机器人辅助系统在青少年特发性脊椎侧凸手术治疗中植钉精准度的应用研究

师浩东，刘世长，许晓舟，宋宗让，郝定均*

(1.延安大学医学院，陕西 延安；2.西安市红会医院，陕西 西安)

0 引言

特发性脊柱侧凸是青少年人群中最常见的脊柱疾病，发病率约为0.5%-5%[1,2]，脊柱侧凸为患者的脊柱在冠状位、矢状位、轴位平面上的3 维畸形[3-5]，严重者可能影响呼吸功能、身体躯干平衡等。对于脊柱弯曲程度大、青春期疾病进展速度快及出现脊髓神经症状的患者，使用椎弓根螺钉后路侧凸矫形已经是青少年特发性脊柱侧凸(AIS)的标准治疗方法[4]。但是AIS 的患者胸腰椎存在畸形，解剖复杂，又临近重要组织，使椎弓根螺钉植入难度大，存在术后椎弓根螺钉位置不佳，可能导致患者出现血管、神经、胸膜损伤等并发症[6,7]。

近年来，脊柱外科大夫为了努力提高椎弓根螺钉的精准度，降低椎弓根螺钉植入不佳而导致的并发症，机器人辅助手术系统得以发展[8,9]。通过术前将患者的CT 扫描数据输入计算机工作系统，医生可以在工作站中设计出最佳的椎弓根螺钉路径，术中按照术前规划的钉道植入椎弓根螺钉，保证椎弓根螺钉位于椎弓根内。虽然计算机辅助系统可减少椎弓根螺钉植入失败的发生率[10]，但是脊柱机器人在青少年特发性脊柱侧凸中的临床应用文献报道较少，本研究将回顾性分析2018 年5 月至2019 年10 月在我院采用手术的24 例AIS 患者临床资料，通过CT 评估脊柱机器人植钉的精准度，来研究机器人辅助系统的临床应用。

1 临床资料

1.1 患者选择标准

纳入标准：(1) 接受脊柱后路椎弓根螺钉矫正手术的AIS 患者；(2)18 岁以下；(3) 单主胸或双胸曲曲线型；排除标准：(1) 合并有先天性脊柱侧凸的患者；(2)合并有低位圆锥、马尾综合症等神经系统发育异常；(3)术前评估无法耐受手术者。本研究纳入2018年5 月-2019 年10 月西安市红会医院AIS 患者24 名。本研究获得西安市红会医院伦理委员的批准，所有患者术前均已签知情同意书。

1.2 一般资料

青少年特发性脊柱侧弯患者24 例，其中12 例患者术中应用机器人系统辅助螺钉植入(A 组)，其中男性3 例，女性9 例，年龄13-18 岁，平均15.1 岁；其余12 例患者依靠徒手植入螺钉(B 组)，有男2 例，女性10 例，年龄12-18 岁，平均14.9 岁。

1.3 手术方法

本研究所有的手术均是由同一组脊柱外科大夫团体完成，主刀医师具备

透视下徒手完成后路矫形的手术能力。所有病人术前有全脊柱站立位正侧位X 线片、Bending 位X 线片及薄层CT( 层厚2mm)，根据患者术前影像学资料确定手术节段。

1.3.1 A 组

12 例患者均使用脊柱机器人(Renaissance，MzaorRobotocs公司，以色列) 进行手术治疗。术前将患者薄层CT 数值输入Renaissance 工作站，根据患者术前CT 图像，对每一个椎体进行分割，调整椎弓根扫描平面，设计出理想的进针点及进针角度，设定合格的螺钉长度及直径，最后逐个确定设计螺钉位置，避免椎弓根螺钉出现皮质穿透。

术中放置体位标识，将初始校正图像发送至Renaissance 工作站。患者全麻取俯卧位，手术节段正中切开，仔细显露脊柱后路组织，沿棘突用电刀骨膜下暴露至小关节突外侧缘，仔细清理关节突上的软组织，避免损伤关节囊。将术前设计的手术方案导入Renaissance 系统，将固定夹子于棘突，根据所需螺钉外展角度选择合适的工作平台，安装多功能桥。分别进行正位和斜位的透视，将正位和斜位的图像传至主机，通过计算机的计算，对比术前CT扫描资料，完成每一个椎体的注册，并对部分钉道进行微调，满意后在计算机辅助下按照设定的钉道轨迹连接机械臂及套筒，用限深电钻建立钉道，探子检查四壁完整性，丝攻、探子再次确定钉道，植入椎弓根螺钉。根据术前资料和所需手术固定节段，完成一组植钉后，改变夹子的位置，再次重复以上植钉操作。植钉完成后，双侧安装棒矫形，必要节段行截骨矫形，融合节段去皮质，植入自体骨和同种异体骨。冲洗缝合切口，切口内留置引流管。

