⅡ、国内研发的无框架脊柱导航手术机器人等。目前Mazor医疗技术公司研发的SpineAssit系统相对比较成熟，已获得美国FDA认证并有临床初步报道，它是一种器械引导型系统，主要为脊柱椎弓根螺钉植入提供方向引导。该系统通过术前CT的影像进行三维重建，获得螺钉的进入点、角度及植入路径等。术中利用T-Hover固定框架将机器人安装在脊柱骨性标志上，在完成患者正侧位透视后进行图像匹配和注册，最终使用SpineAssit工作站和计算机导航系统在导针引导下完成人工置钉。据报道传统置钉手术有3%～50%的椎弓根螺钉植入偏差在2 mm以上，而SpineAssist机器人能做到96%的螺钉偏差在1 mm以内[17]。Devito等[18]回顾了SpineAssit系统引导的635例病例的3 271枚椎弓根螺钉的植入情况(其中49%的病例采用经皮椎弓根穿刺植入)，发现98.3%的螺钉落在安全区内(其中89.3%的螺钉完全在椎弓根内，9%的螺钉穿透椎弓根2 mm内)；1.4%的螺钉穿透在2～4 mm之间，而只有0.3%(2枚螺钉)从椎弓根壁偏移超过4 mm；所有病例仅有4例观察到神经功能受损，随访后症状消失没有永久性神经损伤。上述报道在一定程度上说明现阶段机器人的置钉准确度较高，能降低失败率和术后并发症。同时机器人系统能减少术中放射时间，减少术者疲劳，更进一步保证手术的安全。目前机器人仍处于初步阶段，其效果有待进一步验证，同时其价格昂贵、术中需要进行创伤性固定等问题也有待改善。

2.4 基于术前影像的数字化设计辅助技术 基于术前影像的数字化设计辅助技术是指术前对患者进行CT等影像检查，得到患者相应部位的骨骼信息，通过术前设计得到术中穿刺的头倾/尾倾角、外展角、进针深度等数字化信息进而辅助实际操作，保证术中穿刺的精准及手术安全。Tan等[19]将术前横断面和矢状面CT放在三维坐标系中进行设计，其进行的108例PVP手术患者的对比实验表明，三维设计组(58例63节椎体)比传统组(50例52节椎体)成功率更高(三维设计组92%，传统组63.5%)，手术时间更短[三维设计组(28.5±5.5)min，传统组(37.5±5.5)min]。两组术前和术后的VAS评分没有差异。但是目前这种重建方法局限性明显，很难应对椎体旋转等复杂情况，效果不佳；对术前CT检查和术中体位要求较高，必须保证椎体棘突位于正中位置，可能延长操作时间和透视次数。

近几年来基于术前CT图像的三维重建设计正逐渐成为热点。术前在患者病椎的背部皮肤上粘贴定位片，并通过俯卧位CT薄扫得到小于1 mm层厚的断层影像。在MIMICS软件内利用人工擦涂的方式在各层面上分离骨骼与软组织，在软件中重建出患椎的三维模型。MIMICS软件中可以观察患椎的具体情况，并模拟椎体成形术的真实手术过程，从而确定其进针点、进针角度及深度。在费琦等[20]的报道中，7例接受术前数字化设计改良PVP手术的单节段患者，术前通过CT得到患椎影像后通过MIMICS软件重建并设计入路，均采用双侧入路方式。所有患者皮肤入点仅需一次即可以确定，整个手术时间为(16.57±2.07)min，术中放射透视数(7.86±1.68)次。患者症状均得到缓解，并未有渗漏、神经损伤等发生。Li等[21]进一步报道该技术用于治疗1例76岁女性的L1节段椎体压缩性骨折，术中仅需1次透视便可确定皮肤穿刺点，手术时间23 min，患者总暴露剂量为4.5 mSv。术后患者症状明显改善，VAS评分从术前9分改善至术后2分，ODI评分从80%改善至57.8%，术后未发现骨水泥泄露等并发症。这种术前数字化设计的优点有：a)在建模过程中可以提前了解伤椎的结构情况，对于终板破裂、后缘破损的情况可以提前设计，针对不同的患者能个性化的设计手术方案；b)可在软件下模拟整个手术过程，借此获取穿刺点位置、穿刺精度等参数，进一步提高了手术精度和手术安全性；c)通过术前设计，能缩短手术时间及术中透视次数，减少术者和患者的放射暴露；d)与导航系统相比，该方法在术前仅仅通过个人电脑即可完成Mimics软件的分析和操作，更加简单、高效，具有临床推广性。目前该方法缺点在于患者术前CT体位与术中体位不完全一致，可能会导致设计结果出现一定偏差，进而导致设计结果和实际情况存在误差(作者认为应用“水平尺”等工具可以使误差在可接受的范围内)。另外，在实际操作中尚缺少精准的测量工具辅助穿刺的操作过程，有待于进一步优化。

