青少年特发性脊柱侧凸矫形术中置钉安全性的研究进展

杨雪健，陈焕雄，李国军，彭秋宇，黄 涛，孟志斌

（海南医学院第一附属医院脊柱外科，海南 海口 570102）

青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是一种发病机制尚未明确的复杂三维畸形，约占所有脊柱侧凸的75%～80%［1］。主要表现为冠状面失衡、矢状面生理弯曲异常改变以及椎体旋转，严重的侧凸畸形可导致肋骨畸形发育、胸廓变形压迫到心肺等重要解剖脏器，影响外观甚至降低患者预期寿命［2］。为了控制侧凸进展及改善外观畸形、消除患者心理障碍往往需要行手术治疗，目前主流的手术方式为经后路椎弓根螺钉内固定 矫 形 术。Boucher［3］在1959 年 首 次 将 椎 弓 根 螺 钉用于脊柱融合术，直到上世纪80 年代，椎弓根螺钉才得以广泛运用。与传统的钩状器械相比，椎弓根螺钉具有三柱固定的优点，同时具有更高的抗拔出强度和更好的旋转控制力，对侧凸矫形能力更强［4，5］。脊柱侧凸患者常常伴随着椎体旋转及椎弓根变细、椎体周围解剖结构异常，椎体畸形发育等问题。这给矫形手术置钉造成较大困难。研究表明在脊柱侧凸矫形术中螺钉误置发生率较高且可能导致灾难性的并发症［6］。AIS 螺钉误置不仅会造成脊髓及神经根受损，还有可能损害周围脏器，包括主动脉，奇静脉和食道［7-9］。如何提高置钉安全性、避免灾难性并发症发生一直是脊柱外科医师关注的焦点。相关研究表明与传统C 臂辅助置钉相比，使用计算机导航及3D 打印导板技术可提升置钉精确性，减少破壁率及并发症的发生提高置钉安全性。通过总结青少年特发性脊柱侧凸脊柱解剖结构发育的特点、器械相关并发症的临床经验以及目前各种置钉方式的优缺，希望能为术者进一步提高青少年特发性脊柱侧凸矫形术中置钉安全性提供参考。

1 青少年脊柱侧凸解剖结构与安全性关系

1.1 青少年特发性脊柱侧凸解剖特点

脊柱椎弓根的宽度很大程度上影响着椎弓根螺钉的置入，有研究表明椎弓根外侧和内侧皮质的宽度与脊髓至椎弓根内侧壁的距离显著相关，椎弓根越窄螺钉损伤的危险性越大，尤其是凹侧椎弓根螺钉损伤的危险性更大［10］。而AIS 患者与正常人体在椎弓根的解剖结构上存在很大差异，Panjabi等［11］研究发现最窄的椎弓根位于T3-T8 节段，平均直径为6.3 mm。Zindrick 等［12］发现最窄的椎弓根位于T5。总的来说，大多数研究者一致认为椎弓根最窄的部位是在T4-T6 节段。不过在不同种族及地区的人群中椎弓根宽度也存在差异。Tan 等［13］研究发现亚洲人的椎弓根宽度相对较窄。许多研究都发现发现脊柱侧凸的椎弓根宽度在胸弯凹侧较窄。Sarwahi［14］和Watanabe 等［15］发 现 AIS 患 者 的 凹 侧 椎弓根较细且畸形率较高，其中大部分位于上胸椎区域。Gao 等［16］研究AIS 组凹侧椎弓根宽度（4.99±1.87）mm 小于凸侧椎弓根宽度（6±1.66）mm 和正常组椎弓根宽度（6±1.45）mm，而AIS 凸侧椎弓根宽度与正常组相比无明显差异。同时还发现到在侧凸结构曲线上的顶椎区域椎弓根的变异程度最高。在Czerwein 等［17］研究当中发现C 型（宽度＜4 mm，无松质骨通道）和D 型（宽度＜2 mm，无松质骨通道）椎弓根的发生率分别为4.4%和3.2%。而畸形椎弓根中误置螺钉的穿破率为高达28.1%。综上所述，在青少年特发性脊柱侧凸患者中凹侧椎弓根宽度相对较窄且椎弓根畸形发生率较高，椎弓根螺钉的置入难度及螺钉误置概率更高，对于总结脊柱侧凸患者椎弓根形态解剖学特点，对于术中在置钉过程中优化螺钉路径的起点和轨迹具有重要意义。

