计算机辅助导航技术在脊柱外科中的应用

潘紫麟，刘庆鹏

(哈尔滨医科大学附属第二医院骨科，哈尔滨150001)

近20年来，椎弓根螺钉内固定结合椎体融合技术在脊柱肿瘤、畸形、创伤、退行性疾病等治疗中被脊柱外科医师普遍接受［1］，其在脊柱三柱固定生物力学方面具有明显的优越性，且应用日趋普遍。由于椎弓根解剖结构特殊且毗邻重要解剖结构(如内部的脊髓、下方的神经根、椎体前方的大血管)，若椎弓根螺钉放置位置不准确，螺钉穿破椎弓根皮质，将直接威胁周围的脊髓、神经、血管，尤其是颈椎和上胸椎椎弓根等邻近解剖关系，故置钉操作必须准确无误，才能避免损伤发生［2－3］。计算机辅助导航技术产生并逐渐发展，目前已形成较为成熟的体系，包括成像、光学导航、专用的脊柱手术器械、动力辅助设备和神经监测系统等，并已在椎弓根螺钉置入、人工间盘置换等手术中应用，具有高精度、安全、微创、低辐射暴露等特点。计算机辅助导航技术通过立体定位、动态追踪等技术实时显示手术器械与解剖结构的相对位置，可避开危险区并直达手术靶点灶，减少患者创伤。随着手术微创化的发展，更加迫切需要安全有效的手术辅助技术。现就计算机辅助导航技术在脊柱外科领域的临床应用予以综述。

1 目前应用较广的计算机辅助导航系统

目前，基于术前及术中患者的影像学信息，通过计算机将手术与三维立体定位、图形处理、可视化技术结合，动态显示内固定物与解剖结构相对位置的计算机辅助导航系统已较为完善，能够辅助医师进行手术操作，且术中成像技术从平面透视、可移动CT发展至O型臂。目前脊柱外科手术中使用的计算机辅助导航系统包含成像、光学导航、专用脊柱手术器械、动力辅助设备和神经监测系统，通常与O型臂共同使用，构成较为成熟的脊柱外科导航体系［4］。

O型臂系统是脊柱外科中具有颠覆性的技术进步之一，也是第一个可移动并可在术中360°旋转的锥束CT。与传统导航系统相比，O型臂系统具有以下优点:①可开闭式O臂，可以从患者侧方进入导航区域，并同时包绕手术台和患者，消除了获取三维影像时的成像器碰撞以及与其他手术设备空间位置的相互干扰，使成像更加精准。②与Iso－C型臂和三维C型臂不同，O型臂以360°圆形轨迹获取投影数据，从而对大量数据进行最佳数据采样，消除了因投影图像有限而需要人工重建的过程。③O型臂成像器顶端的光学追踪器可自动注册。有学者证实，与基于CT的导航技术相比，O型臂导航系统不需要进行点对点匹配，并可识别O型臂和附着在患者脊柱上的光学追踪器框架，通过自动注册减少相关操作时间［5］。④减少了术中的辐射暴露量，O型臂导航技术可实时获取手术器械和解剖结构的位置，不需要术中反复透视，辐射暴露量较传统脊柱手术明显降低。O型臂手术导航系统的术中辐射暴露量较64排螺旋CT减少50%［6］，Abul－Kasim等［7］研究发现，在保证成像信息准确的前提下，降低O型臂电压、电流等扫描参数可适当减少术中辐射暴露。

随着脊柱导航技术的发展，辅助手术器械也不断发展，如动力系统。由于脊柱外科手术需要反复徒手进行大量操作，故脊柱外科医师的慢性损伤很常见，而动力系统可以解决上述人体工程学问题，并且能够加快手术进度［8－9］。术中神经电生理监测通过探针实时检查神经功能，不仅能辅助判断椎弓根钉位置，还能够兼容器械和神经根，因此在椎弓根置入时，可通过神经电生理监测直接了解神经功能完整性，防止因操作导致的神经及脊髓损伤［10］，提高手术的安全性。因此，术中神经电生理监测联合计算机辅助导航系统有助于提供安全反馈。

