脊柱畸形矫形中预防脊髓损伤的近期研究进展

杨浩志 马向阳 邹小宝 王宾宾

重度脊柱畸形往往需要行截骨矫形术，而矫形术中最大的风险就是损伤脊髓，出现截瘫等严重并发症。然而，目前对于如何在矫形过程中最大限度地避免脊髓损伤，有关的理论研究较少。目前认为脊柱截骨矫形过程中引起脊髓损伤的机制主要有两方面，一是机械性损伤导致的直接性脊髓功能障碍，二是脊髓缺血导致的间接性神经功能损害。为提高矫形术中的脊髓安全性，避免脊髓的直接及间接损伤，近年来提倡通过术中脊髓监测及数字骨科技术等辅助手段完成矫形手术。此外，矫形术中脊髓形态变化对脊髓功能的影响亦有较多研究。笔者通过文献回顾，就截骨矫形术中如何有效预防脊髓损伤这一关键问题作一综述。

一、矫形术中引起脊髓损伤的主要机制

1. 机械性损伤：因脊柱畸形患者椎体解剖异常，置钉过程中螺钉穿破椎弓根内壁，进入椎管内，直接导致脊髓机械性损伤；因截骨过程精细且复杂，反复牵拉脊髓或因操作不当损伤脊髓；术中截骨时，未使用短节段的临时棒固定，导致截骨两端错位引起脊髓损伤；因截骨矫正过度、骨性结构破坏过多、植骨床缺失造成脊柱失稳，对脊髓的慢性机械损伤；截骨间隙加压缩短时，硬膜囊相应短缩、形成皱褶，同时脊髓在椎管内扭曲变形，如后方椎板切除不充分，截骨端的后缘与对应的椎板边缘可对脊髓产生“夹击”效应，直接压迫脊髓；截骨间隙加压缩短后，脊髓由于受神经根、硬脊膜、韧带等软组织的牵拉，从而一定程度上限制了脊髓向头、尾方椎管的回缩，造成脊柱椎体的缩短与脊髓的缩短不同步，椎体的短缩距离要多于脊髓的短缩，对脊髓造成牵拉或剪切；术中止血不充分形成硬膜外血肿压迫脊髓。

2. 缺血缺氧性损伤：脊柱矫形手术时间长、创伤大，术中出血较多，易造成血容量不足，影响脊髓血液供应；此外有动物实验研究表明结扎节段性血管亦可导致脊髓动脉的灌注量不足，直接引起脊髓缺血[1]；术中损伤椎管内静脉丛可引起大量出血，在切除椎体的过程中，失血量尤为显著，平均一个节段 VCR 的出血量为 850～1400 ml，如果出血量超过 1400 ml，可致脊髓缺血性损伤[2-3]；术中控制性降压也是造成脊髓缺血缺氧的重要原因，但在矫形、闭合截骨面时，Lenke 等[4]认为平均动脉压 ( MAP )最好保持在 75～80 mm Hg。另一方面，在截骨矫形中，随着脊柱的延长或缩短，脊髓随之发生牵张或皱缩，相应髓内压力增高及髓内外血管牵张或扭曲变形，髓内毛细血管受到牵拉、压迫及发生痉挛，从而影响脊髓的血流供应，导致脊髓损伤。

有研究表示顺应性小、操作强度大的脊柱节段，由机械因素引起脊髓损伤的可能性大；而顺应性大的脊柱节段由血管因素引起脊髓损伤的可能性大[5]。机械性损伤是导致早期脊髓功能受损的主要原因，而缺血缺氧则在晚期脊髓功能障碍的发生中起着重要作用。