1.2 误置螺钉造成奇静脉、食道损伤

为减少螺钉误置导致灾难性并发症的发生，很多学者针对已行脊柱侧凸手术患者的椎弓根与周围脏器的关系进行研究分析。研究表明AIS 螺钉的误置不仅会导致神经系统受损，还可能损害周围脏器，包括奇静脉和食道。Jiang 等［8］研究发现在AIS 椎弓根螺钉置入过程中，左胸椎（T7-T10）发生奇静脉损伤的风险更高，左侧奇静脉损伤的风险在T10 时为72%，在T8 时为85%，在无侧凸患者中，没有观察到螺钉置入导致两侧的奇静脉损伤。Takeshita 等［18］发现在T4 椎体，随着螺钉长度（凹侧30.5 mm 和凸侧29.4 mm）增加，食管损伤的风险也随之升高。

1.3 误置螺钉造成神经系统的损伤

在AIS 矫形术中误置螺钉穿破椎弓根内侧皮质很有可能损伤到脊髓，尤其位于上胸段区域。Şarlak 等［19］研究发现在AIS 矫形术椎弓根螺钉置入过程中，在T2-T3、T5-T9 凹侧螺钉导致脊髓损伤的风险最高。脊髓的损伤往往是灾难性的，术后恢复效果极差，较高位置的脊髓受损可能导致呼吸心跳停止，危及患者生命安全。当误置螺钉穿破椎体上下终板可损伤神经根，可能会造成相应区域阶段的感觉麻木及运动功能障碍。在脊柱侧凸矫形术中置钉与矫形过程中，容易发生术中神经系统损伤，使用神经电生理实时监测SEP 和MEP 指标可早期发现术中造成的神经系统损伤，对于术者的操作有预警作用，可预防继续操作造成病情加重的风险并能为及时寻找损伤原因提供帮助。可最大限度降低手术相关的神经损伤风险，是脊柱外科医生的左膀右臂，为脊柱矫形手术保驾护航［20］。

1.4 误置螺钉造成主动脉的损伤

目前国内外对于AIS 矫形术椎弓根螺钉误置造成的主动脉损伤鲜有报道，Jiang［7］与Liu［21］等发现主动脉损伤的最高风险是在T10、T11，其次为T4、T5。而Sarlak 研究发现T4-T8 凹侧螺钉和T11-T12 凸侧螺钉损伤主动脉风险升高［19］。Hicks 等［22］对脊柱侧凸手术中因椎弓根螺钉误置发生的并发症进行了综合分析，发现8 147 枚螺钉中有6 枚螺钉与主动脉相邻，发生率为0.07%。随着患者年龄的增长，主动脉逐渐硬化血管脆性增加。这些毗邻的椎弓根螺钉对于患者主动脉发生破裂出血是个巨大的安全隐患。Watanabek 等［15］提倡可以使用经食道超声心动图来识别由于误置螺钉导致的主动脉损伤。当误置螺钉与主动脉毗邻时，间接增加了远期主动脉损伤的风险。使用螺钉尖端消除以及食道超声等方法来预防及识别因螺钉误置引发的主动脉损伤，可在一定程度上提高患者的远期生存质量，降低安全隐患。通过总结大量脊柱侧凸手术患者器械相关并发症的临床事例，对于增加手术医师置钉经验及提高手术安全性具有重要参考意义。