2 计算机辅助导航技术在脊柱外科相关应用

2.1 计算机辅助导航技术在椎弓根置钉方面的应用 传统徒手置钉往往需要具有丰富临床经验的高年资医师进行操作，但也存在穿透椎弓根壁的风险，且颈段椎体的解剖结构较胸腰段椎体更复杂，解剖变异率较高，周围神经血管走行复杂，操作风险更大。计算机辅助导航技术有助于术者实时获取椎弓根螺钉和椎弓根的位置，从而确保置钉的进针方向及深度，提高手术操作的安全性及准确性。Fichtner等［11］对2 232例胸椎或腰椎手术患者进行回顾性分析表明，三维荧光透视导航可以显著降低术后翻修率。Rivkin和Yocom［12］对266例共置入1 651枚椎弓根螺钉的患者进行回顾性分析发现，O型臂系统提高了置钉准确率，椎弓根螺钉的破坏率为5.3%。Tang等［13］的Meta分析显示，计算机辅助导航置钉可以提高置钉的准确性。Wood和Mannion［14］发现，术中CT导航技术的置钉准确率高于术前CT图像导航技术，且术中CT导航技术可在螺钉置入同时监测腰神经根神经，从而进一步提升置钉的准确率。在冠状面上，L5椎弓根轮廓为斜椭圆形，置入螺钉时易穿透中下部椎弓根皮质，导致神经根损伤。韩骁等［15］的研究显示，应用计算机辅助导航可以明显提高术中L5水平置钉的准确性和安全性，尤其适用于腰椎滑脱和小关节肥大。

计算机辅助导航在颈椎节段置钉方面的研究亦较多。Theologis和Burch［16］通过一项回顾性分析总结了术中计算机辅助导航颈椎椎弓根螺钉置入的安全有效方法，并发现术中计算机辅助导航椎弓根螺钉置入的安全率超过99%，且无神经血管损伤。Hur等［17］证实，术中计算机辅助导航对高位颈椎置钉有益。Carl等［18］对C1～2骨折患者不同置钉方式进行比较，证实术中计算机辅助导航置钉的准确性更高。

胸椎椎弓根较腰椎椎弓根细小，胸椎置钉的准确性对于胸椎手术的成功率极其重要，尤其是T4～6水平。此外，胸椎椎弓根内侧壁与脊髓之间的“安全区域”相对较小，且不同患者间的解剖差异增加了该区域的手术难度和复杂性，尤其是脊柱侧弯患者存在不同程度的椎弓根变异或缺失、椎体旋转、融合等，对术中截骨矫形要求极高。有报道表明，胸椎区域徒手置钉的置钉失败率高达15%［19］。Elmi－Terander等［20］总结了增强现实手术导航的临床应用可行性，提出了增强现实手术导航并将其应用于胸椎置钉，并证实增强现实手术导航胸椎置钉的准确性较徒手胸椎置钉更高。Baky等［21］对217例脊柱疾病患儿(包括107例脊柱侧弯患儿)进行研究，徒手置钉组螺钉错位率高于CT导航组，且有严重错位以及因螺钉错位返回手术室翻修病例出现，而CT导航组无严重错位及翻修，可见CT导航可以明显降低术中置钉不准及重新翻修率。Wang等［22］在儿童尸体脊柱样本上分别评估传统置钉和应用三维软件导航模板置钉的准确性，结果显示导航组放置的20枚腰椎椎弓根螺钉经CT扫描证实螺钉均准确放置在相应椎弓根内，而使用传统方法置入的20枚腰椎椎弓根螺钉中有3枚刺穿椎弓根，表明三维软件导航模板可提高小儿椎弓根置螺钉的成功率。

