O臂导航技术在颈椎手术中的优缺点

许帆卿，李永江，王文波

哈尔滨医科大学附属第一医院骨科，黑龙江 哈尔滨 150007

相较于胸椎和腰椎，颈椎具有骨性结构小、椎弓根复杂易变和骨性结构与血管神经毗邻更加紧密等特点，使得手术风险大，因此，颈椎手术的术中操作精确度要求更高。O 臂导航技术作为术中导航的代表，自2008年推出以来，作为图像引导手术的前沿技术逐渐被运用于颈椎多种疾病的诊断和手术治疗中，如退变性疾病、畸形、创伤性骨折脱位、原发或继发性椎体肿瘤、颈椎感染等[1-2]。导航系统可将O 臂术中扫描所获得的三维解剖影像、手术器械和颈椎手术操作部位在空间位置上自动配准，在屏幕上即可直观地看到手术器械与颈椎解剖结构的位置关系，是颈椎手术中先进的辅助技术。大多数学者认为O 臂导航技术相较于传统颈椎手术具有明显优势，但也有研究对O 臂导航技术的实用性质疑，本研究就O 型臂导航技术在颈椎手术中的优缺点展开如下综述。

1 颈椎手术中O臂导航的优点

1.1 增加颈椎椎弓根螺钉置入的准确性

随着手术器械的不断发展，颈椎椎弓根螺钉和侧块螺钉内固定技术的治疗效果已经得到广泛认可。有生物力学研究证明，椎弓根螺钉可贯穿颈椎前中后柱，较侧块螺钉能提供更强的生物力学稳定性，同时有着更高的抗压强度和更低的松动率[3-5]，对严重颈椎畸形、颈椎刚性内固定患者尤其适合。但颈椎椎弓直径仅5～7 mm[6]，容易造成椎弓根螺钉在置入时穿孔。同时椎弓根外壁与椎动脉的安全距离仅0.65～1.70 mm，下壁与下神经根距离仅1.4～1.7 mm，而椎弓根内侧皮质厚度约为1.2～2.0 mm，外侧皮质仅0.4～1.1 mm[4，7]，这极易造成在置入椎弓根螺钉时突破外壁和下壁引起椎动脉和神经根损伤，一旦发生，可能引起脑血管意外、肢体神经功能障碍等严重后果。特别在椎动脉变异和严重颈椎退变/畸形引起椎弓根进一步减小的情况下，置钉造成血管神经损伤的风险将进一步增加。徒手置钉是以解剖标志为基础，当颈椎病变时存在椎弓根钉进入点和置钉轨迹的不确定性和低重复性[8]，尤其在颈胸交界处受肩部的干扰，使得徒手置钉的错位率更高。有研究报道，传统的C 臂X 线机透视下徒手置钉错位率高达6.7%～40.4%[9-10]。

O 臂导航最大的优势就是可提高置钉的准确性。O 臂导航技术通过设置直径、长径等参数在图像上显示出一条可视化的、虚拟的置钉路径，同时模拟出一虚拟螺钉并设计出置钉点和方向，并显示重建图像上虚拟螺钉与颈椎解剖结构的相对位置，使得整个置钉过程均在定向、可视化下进行，无需依赖骨性标志即可进行解剖定位，也无需依赖直接视觉，克服了传统透视下头颈交界和颈胸交界处等部位无法可视化的缺陷，对复杂畸形、严重骨质增生患者尤其有利[11-12]。Chachan 等[8]对44 名患者在O 臂导航辅助下置入241 枚椎弓根螺钉，结果显示，总体的破裂率为7.05%（17 枚螺钉），经过Gertzbein 分级，完全位于椎弓根中的螺钉被归类为0 级，椎弓根破裂≤2 mm 为I 级，椎弓根破裂2-4 mm 为Ⅱ级，椎弓根破裂＞4 mm 为III 级。0级和I 级认为是可以接受的、安全的。10 枚螺钉为I 级，7枚螺钉为Ⅱ级，未出现血管神经损伤。因此O 臂导航技术使颈椎椎弓根螺钉置入更加准确、可靠。Jing 等[13]利用O臂导航辅助颈椎椎弓根钉内固定治疗30 名寰枢椎不稳患者，共置入螺钉139 枚，130 枚螺钉（93.53%）置入位置精确，无破壁，螺钉错位率为6.47%，O 臂导航可以帮助术者对颅颈交界复杂的解剖做出精准分析，提高螺钉置入的准确性，降低手术风险。赵若宇等[14]也得出相似结论，其比较了传统透视与O 臂导航辅助下后路椎弓根螺钉内固定治疗寰枢椎骨折时置入的准确性，研究结果显示，O 臂导航下螺钉透壁率为3%，而传统透视组透壁率高达18%。有研究[15]对82 名O 臂导航下颈椎椎弓钉内固定患者进行回顾性研究，在置入的297 枚椎弓根螺钉中仅17 枚螺钉（5.7%）认为置入位置不可接受，并且未出现因血管神经损伤或螺钉错位需要行二次手术的情况。综上，O 臂导航辅助颈椎椎弓根螺钉置入优势明显高于传统透视下徒手螺钉置入。