1.3.2 B 组

12 例患者采用透视下徒手植入椎弓螺钉。患者于全麻下取俯卧位，保持腹部悬空。透视定位椎体，确定手术节段，后路正中切开，显露方式同机器人，参考解剖标志，直视下行定位针植入，再透视确认位置无误后，开口器、导椎扩大钉道，探子探查四壁完成性，确认位置无误后值入椎弓根螺钉。矫形及螺钉植入方式同A 组。

1.4 术后处理

术后予以抗感染、止痛等对症治疗，避免长期卧床并发症，例如褥疮、双下肢静脉血栓、肺炎、泌尿系感染等。待患者引流量低于50mL/天，拔出引流管。并复查全脊柱X 线片及手术节段CT。术后3 月门诊复查。

1.5 影像学评估

所有患者术后均完成CT 检查，术后CT 图像数据由未参加手术的医生对椎弓根螺钉位置进行评估，按照改良的Gertzbein-Robbins 评分系统[11]评估每个患者的轴向、冠状和矢状面图像，以确定皮质穿透。穿透的方向分为内侧、外侧、前部、上部或下部，等级从0 到4：0 级表示无皮质穿透；1 级为穿透1-2 mm；2 级为穿透3-4 mm；3 级为穿透5-6 mm；4 级皮质穿透大于6 mm。

1.6 统计方法

采用SPSS 22.0 统计分析软件对本研究所有数据进行处理和研究，组间率比较采用检验，等级资料组间比较使用秩和检验，P＜0.05 时，差异具有统计学意义。

2 结果

A 组患者植入202 例螺钉，有24 枚(11.2%) 螺钉穿透皮质超过2mm，B 组患者植入220 例螺钉，有51 枚(23.1%) 螺钉穿透皮质超过2mm。差距有统计学意义(c2=9.202，P=0.002)；参考Gertzbein-Robbins 评分系统来评估植钉精准度，A 组0 级138枚、1 级40 枚、2 级20 枚、3 级3 枚、4 级1 枚，B 组0 级118 枚、1级51、2 级39 枚、3 级10 枚、4 级2 枚，差距具有统计学意义(Z=-3.391，P=0.001)。

3 讨论

青少年特发性脊柱侧凸患者在后路手术畸形矫正中，螺钉错位是最常见的椎弓根螺钉植入的并发症[12,13]。椎弓根螺钉位置不正常的发生率在脊柱侧凸矫正中比成年人患者中要高的多，青少年椎弓根尚未发育完全，胸椎椎弓根直径较小[14]。并且由于发育不全，在上、中胸段侧凸的凹面，椎弓根通道中松质骨通常不足[4,5]，导致椎弓根螺钉植入难度较大，植入失误有损伤血管和脊髓神经系统的风险，特别是在严重的胸廓畸形患者中，椎弓根狭窄并发育不良，脊髓与椎弓根内侧直接接触[15]。因此，无论任何方式的椎弓根螺钉移位都可能导致严重的并发症。椎弓根螺钉植入过程中向内侧移位可能导致脊髓损伤的风险，前移可能会损伤前方的主动脉和食管，脊髓神经根可能会因椎弓根螺钉上、下错位而受到损伤，并且也可能穿透并损伤椎间盘。所以，提高螺钉的植入精度对医生和患者都至关重要[16]。