2.2 计算机辅助导航技术在椎体成形术中的应用

经皮穿刺椎体成形术常用于治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折，通过注入骨水泥增加病椎强度，缓解疼痛。术中穿刺针置入有误往往引发神经损伤等，而计算机辅助导航技术在术前即可重建病椎三维结构并模拟手术操作，同时可观察终板及椎体前缘后壁裂缝，根据患者情况设计手术方案，确定进针的位置、角度、深度，有助于椎弓根穿刺成功，特别是重度压缩性骨折患者，由于椎体容量小，易发生骨水泥渗漏，且穿刺方法与常规穿刺不同，需在椎弓根中下1/3处平行于椎体或终板进针，以提高操作的安全性。谢清华等［23］研究显示，计算机辅助导航应用于椎体压缩患者的椎体成形术治疗时，可提高手术准确性、缩短手术时间、恢复椎体高度、缓解疼痛，从而提高患者的治疗满意度。在手术过程中，术者通过三维图像获取多平面的穿刺视角，提高穿刺精度，降低穿刺难度，并可观察骨水泥的分布或泄露情况，提高手术安全性，缩短透视及手术时间，减少并发症的发生。

实验研究显示，应用计算机辅助导航技术进行手术的辐射量明显低于传统透视，在单平面或双平面透视下进行的传统经皮穿刺椎体成形术治疗，无法获得z轴图像;当椎体骨折存在严重畸形时，二维透视引导下难以准确穿刺，需进行CT扫描，导致辐射剂量增加［24］。Izadpanah等［25］比较计算机辅助导航与常规透视辅助下的后路经皮穿刺球囊椎体成形术发现，使用计算机辅助导航系统可显著减少患者和术者的辐射暴露。

在计算机辅助导航系统下，手术精确度提高，手术适应证有所扩大，以往认为腰椎压缩超过3/4、胸椎压缩超过1/2、椎体后壁骨性结构不完整均属于手术禁忌证［26］，实际上，适度平卧或过伸可使椎体有一定程度的复位，并在后纵韧带及硬膜囊完整的情况下，通过计算机辅助导航辅助及术中监测辅助，小心精准地注入骨水泥，故可适度拓宽手术适应证。近年出现的椎体成形术联合内固定术，可进一步增加病变椎体的支撑作用，促进椎体高度及活动度的恢复，随着计算机辅助导航的逐渐应用，微创领域椎体压缩性骨折的治疗将有新的发展。

2.3 计算机辅助导航技术在全椎间盘置换术中的应用 对于严重椎间盘源性疼痛患者，可行全椎间盘置换术，在邻近节段退化、保留节间功能等方面，全椎间盘置换术优于融合术，且并发症少见。人工椎间盘的正确放置对于确保术后长期功能和最佳临床效果至关重要，如果人工椎间盘放置不当，特别是偏心旋转，可能导致人工椎间盘的受力不对称，引发远期位移。而选择全椎间盘置换术的患者往往是年轻患者，老年人群往往选择椎体融合术，因此椎间盘假体的使用寿命、大小合适、放置位置均十分重要。

计算机辅助导航的应用可更好地评估置入物的大小，并最大限度地优化置入位置、减少总辐射暴露量、更好地处理切口。大多数全椎间盘置换术术中均通过标准透视荧光检查法置入和评估置入物位置。每个椎体中线处均放置定位钉，并需要通过透视获得荧光共线，往往耗时较长，但视差和棘突偏斜等误差仍可能导致中线评估误差［27］，其所导致的不对称性对置入物的准确定位不利。计算机辅助导航全椎间盘置换术的视差效应和不准确性降低。应用0－arm等CT图像引导三维导航系统，可通过CT扫描(而不是标记螺钉)对中线进行连续确认，从而连续、准确地控制棘突和小关节与假体的相对位置。一项尸体研究显示，标准透视与CT图像引导系统过程间的差异无统计学意义［28］。一项非前瞻性非随机临床研究对CT图像引导系统与传统荧光检查法辅助下腰椎间盘置换术的准确性进行比较发现，与传统荧光透视法相比，CT图像引导系统偏心位置、轴向不良旋转、冠状位倾斜显著减少，表明CT图像引导系统辅助的全椎间盘置换术的准确性明显提高，可考虑常规用于腰椎间盘置换术［29］。