1.2 克服术前CT导航的不足

O 臂导航作为术中导航的典型代表，虽然所获得的图像质量已接近64 排螺旋CT，能基本满足各种颈椎精准手术的需要。相比于术前CT导航，O臂导航技术独特的优势体现在：（1）O臂导航配准易操作且高效。术前CT导航将CT 影像资料传入计算机后，需要在颈椎表面选择多个解剖点与CT 图像上所对应的点进行徒手配准，之后需选择数个点对配准的准确性进行验证，如果准确性认为不可接受，则需重新配准，这一过程冗长、繁琐。而O 臂导航在术中扫描后则是在颈椎上固定参考架，待术中获得图像后自动传输图像数据，自动配准，配准过程简单且高效。有研究[16]指出，相较于术前CT导航，使用O型臂导航使得配准加置入一枚椎弓根螺钉时间减少超过50%。（2）O 臂导航的准确性高于术前CT 导航。Koivukangas 等[17]在模具上分析O 臂导航技术自动配准的误差，计算出实际位置坐标与导航图像对应坐标的平均位置误差仅0.2 mm，证明自动配准算法精确性和可靠性。Shimokawa等[18]对762枚颈椎椎弓根螺钉进行了统计，结果表明，术前CT 导航椎弓根螺钉置入的错位率为3.3%（452 枚螺钉中15 枚），而使用O臂导航错位率仅0.6%（310 枚螺中2 枚）。O 臂导航的准确性高于术前CT 导航可能与自动配准的精确性高于徒手配准、术中标准手术体位的实际颈椎解剖位置和术前CT 扫描仰卧位时的数据不一致有关[10，19-20]。

1.3 减少术者辐射暴露

传统颈椎手术常须使用透视技术进行定位和评估螺钉置入的准确性，如置钉不满意则需反复透视以将螺钉调整到合适的位置，避免发生穿孔，尤其在微创手术中，反复透视至关重要，使得术者的辐射照射剂量远高于其他医生。有研究[21-22]统计，每一病例术中平均透视时间为35.3 s，这对术者的影响不可忽视。而O 臂导航仅需1 次扫描，不仅减少了辐射暴露的次数，并且术者及手术室所有工作人员在扫描开始前离开手术室，使得术者的辐射暴露几乎为零[12，23-25]。

1.4 降低手术难度

对于复杂的颈椎手术，如严重的畸形、脱位、肿瘤等，O 臂导航被认为是更有效的辅助技术。O 臂导航可以将目标结构可视化，使得解剖结构和置入物在屏幕上一目了然，尤其可以降低传统透视无法可视化区域手术的难度。 例如，颈胸交界处难以用透视有效观察其解剖结构，并且在术中更难以评估截骨的实际深度，手术难度大，但O 臂导航在提供良好的三维可视化结构同时可对截骨深度有效把控，在极大降低手术难度的同时保证了手术的安全性，Shin 等[26]对12 名患者行O 臂导航下颈胸交界处椎弓根减压截骨术，结果显示，12 名患者均无截骨椎体前壁破裂。有研究曾对4位不同经验的医生行O臂导航下C1 侧块和C2 椎弓根螺钉置入准确性进行回顾性分析，即使在临床经验相对不足医生所进行的手术中， C1 侧块螺钉和C2 椎弓根螺钉置入的准确率依然十分理想（分别为95.6%、91.3%）[27]。

1.5 减少手术时间

O 臂导航的准备步骤需要额外扫描和配准的时间，有研究统计额外持续时间约为15.6 min，在熟悉导航系统后可缩短至10.0 min[28]。但O 导航实际扫描时间仅17 s，并且自动传输数据，自动配准[8]，明显缩短了螺钉的置入时间。由于术前准备额外时间几乎是一定的，故相较于传统透视，置钉越多，总体手术时间越短[29]，在颈椎畸形的患者中表现得尤其明显，O 臂导航辅助下无论置钉还是截骨都能有效减少手术时间[23，26，30]。

2 颈椎手术中O臂导航的缺点

2.1 增加患者辐射暴露

辐射可能增加癌症的发生率，尤其对于未成年人影响更大。有研究[31]报道，与未暴露患者相比，暴露于CT扫描的患者发生癌症的风险增加24%，并且发病率在未成年人群中更高，每次额外的CT 扫描风险增加0.16%。Simony等[32]对215 名接受25 年治疗的青少年特发性脊柱侧弯患者进行跟踪随访后认为，辐射暴露可能使该队列癌症发生率增高5 倍。O 臂导航虽然减少了术者的辐射照射，但明显增加了患者的辐射暴露。Bratschitsch 等[33]比较了18例透视和19例O臂导航病例的辐射剂量，结果发现，导航的辐射剂量约为透视的3 倍。两项研究[21-22]都得出相似的结论，术中O 臂导航辅助下的辐射剂量显著高于传统透视。这与O 臂扫描时需采集比透视广泛得多的影像数据、术中置钉后立即检查螺钉位置产生的额外辐射有关。