2 误置螺钉的评价标准

2.1 X 线 与CT 评 估

回顾截止目前国内外相关误置螺钉的研究，关于椎弓根螺钉皮质穿破率的文献报道差别较大，螺钉穿破率的这种大范围变化是受评估方法的影响。使用X 线评估的研究螺钉穿破率非常低，范围从1.2%到3.0%［23-26］。而使用CT 评估的研究螺钉穿破率高达12%到17%［22，27］。这是因为CT 评估可从多个扫描的层面中确定出穿破程度最大的高质量图片，而X 线获取的影像图片质量较差造成的误差较大，因此使用薄层CT 评估对于破壁的椎弓根钉评价更为客观真实可靠。

2.2 椎弓根破壁分级

破壁分级的标准对误置螺钉的评价也有较大影响。Samdani［28］和Liu［27］等均使用CT 评估误置椎弓根螺钉穿破率，分别为12.1%和32.0%。产生这种差异的主要原因是由于使用不同的椎弓根螺钉破壁分级标准造成。Samdani 仅将椎弓根穿孔＞2 mm 纳入为误置螺钉，而Liu 将＞0 mm 的破壁螺钉也纳入进去。去除纳入标准的差别后，Liu 等研究的螺钉误置率降至15.4%，两者差距明显缩小。Hicks［22］等在对脊柱侧凸手术中椎弓根螺钉并发症的系统评价中，使用CT 评估的螺钉误置率高达15.7%。在2016 年，Sarwahi 等［29］认为当误置螺钉穿破内侧壁＞4 mm 或穿破前外侧壁距内脏边缘＜1 mm 时为危险螺钉，在他的研究中危险螺钉误置率为1.06%。椎弓根螺钉的误置率高低与评估方法及破壁分级标准有很大关系。使用CT 评估相对于X线评估椎弓根穿破率更客观可靠，同时规范化统一分级标准对于置钉安全性评价具有重要临床意义。

3 不同置钉方法的置钉安全性

3.1 传统方法置钉

目前脊柱侧凸矫形手术中的椎弓根螺钉置入技术多种多样，其中传统的技术包括徒手技术，透视辅助技术和漏斗技术。Kim 等［30］报道徒手技术下椎弓根总体穿破率为6.4%，Suk 等［31］研究发现使用透视辅助的置钉技术穿破率仅为1.2%。然而，在上述研究中大多数患者仅使用X 线进行评估以致于穿破率均较低。Suk 等［25］报道了漏斗技术的使用，发现14 例患者的总椎弓根穿破率为65.0%。2016年，Liu 等［27］报道了徒手技术在AIS 患者中的准确性（使用CT 评估），发现总穿破率为32.0%。但是，排除椎弓根外侧穿破后的皮质穿破率降至12.1%。Kwan 等［32］报道在140 名AIS 患者使用漏斗技术，经CT 评估2020 枚椎弓根螺钉的位置后发现总体螺钉穿破率为18.3%，但排除了螺钉外侧穿破后总体穿破率降至6.5%。他们认为大多数穿孔是由于胸椎区域发生的外侧穿破，尤其是位于右侧T3-T5 水平，这是手术医师下意识在该区域螺钉置入偏外引起的，考虑到螺钉被限制在肋骨与椎体交界处，这些胸椎水平的外侧穿破（椎弓根外技术）被认为是安全的。Xie 等［33］在重度脊柱畸形手术中使用五步置钉法，置钉失败率由17.8%降至0.4%。尽管传统技术置钉椎弓根穿破率较高，但螺钉引起的实际器械相关并发症发生率较低，其可靠性得到学者广泛认可。虽然近几年来各种置钉技术发展迅猛，不过传统置钉技术仍然是当前应用最广泛的置钉方法。在实际应用中，术者会根据实际情况灵活选择合适的方法。在置入螺钉后术中可使用C 臂透视实时评估螺钉的位置以调整螺钉，提高置钉精确性。传统置钉方法的主要优势在于：相比于导航与机器人技术可有效降低患者及医院的经济负担，减少了术前系统注册及导航准备时间。其劣势主要在于学习周期相对较长。在行脊柱侧凸矫形手术置钉过程当中，无法在术中实时获取患者脊柱立体三维图像以辅助置钉。侧凸患者畸形发育的椎弓根解剖结构对于术者是个巨大的考验，对于术者的手术技巧及临床经验要求较高。随着医疗卫生方面数字化技术飞速发展，计算机导航与骨科机器人在脊柱外科领域的临床实践中得到极大的应用跟广泛认可，使用这些高新技术可以填补传统方法的许多不足之处。