2.4 计算机辅助导航技术在慢性腰背痛介入微创治疗中的应用 相当一部分腰腿痛患者为椎间盘源性和神经源性，除少数患者需开放外科手术治疗外，大部分患者会寻求一般治疗与创伤较小的介入微创性治疗，如射频热凝疗法、化学溶解疗法、低温等离子椎间盘髓核成型、激光经皮椎间盘减压疗法等。其中治疗操作的准确度至关重要，操作误差可能损害重要神经、组织，计算机辅助导航技术的出现为脊柱病变的微创治疗提供了新的选择，将患者术前影像学资料(如CT、X线)输入导航系统，通过软件进行脊柱三维重建，在此基础上进行术前计划并模拟手术路线，在相关操作(如射频针置入)时通过高解像度显示屏观察轴位、矢状位、冠状位的手术入路以及角度、深度等参数。实际操作过程中，红外线摄像头动态追踪操作器械位于安全解剖位置，最大限度地避开危险区，并迅速到达靶点，减少不必要的手术创伤。精确定位是计算机导航手术的核心，目前常用导航设备(电磁导航、光感应导航)的精确度或误差仅为1.0～1.5 mm［30］。近年来出现一种新的超声容积导航技术，通过将静态或实时声像图与术前影像学资料进行图形处理并融合，利用电磁场跟踪技术追踪穿刺针上的微型电磁感应器，在实时超声引导下辅助定位病变并行穿刺活检等，弥补了常规超声成像因气体、体型、骨骼等因素干扰不易发现病灶的不足，具有实时、微创、无辐射等优势。刘彦斌［31］研究显示，与传统导航相比，超声容积导航技术引导下腰椎间孔穿刺的手术时间缩短，辐射量更低。

3 某些情况下计算机辅助导航技术的不足

术中计算机辅助导航在置钉方面具有临床应用价值，有学者认为，在某种情况下，计算机辅助导航置钉较传统徒手置钉并无明优势，亦未能完全消除相关手术风险。Hur等［17］研究发现，术中计算机辅助导航置钉需要丰富的操作经验并经历陡峭的学习曲线，且不能完全消除置钉时的皮质损伤率。Kim等［32］对应用术中计算机辅助导航置入C1侧块螺钉和C2椎弓根螺钉的患者进行术后比较分析发现，术中计算机辅助导航虽可提供更准确的置钉位置，但由于颈椎椎体解剖关系的个体差异性较大，仍需要具有丰富临床经验的医师操作，以保障手术的安全性。Wagner等［33］的大规模统计研究显示，术中应用计算机辅助导航系统的手术时间延长，未显示出明显的临床优势，术后并发症发生率亦未见降低。但Rivkin和Yocom［12］报道，术中计算机辅助导航技术优点的实现是以医师的学习曲线为前提的，对于经验不足的术者来说，计算机辅助导航技术并不能达到大量文献所显示的高精度。目前计算机辅助导航技术的发展时间较短，设备昂贵、使用成本高，且术中操作需精确无误，错误导航信息将产生严重后果，且术中设备松动等所致的机械性影像漂移、术中病变组织移位引起的结构性误差均会增加手术风险。随着计算机辅助导航技术的不断发展以及术者操作经验的不断积累，计算机辅助导航技术的临床应用前景仍十分可观。

4 小 结

随着计算机技术的不断发展，计算机辅助导航技术在脊柱外科的应用具有重要的临床价值。在复杂的(解剖变异、标志点不明确等)脊柱外科手术中，计算机辅助导航技术的应用可以促进手术的精准化、安全化、微创化，同时有助于医师理解、计划和模拟手术。计算机辅助导航技术减少了术中医师及患者的放射剂量，提高了手术安全性。目前，计算机辅助导航技术尚未广泛应用，除设备昂贵、使用成本高外，术中脊柱微动、变形、成像不准确等亦可能造成手术误差。未来，随着科技的不断发展，计算机辅助导航技术将用于更多脊柱外科疾病的治疗。