虽然O 臂导航辐射剂量较高，但是，可以在不影响图像质量的情况下使用低辐射剂量方案来降低辐射危害。既往文献报道，颈部有效辐射剂量约为3 msv[23]。通过采用低辐射剂量方案以及对手术部位精确扫描可使辐射剂量减少5～13 倍，并且对成像质量几乎无影响[34-35]。Sarwahi等[36]在不同辐射剂量下评估O 臂导航辅助置钉的准确性，发现低、极低、超低辐射剂量均不影响置钉的准确性。不同辐射剂量所获得的图像均可用于术中导航和评估。但即使O 臂导航辐射剂量高，在复杂的颈椎手术中，基于O 臂导航的有效性，额外大剂量辐射也被认为是可以接受的。

2.2 陡峭的学习曲线

O 臂导航技术有着陡峭的学习曲线。对于没有导航经验的医生来说，O 臂导航辅助下颈椎手术的错误率可能高于传统透视，准备步骤的额外时间也会延长，这与术者对该技术操作的流畅度有关。但当对O 臂导航技术熟练掌握后，手术错误率和额外准备时间都有明显缩短的趋势[15，25]。有研究[37]认为，至少15例手术经历是获得导航技术经验所必需的。考虑到O 臂导航陡峭的学习曲线，在模拟器上对O 臂导航技术进行大量练习是十分必要的，而且推荐初学者从相对安全的解剖部位或较容易的病变开始尝试。

2.3 成本高昂

O 臂导航技术的成本也是一个不可忽略的问题。相比较于C 臂X 线机，O 臂导航的价格要高得多，因此需要医疗机构在技术采用的频率上精准把控。Dea等[38]通过对502名患者进行O 臂导航技术的经济评估，认为只要每年执行该技术超过254 次，由于降低了二次手术概率，在经济方面对医疗机构是有积极意义的，对于手术量不多的医疗机构可能并不能带来效益。

3 O臂导航准确性受限于参数设置

值得注意的是，即使在O 臂导航辅助下已显著提高置钉的准确性与安全性，但螺钉错位的风险依然存在。椎体间的位移或旋转、参考架的位置可能是引起螺钉错位的主要原因。颈椎是具有高度活动性的骨性结构，即使患者头部被固定也不能完全消除椎体间的相对位移，尤其颈椎不稳的患者更易产生位移。有学者认为椎体间位移超过4 mm或椎体旋转大于7°即可引起导航置钉不准确[39]。当导航引导下丝攻或螺钉插入时，由于对椎体施加一个向下的推力会引起椎体的旋转或位移，而O 臂扫描所获得的图像并不能准确反应椎体实时位置变化，从而导致置钉不准确[27]。同时，由于椎体旋转和椎旁肌的推动作用使得导航探头弯曲和置钉的角度改变引起误差[19]，而这种误差是难以预料的。因此有人建议在导航手术中使用低转速钻以减少椎体间位移或旋转带来的影响[7]。参考架位置的改变也是引起置钉错位的重要因素。当参考架发生移位时，屏幕上图像的位置与实际位置将不一致，使得置钉发生错误。所以将参考架牢固地固定在棘突上并且避免术中意外触碰至关重要。多项研究均指出，当手术区域离参考架越远，置钉的错位率越高。Oba等[40]发现，当置入的螺钉≥9枚时螺钉的错位率高达12.2%，当操作区域离参考架≥3 个椎体时，置钉错误的发生率将升高。故当置钉位置离参考架较远时，建议在置入下一枚螺钉前验证导航图像位置与实际解剖是否一致。

4 总结

O 臂导航技术作为颈椎手术中的新型辅助技术，其有效性已经得到临床证实。在提供良好可视化同时提高颈椎手术的精确性是它的最大亮点。同时在降低颈椎手术难度，缩短手术时间以及减少术者辐射剂量方面也有着积极作用。但是，与其他技术一样，O 臂导航技术也有不足之处，对其过度依赖参数、对患者的高辐射暴露和陡峭的学习曲线是值得关注的问题。总之，O 臂导航技术虽然有明显的优势，但完善的术前评估，丰富的手术经验，解剖结构的清楚认知才是成功完成各种颈椎手术的关键。O 臂导航作为重要的辅助技术，在颈椎手术的优缺点仍需要大量实验研究及临床对比分析来进一步证实和完善。