二、矫形术中预防脊髓损伤方法

1. 术中脊髓监测：脊髓损伤重在预防，如果能早期发现可避免永久性脊髓损伤，而术中脊髓监测可动态监测脊髓功能变化，尽早发现脊髓损伤，故从 20 世纪 70 年代，脊柱畸形矫正手术逐渐开展术中脊髓功能监测并越来越受到重视。目前主要监测的方法主要分为唤醒试验( wake-up test，WUT ) 和神经电生理方法。唤醒试验又称Stagnara 唤醒试验，1973 年由 Vauzelle 和 Stagnara 等最先提出，曾认为是术中判断脊髓损伤的“金标准”[6]。术中唤醒试验需适当降低麻醉深度，将患者唤醒后看是否可根据指令完成相关活动，从而判定脊髓功能是否完整。此方法简单、易行，判断脊髓运动功能时更直接、准确，在术中不同阶段多次唤醒能有效避免脊髓损伤；但唤醒试验时效性差，不能实现对神经功能的实时监测，只能监测脊髓运动功能，同时不适用于低龄、智力障碍以及术前有肌力异常的患者[7]。此外实施唤醒试验可能发生一些并发症，如气管导管脱出、大出血、患者烦躁等；因此术中唤醒试验难以独立完整监测脊髓功能。神经电生理监测手段主要有体感诱发电位 ( somatosensory evoked potential，SEP )，运动诱发电位 ( motor evoked potential，MEP )、肌电图 ( electromyography，EMG )、下行神经源性诱发电位( descending neurogenic evoked potential，DNEP ) 等。目前没有单一的监测模式可以同时监测完整的脊髓功能[8-9]。因此，对于脊柱畸形矫形手术的监护，近年来更倾向于针对不同的监测目的进行不同的组合，即多模式术中监测 ( mutimodal intraoperative monitoring，MIOM )。MIOM 是综合运用多种监测技术来评估脊髓、神经根功能完整性的神经电生理监测技术。现临床应用最广泛的 MIOM 即为SEP＋MEP＋EMG。MIOM 可同时监测脊髓的上行感觉和下行运动传导束，更加动态、全程和全面地监测脊髓功能，被认为是目前复杂的脊柱畸形矫形术中神经功能监测的“金标准”[10]。但其假阴性和较高假阳性的发生依然存在。故虽然可提高术中监测神经功能损伤的敏感性，但同时也降低了特异性，干扰手术进程[11]。

脊柱畸形矫形术中，若 MIOM 异常时，应立即检查患者的血压、体温、血氧饱和度、血红蛋白及麻醉深度等，排查是否有干扰 MIOM 的因素，若无明确干扰因素但监测结果仍有异常时，应行唤醒试验，若唤醒试验阳性时，则应停止截骨操作并松开内固定，排查脊髓受压部位，对相应后方椎板进行切除减压；此时若 MIOM 仍然异常，则再次行唤醒试验，仍为阳性时，排查内固定是否侵入椎管，并在保持脊柱稳定的情况下，相应调整或取出内固定。在松开内固定后，脊髓功能监测正常时，可以根据实际情况行较小程度矫形或者行原位固定[2]。综上所述，若术中脊髓监测出现异常，则需根据实际情况采取重新开放截骨面、调整内固定、减少矫形力度等措施[4]。

2. 数字骨科技术辅助置钉、引导截骨矫形：重度脊柱畸形自身解剖结构及解剖标志存在严重变异，常常伴有椎弓根缺如、椎体旋转、半椎体畸形、椎体分节不全等畸形[12]；在脊柱畸形矫形术中，因解剖结构异常使得椎弓根螺钉置入椎管，损伤脊髓；另一方面，因脊柱解剖结构的变异，设计截骨需合理，防止过度截骨造成脊柱不稳进而损伤脊髓，而截骨操作更应小心谨慎，避免操作失误损伤脊髓。近年来随着数字骨科技术的快速发展，为脊柱畸形矫形手术中避免脊髓损伤提供很大的安全保障。其中数字化计算机辅助设计 ( computer aided design，CAD )、快速成形 ( rapid prototype，RP ) 技术及导板导航技术 ( template navigation technology )、计算机三维导航系统 ( comput erassisted 3D navigation system )、VR / 虚拟现实/增强现实( virtual reality / augmented reality，VR / AR ) 技术以及手术机器人系统等在脊柱畸形矫形术中辅助完成置钉及引导截骨矫形有着独到的作用。