2.5 经皮椎弓根穿刺辅助导向设备 基于CT图像的各种导航辅助导向设备也是一种提高穿刺成功率的方法。通过术前设计确定相关穿刺参数，在手术过程中结合穿刺辅助导向装置进行穿刺。在术前设计和装置的辅助下，避免了既往传统穿刺过程中要同时调节外倾角和上倾角的繁琐过程，可进一步提高穿刺精度，保证手术安全性。目前国内毛晓芬等[22]、龙浩等[23]、费琦等(专利号2016 2 0427836.4)设计的穿刺辅助设备虽然原理不同，但是均能实现辅助术中穿刺，进一步提高手术精度。毛晓芬等[22]对6例尸体的72个椎弓根随机分为两组进行穿刺，定位器组较对照组穿刺用时更短[定位器组(9.42±1.33)min，对照组(13.59±1.26)min，P<0.05]，进行的56例PVP手术患者随机分组临床试验中定位器组穿刺时间较对照组也更短[定位器组(23.55±6.03)min，对照组(29.86±8.96)min，P<0.05]。龙浩等[23]报告的67例PVP手术患者共83个椎体的对比实验中也有类似结论，定位器组(34例3节段椎体)穿刺次数为(2.3±1.1)次低于常规组(33例40节段椎体)的(3.4±2.3)次(P<0.05)。费琦等(专利号2016 2 0427836.4)设计的经皮椎弓根穿刺导向装置，采用3D打印底座可以良好固定患者皮肤，并通过其上的导向器装置实现穿刺角度的精确调整，实现了导向装置三维导向定位、与正侧位透视相联系和皮肤良好固定等功能，为解决从前导向装置的诸多问题提供了新的思路。

2.6 3D打印经椎弓根穿刺导向板 个性化3D打印经椎弓根穿刺导向板已经用于开放手术椎弓根螺钉的植入并取得良好效果，目前用于经皮椎弓根穿刺的3D打印导向板技术也有初步的应用报道。通过术前患者的CT影像、皮肤扫描数据结合Mimics软件重建伤椎，在此基础上设计穿刺通路并设计出个体化的3D打印经皮椎弓根穿刺导向板，经由快速3D打印机制作完成。术中将导向板和皮肤匹配贴合，通过已设计好的孔道进行椎弓根穿刺。张鹰等[24]报道的案例中，1例54岁女性T12椎体压缩性骨折患者，在3D打印导向板辅助下成功穿刺并注入骨水泥，效果满意，术中穿刺仅耗时15 min，透视次数为8次。赵汝岗等[25]10例PVP手术对照实验表明，5例3D打印导向板辅助改良组(35 min)较5例传统手术组(45 min)手术时间更短(P<0.01)，透视次数和时间(3次，10 min)也较对照组(9次，20 min)有所优化(P<0.01)。费琦等(专利号2015 2 0631797.5)设计的3D打印导向板在术前应用皮肤定位片定位结合患者的CT影像、皮肤扫描数据，在Mimics软件中设计出个体化导向板，术中可通过定位片和定位孔直接放置导向板，更加简单易操作。目前的主要问题在于导向板和术中实际情况，如患者的手术体位、呼吸运动状态、皮肤贴合的匹配等导致的误差，相关研究尚未提出满意的解决方案，需要进一步的研究。

3 总结和展望

随着新兴技术的不断涌现，各种改良的经皮椎弓根穿刺技术不断发展。3D-DSA辅助可以实时监测穿刺，临床操作方便，但其影像质量和放射暴露问题有待改进。以O型臂CT导航为代表的新一代导航实现了术中实时操作、低辐射、高精度等优点，但是导航系统造价昂贵、影像漂移等问题还未克服。机器人系统优势在于精度高、降低术者放射暴露，目前尚处于早期阶段有待继续研发。近些年计算机辅助的术前设计和3D打印导向板技术在经皮椎弓根穿刺中日渐增多，术前的数字化参数的获得将经皮椎弓根穿刺的精度进一步提升，实现了手术方案的个体化设计，在此基础上再辅以导向器或者3D打印导向板则可以帮助术者更精准地完成手术，是一种有潜力、经济、方便、可行的新技术，在解决临床验证、对应误差等问题后可以临床推广应用。随着导航技术、计算机辅助技术、3D打印技术的日益成熟，更加精准的经皮椎弓根穿刺技术可能会成为微创脊柱外科的辅助手段之一。

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