机器人辅助系统作为新兴发展的科学技术，在外科精准治疗中具有划时代的科学意义，是未来数字化骨科的重要发展方向[16]。目前，在脊柱外科领域，机器人辅助下椎弓根螺钉的植入已经是提高手术精准度的最新方法。虽然有多项研究已评估机器人辅助下椎弓根螺钉放置的精准度，但大多数研究仅限于成年人，AIS 评价研究尚少。并且术后评价椎弓根螺钉的精准度，采用不太精确的X 线成像技术[8,17]。Marcus 等[8]人对机器人与透视引导下的椎弓根放置进行了系统性的比较，排除脊柱侧凸的患者，在胸椎、腰椎的螺钉植入准确性中，并没有发现机器人辅助比透视引导下具有相对优势，但是推测在螺钉植入失误率较高的AIS 患者中，机器人辅助手术可以明显减少螺钉的失误率。

由于透视引导下植钉多通过探针的触感反馈、手术大夫的临床经验及结合多平面X 线透视下完成[18,19]。但是由于椎弓根形态存在解剖变异和手术中体位摆放不同等因素，同时椎弓根周围毗邻脊髓神经、血管等重要组织，该技术对于外科大夫要求极高，椎弓根螺钉偏差2-3mm 可能导致脊髓神经损伤，出现下肢麻木、无力，甚至出现大、小便功能障碍，截瘫，特别是上胸椎椎弓根较细，术中X 线透视时肩胛骨阻挡，螺钉与椎弓根的位置不易分辨，风险性较大，可能出现因螺钉植入不佳而损伤血管、神经、脊髓。Kwan 等[20]在青少年特发性脊柱侧弯患者行手术治疗中透视下植钉中椎弓根误置率达到20.3%。虽然徒手脊柱是一种相对安全的椎弓根螺钉植入方法，在术中不需要任何其他器械辅助，但是随着导航及机器人等技术的发展，徒手植钉对于外科大夫而言并不是最佳的治疗方式。

目前机器人辅助技术已在临床上成功运用，在其他疾病中，已有研究表明机器人辅助植钉的精确度明显高于徒手。Schatlo 等[21]在腰椎退变的患者中比较了机器人辅助系统与透视下植钉术后螺钉位置不佳的发生率，发现透视下植钉位置不佳为21.2%，高于机器人组的16.4%。Macke 等人[13]使用CT 评估脊柱侧弯术后螺钉位置，也得到了相似的结果，662 枚植入螺钉中48 枚螺钉位置不佳，发生率仅为7.2%。机器人辅助系统是以术前CT 医学影像学数据，通过对数据处理，无需切开就可以对局部解剖组织结构化、立体化重建成像，手术机器人术前在工作平台规划螺钉位置，通过机械臂的调整，使其按照术前规划位置植入螺钉，避免徒手植入的误差，理论上来说机器人辅助下植入的精准度较高。所以，对于青少年脊柱侧弯患者的矫形来说，良好的螺钉植入可以减少螺钉位置不佳而损伤脊髓神经、血管等并发症，也可以提供良好的螺钉把持力。减少螺钉拔出的风险。

本研究中我们比较了机器人辅助植钉与徒手下植钉进准度的差异性。从术后椎弓根螺钉位置来分级评估，结果显示A 组机器人辅助植钉组总体优于B 组。但是此部分患者为我院早期使用机器人辅助植钉的患者，由于经验不足，在显露的过程中可能肌肉组织显露不彻底，手术视野不佳，造成椎体注册误差加大；在螺钉植入过程中过程中未对椎弓根入钉点用开口器处理，导致磨钻植入时与入钉点发生偏移。在青少年脊椎侧弯患者进行手术中，不同于脊柱退变性疾病，胸腰椎机器人工作平台是较长而且直的导轨，偏离部分脊椎较远，机器人无法植钉，需要根据脊柱侧弯的类型，分段注册，矫正过程中存在误差。脊柱侧弯患者椎弓根形态畸形，在术前规划出理想的钉道，但是在手术中由于椎弓根螺钉外倾角度过大，软组织阻挡，可能导致机器人臂无法达到理想角度，容易导致钉道移位。

综上所述，在青少年特发性脊柱侧弯手术矫正中，与透视下植钉相比，机器人辅助下椎弓根螺钉植入的精准度较高，螺钉发生穿破椎弓根的发生率较低。本研究的不足在于单中心、样本量少的回顾性研究，通过术后CT 来评估螺钉位置是可能存在金属伪影干扰植钉准确度的测量，所以我们需要多中心、大样本量、前瞻性随机对照研究及科学的观察指标来探索机器人在AIS 患者中的应用研究，更加严谨的指导临床工作。