CAD-RP 技术是 20 世纪 80 年代后期发展起来的一种新技术，近年来迅速发展起并广泛应用。将脊柱 CT 断面数据通过计算机软件进行整合重建，建立脊柱三维立体结构图像，可帮助医师从任何一个角度观察病变部位，对复杂畸形获得全方位的认识。然后在三维图像数据的基础上转换文件格式通过快速成形技术制成与脊柱同比例的实物模型，对个性化、精确化矫形手术具有明显的指导作用[13-16]。导板导航技术则是在 CAD-RP 技术基础上，将相关数据导入三维重建软件，设计最优钉道，提取椎板、棘突及关节突后面的表面解剖形态，建立与其解剖形态相一致的反向模板。将最优钉道与模板整合，数字化合成带有导孔的导航模板，将此数据导入 3D 打印机，打印出导航置钉模板辅助术中置钉[17-19]( 典型临床应用如图 1 )。此外随着信息技术的高速发展，与 CAD-RP 技术有异曲同工之妙的 VR / AR ( 虚拟现实 / 增强现实 ) 技术也频频出现在视野中；VR 技术是使用计算机绘制虚拟模型，而 AR 技术则是将此模型融合到使用者所看到的真实景象中；VR /AR 技术同样能有助于全方位了解复杂畸形，模拟置钉及截骨，甚至能在术中实时调整置钉及截骨方案[20]。对于计算机三维导航系统主要包括 C 型臂机导航系统和 O 型臂导航系统；其中 C 型臂导航系统是通过 3D C 型臂机 190° 自动旋转收集图像并合成三维图像，将图像传输到计算机三维导航系统中，在导航指导下准确完成置钉，但为避免术前体位与术中体位不一致而影响配准，需在术中重新扫描重建三维图像[21-22]；而作为目前骨科领域最先进的导航技术，O 型臂导航系统可在短时间内且较少辐射量的情况下360° 全方位收集图像，精确地完成三维图像的重建，直接输入到导航计算机中自动匹配、注册，让术者可以真正做到“直视下”完成置钉、截骨等操作[23-24]。最后对于手术机器人系统，主要包括以色列 Renaissance 机器人引导系统、美国达芬奇机器人系统等。

脊柱畸形矫形术前利用 CAD-RP 技术可精确地了解脊柱后凸、椎体旋转、半椎体、椎板缺失等畸形解剖结构情况，直观地观察神经根管、椎管等重要结构的位置及周围比邻结构关系，并对置钉角度、截骨角度和范围等进行测量，获得真实可靠的数据，并可通过三维数据及实体模型进行模拟置钉及截骨，观察和分析模拟矫形后的效果，进而选择出最佳的矫形方案。在脊柱畸形矫形术中，根据术前得出方案及实体 3D 模型，并结合椎弓根螺钉导板导航及计算机三维导航系统，指导术中置钉及截骨矫形，极大地避免因内固定置入椎管及截骨不当等原因导致的脊髓损伤。典型临床应用如图 1。

三、脊髓形态变化对脊髓功能的影响

脊柱畸形截骨矫形时需直接加压闭合截骨间隙或在撑开后在椎体间置入一定高度的融合器或钛笼以完成矫形，但由于截骨间隙的过度加压或过度撑开，使脊髓受到过度挤压或过度牵拉从而造成脊髓损伤 ( 图 2 )。因此为提高矫形术中脊髓的安全性，矫形时脊髓的形态变化不容忽视。然而截骨间隙应该进行加压还是撑开？加压或撑开的安全范围、量化标准及其影响因素？这些问题均与矫形术中脊髓形态变化息息相关。

国内外学者根据实验结果及临床实践认为脊髓撑开较脊髓短缩更易导致神经功能损伤，建议截骨后采用脊柱短缩矫形，尽量避免撑开。有动物实验表明，对山羊和猪进行全椎体切除并切除上下邻近椎体的全部椎板时，保证脊髓安全的脊柱短缩范围约为该切除椎体的高度[25-26]。Kawahara 等[27]用狗作为动物实验，进行全椎体切除并切除上下邻近椎体半个椎板时，保证脊髓安全的脊柱短缩范围为该切除椎体的高度的 67%，约 2 / 3 椎体高度；这表明脊髓最大安全缩短距离可为 1 个椎体高度，且与后方椎板切除高度有关。另一方面，Yang 等[28]用猪作为动物实验，得出脊柱安全撑开距离与胸腰椎长度高度相关，且其安全距离约为胸腰椎总长度的 3.6%；Hong 等[29]用猪作为实验动物，得出脊柱撑开距离超过该切除椎体的高度的74.3% 和 ( 或 ) 胸腰椎总长度的 3.63% 时并超过 10.7 min 时脊髓会发生延迟性损伤。而在实际临床脊柱截骨矫形术中，未有明确量化标准，并且脊髓耐受性有个体差异，故往往都是在脊髓功能监测前提下根据脊髓形态及临床经验得出脊髓缩短或撑开安全距离。为防止脊髓过度短缩，对截骨端支撑植骨或使用支撑体 ( cage 或钛网 ) 重建前柱，在截骨闭合前将上下椎板内壁作潜行切除，扩大椎管内径以防止脊髓背侧受压[4,30-31]。早期有临床研究根据 Cobb’s角原理及三角正弦定理得出脊髓安全短缩距离约在 4 cm以内且在充分减压后最大的距离也只能是 5～6 cm[32]。此外有研究表明脊髓安全短缩距离亦存在明显部位差异，腰段最大，胸腰段次之，胸段最小[33]；这可能与脊柱的稳定性、椎管容积、脊柱脊髓血管分布等条件有关。另一方面有临床研究表明脊髓耐受牵长的能力十分有限，脊髓安全撑开距离约在 2 cm 以内；临床上亦有不进行截骨，单纯矫形导致椎管长度改变而引起脊髓损伤的情况[34]。