3.2 计算机导航辅助置钉

在术中透视的基础之上研发出计算机辅助导航技术。导航系统包括：C 型臂X 线机透视二维图像导航、CT 术前图像导航、Iso-C 术中三维导航、术中MRI 导航、术中三维CT 导航技术以及机器人辅助系统等［34］。导航的按原理类型还分为光学导航、磁导航以及超声导航等，其中应用最广泛最成熟的为光学导航。截至目前不少研究表明，在AIS 手术中使用计算机导航辅助可以提高椎弓根螺钉置钉精确性，并减少置钉时间和放射线辐射量［35］。与传统C 臂透视辅助下置钉相比，导航技术辅助置钉可从在定位手术区域、制备入钉点、确定置钉深度等过程提供实时三维影像，可以有效提升整体置钉精确度，降低内、外侧皮质穿破率，同时导航还可监测到置钉方向与角度，降低了脊柱矫形手术中椎弓根螺钉置入的难度和发生神经、血管损伤的概率［36，37］。虽然在很多学者的研究中使用计算机导航可提高置钉精度，但是使用计算机导航过程中也存在许多问题，最致命的莫过于导航漂移，导航一旦失准若没及时发现并进行校准将会发生灾难性的后果。尤其对于长节段的矫形手术，术中导航发生漂移的概率会大大增加。在导航使用过程中，导致导航漂移的因素有很多。脊柱本身就是弹性体在置钉过程中，脊柱与参考架之间会产生相对位移导致导航失准，其次是手术器械的形变以及导航球上的血迹等均可以导致导航漂移，手术过程中患者的呼吸运动在术中C 臂透视扫描时容易产生伪影从而影响导航精度。年轻医生在使用导航置钉时应熟悉椎弓根螺钉置入技巧及导航原理，不能盲目根据导航结果进行螺钉置入。若发现导航偏移及时寻求原因，避免因螺钉误置造成严重后果。在导航使用过程中应注意选取相对固定的髂骨放置参考架，避免光路遮挡，同时置钉过程中避免过度暴力使脊柱产生形变，可以使用高速磨钻辅助钉道制备。截止目前，有关导航漂移失准的临床研究很少有人报道。陈焕雄等［38］研究发现使用定位针导航实时校准技术可进一步提高置钉精度，同时可实时监测导航偏移的角度及方向，与单纯导航辅助AIS 置钉相比较，导航实时校准技术可即时监测到导航漂移的方向及角度，有效提高AIS 整体置钉精度，降低破壁率，减少并发症的发生。随着科技的不断进步与机器人时代的到来，脊柱机器人成为当前最新的手术导航方式。Fan 等［39］分析了不同置钉方式的精确性及疗效。脊柱机器人置钉176 枚（1 组），导航模板置钉134 枚（2 组），O 臂导航置钉234 枚（3 组），透视引导置钉346 枚（4 组）。1～4 中临床可接受螺钉置入率分别为94.32%、95.52%、90.60%、78.03%。与导航模板或O 形臂系统相比，机器人辅助技术在螺钉植入的准确性方面没有明显的优势，但它显著减少了不良事件、每枚螺钉的透视时间、术后住院时间和失血量。使用机器人和导航手术、徒手以及透视引导技术相比，它们在椎弓根螺钉放置方面提供了更高的准确性。导航技术为提高置钉精确性提供了一种新型手段，但也有其劣势：术前导航系统需要注册增加手术准备时间；它们的高昂成本和空间限制；学习导航曲线漫长；导航发生漂移导致灾难性并发症。3D 打印导板技术的出现填补了医院无法获取高精尖导航的空缺，导向模板技术与导航及机器人相比造价较低，置钉精确性同样可靠。

3.3 导向模板置钉

随着3D 打印技术的飞速发展，导向模板技术得到充分应用与发展。导向模板的使用原理首先是对手术患者进行术前脊柱薄层CT 扫描，再通过数字化软件对脊柱进行3D 重建，紧接着再根据椎体形态设计钉道、制作可以附着于椎体表面的导向模板。手术时直接将导板直接附着于患者脊椎，通过导板进行椎弓根钻孔，然后置入椎弓根螺钉［40］。Liu［40］与Fan 等［41］的研究中都发现导向模板比传统方式置钉的精确性更高，并且认为使用导板并不会影响手术时间，同时侧凸矫正率也没有显著差异。在Fan 等［41］的研究中发现导板组与导航组在螺钉置入的准确率与满意度上没有明显差异，但手术时间却显著低于导航组［41］。李洪珂等［42］认为使用3D 打印技术可以方便脊柱矫形手术。他们研究了在3D 打印技术的辅助下10 例患者共置入173 枚钉中术后CT 复查优良率高达97.1%。这些研究均证实了导板技术的有效性及安全性。当术中导航和机器人系统等昂贵的医疗设备无法获取时，3D 打印导向模板技术可以成为计算机导航与机器人有效的替代品。与传统置钉方法相比而言，3D 打印导航模板的优势在AIS 矫形术中辅助置钉可有效缩短置钉时间，明显减少X 射线透视频率带来的辐射剂量和置钉出血量，同时降低置钉难度、提升了置钉准确性［42］。此外，导航模板在置钉过程中可不考虑进针点的调整和方向，同时又实现了治疗方案和治疗措施的个体化和精确化，尤其适合经验缺乏的年轻医师完成椎弓根螺钉的置入。劣势在于为了使模板与骨面贴附性更好有利于准确置钉，往往需要剥离更多的骨性结构及软组织，在一定程度上增加了手术造成的创伤。在制作导向模板的过程中，必须经过多次数据的转化再加上制作工艺的差异，常常存在着一定误差；除此之外高温消毒也可能引起形变。制作需要一定的周期，间接增加了患者的住院时间与经济负担［43］。导向模板技术具备导航系统辅助下的置钉精确性，但导板技术在材料的设计与实际的应用当中仍有许多有待提高的空间。

4 展望

与传统的脊柱内固定器械相比较，椎弓根螺钉具备更好的生物力学优势，可在脊柱侧凸手术中转化为更高的侧凸矫正率。但是，该技术具有引起神经系统以及主动脉，奇静脉和食道受伤的风险。因此，脊柱外科医生应该对脊柱畸形及其周围内脏结构的形态学有充分的了解，防止灾难性并发症的发生。此外，只有将合理、高效、精确及个性化的置钉理念融入到传统技术、导航技术以及导向模板技术当中。才能最大程度的降低螺钉穿破率和提高置钉安全性，最终使患者更大的受益及提升远期生存质量，减少术后并发症的发生。目前在青少年特发性脊柱侧凸置钉安全性方面的研究已经取得较大进展。相关研究结果表明使用计算机导航、机器人及导向模板技术可有效提升置钉精确性，降低破壁率，提高安全性。使用术中神经电生理监护可降低神经系统损伤的风险，实时为患者保驾护航。在未来的研究中应该聚焦于标准化螺钉穿破分级的制定，致力于计算机导航系统及机器人的研发以及椎弓根螺钉置入导板材料方面的研究［44，45］。

作者贡献度说明：

杨雪健：收集相关文献及论文书写；孟志斌：文章项目构思及审核；其余作者参与文献收集、分析。

所有作者声明不存在利益冲突关系。