图 1 重度脊柱畸形病例 a～d：CAD 三维重建；e：RP 数字模型；f：术中模板导航；g～h：术后 CT 示椎弓根螺钉位置良好Fig.1 A case of severe spinal deformity a - d: Computer aided design; e: Rapid prototype; f: Intraoperative navigation; g - h: CT after operation,showing good pedicle screw position

图 2 过度撑开 / 加压示意图 a：术前后凸畸形；b：过度撑开致脊髓牵拉；c：过度加压致脊髓皱缩；d：适度撑开 / 加压Fig.2 Schematics demonstrating the excessively distracting or shortening process a: Kyphosis before operation; b: The spinal column was distracted and the spinal cord was lengthened; c: The spinal column was shortened, and the spinal cord was buckled; d: Moderate distraction or shortening

在临床中，重度的脊柱畸形椎体的解剖结构往往是异常的，例如半椎体或蝴蝶椎等，进而脊柱高度、形态等相应都是异常的，因此利用截骨椎体的高度、胸腰椎总长度等只能大致粗略预判脊髓加压或撑开的安全范围，难以精确量化。为解决上述问题，国内有学者在山羊动物实验中，初步提出利用矫形术中脊髓容积变化来量化脊髓加压或撑开的安全范围[26,35]。此方法避开测量单维度参数，利用 MRI 法或 Mimics 法[35]等立体重建及测量出脊髓容积，利用截骨节段 ( 包括截骨椎体及上下相邻椎间盘的间隙高度，图 3 )[26,35]单位高度内 ( mm ) 脊髓容积的变化极限来预判脊柱安全加压或撑开长度。这种方法虽然是利用截骨节段单位高度内脊髓容积变化极限来反向推出脊髓所能承受加压或撑开的距离，并且避免了脊柱畸形带来的参数测量困难，但这只是初步在山羊实验中得出的数据，具体临床应用有待进一步探索。

图 3 截骨节段高度及 Mimics 法测得脊髓容积示意图 a：截骨节段高度；b：术前 Mimics 软件测得的脊髓容积；c：撑开后Mimics 软件测得的脊髓容积；d：加压后 Mimics 软件测得的脊髓容积 [26,35]Fig.3 Schematics demonstrating the osteotomy segment height and the reconstruction of the spinal cord volume on Mimics a:Osteotomy segment height; b: Preoperative spinal cord volume; c:Reconstruction of the spinal cord volume on Mimics after distraction;d: Reconstruction of the spinal cord volume on Mimics after shortening [26,35]

综上所述，随着现代数字骨科技术的发展应用、脊髓监测技术的提高及截骨矫形技术的成熟，脊柱畸形矫形手术有着较高的安全保障。脊柱畸形矫形手术复杂，必须术中动态监测脊髓功能变化，尽可能在导板导航或计算机三维导航辅助下完成置钉，并相应结合 CAD-RP 技术、VR /AR 技术等完成置钉及截骨矫形，以最大限度地避免损伤脊髓。此外术中脊髓形态变化亦与脊髓损伤息息相关，因脊髓短缩较撑开可承受的距离更大，更安全，矫形时建议截骨后采用脊柱短缩矫形，尽量避免撑开；而术中脊髓缩短或撑开具体的安全范围、量化标准及影响因素仍有待进一步研究。