輔助技術(shù)應(yīng)用下脊柱側(cè)凸矯形手術(shù)的研究進(jìn)展

封顯濤，陸曉生

（1.右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院，廣西 百色 533000；2.北流市人民醫(yī)院骨外科，廣西 玉林 537400）

脊柱側(cè)凸常伴有三維畸形，累及冠狀面、矢狀面及橫斷面，特發(fā)性脊柱側(cè)凸是常見類型，約3%青少年受累[1]，其癥狀可因側(cè)凸程度不同而不同，包括影響美觀、心肺功能受限及脊髓神經(jīng)損傷等。Cobb 角是評(píng)估脊柱側(cè)凸的金標(biāo)準(zhǔn)，治療方式取決于脊柱側(cè)凸畸形程度，對(duì)于嚴(yán)重或進(jìn)展速度快的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者最終仍需手術(shù)治療。椎弓根釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定為常用的手術(shù)方式，以矯正畸形，解除脊髓、神經(jīng)壓迫，恢復(fù)穩(wěn)定性及減緩或阻止進(jìn)程等為手術(shù)目的，其中選擇融合節(jié)段也至關(guān)重要[2]。椎弓根解剖形態(tài)對(duì)手術(shù)影響較大，側(cè)凸畸形患者椎弓根常嚴(yán)重變細(xì)、變形或缺如，椎弓根螺釘難以通過(guò)甚至無(wú)法通過(guò)，此時(shí)置釘侵入椎管、損傷脊髓神經(jīng)及大血管風(fēng)險(xiǎn)高，并發(fā)癥將對(duì)患者造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。崔冠宇等[3]研究發(fā)現(xiàn)青少年脊柱側(cè)凸患者在胸椎椎弓根參數(shù)與正常青少年在胸彎頂椎附近差異明顯，在凹側(cè)椎弓根寬度較窄。為了提高置釘精確度、降低相關(guān)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，輔助技術(shù)逐漸被應(yīng)用于臨床，幫助術(shù)者預(yù)判置入椎弓根釘和手術(shù)難度、提高側(cè)突矯形成功率具有重要作用。本研究檢索國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)輔助技術(shù)應(yīng)用下脊柱側(cè)凸矯形手術(shù)的研究進(jìn)行總結(jié)，以期為臨床提供有益參考，現(xiàn)綜述如下。

1 有限元分析

有限元分析（FEA）利用數(shù)值求解工程和數(shù)學(xué)建模中出現(xiàn)的微分方程的技術(shù)，對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)模擬，先離散、后整合，以有限元素（即單元）模擬復(fù)雜的真實(shí)系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛用于生物力學(xué)研究中[4]，如在脊柱外科領(lǐng)域可進(jìn)行模擬仿真手術(shù)等。許陽(yáng)陽(yáng)等[5]建立正常與Lenke 1型側(cè)凸脊柱三維模型，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變?cè)陧斪底兓蠲黠@，凹凸側(cè)應(yīng)力不均衡，生理應(yīng)力曲線改變，一側(cè)需代償維持；椎弓根螺釘后路矯形融合的效果已被認(rèn)可，但仍存在螺釘松動(dòng)、拔出和斷裂等并發(fā)癥，Musapoor 等[6]研究矯正力大小與螺釘密度關(guān)系，結(jié)果顯示使用更高的螺釘密度，應(yīng)力分布明顯更大；上椎體固定技術(shù) （UIV）可能對(duì)側(cè)凸矯形后相鄰節(jié)段疾病、交界處后凸畸形和假關(guān)節(jié)形成有影響，Nevzati等[7]通過(guò)三種固定技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)椎弓根螺釘剛性強(qiáng)，上椎體應(yīng)力、拔出力最高，橫突鉤剛性小，但相應(yīng)上椎體應(yīng)力小，由于生物力學(xué)存在差異，在指導(dǎo)選擇上端固定技術(shù)方面可能需要對(duì)患者進(jìn)行個(gè)性化評(píng)估；Wu 等[8]利用FEA 研究脊柱縮短的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在符合需要時(shí)，脊柱畸形矯正需盡量保留脊柱長(zhǎng)度，以防止脊髓損傷、內(nèi)固定物骨折和鄰近節(jié)段?。ˋSD）；鄔超等[9]通過(guò)FEA 側(cè)凸椎體及椎間盤的不同位置受力及位移情況，同時(shí)提供整體到局部的量化指標(biāo)；吳曉薇等[10]對(duì)側(cè)凸患者進(jìn)行活動(dòng)度及應(yīng)力應(yīng)變的模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)畸形最明顯處的椎體應(yīng)力變化趨勢(shì)與靜態(tài)時(shí)相反，提示脊柱側(cè)凸改變了正常生物力學(xué)。通過(guò)FEA 可了解脊柱側(cè)凸后應(yīng)力分布及鄰近組織受力情況，將復(fù)雜、抽象化的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬?，利于?duì)應(yīng)解釋復(fù)雜變化。辛大奇等[11]對(duì)AIS 在前后5 年模擬矯形手術(shù)，對(duì)比結(jié)果示胸、腰椎側(cè)凸的矯形率及矯形效果均明顯下降，同時(shí)各術(shù)式下的螺釘應(yīng)力最大區(qū)域也發(fā)生了變化，建議有手術(shù)指征的患者盡快選擇合適的術(shù)式；王永清等[12]對(duì)Lenke5 型AIS 患者T3～L5節(jié)段鈦棒應(yīng)力變化進(jìn)行分析，結(jié)果顯示鈦棒在胸彎下端椎與腰彎上端椎應(yīng)力較大，尤其在左、右旋轉(zhuǎn)工況下。模擬螺釘置入術(shù)后并分析與各椎體間的應(yīng)力變化，同時(shí)在效仿人體活動(dòng)時(shí)受力情況，對(duì)螺釘失效方面有力學(xué)參考價(jià)值。

FEA 可對(duì)側(cè)凸患者術(shù)前進(jìn)行可視化模擬仿真手術(shù)，分析在矯正力作用下螺釘、椎體及鄰近節(jié)段椎體、椎間盤等應(yīng)力變化及矯正規(guī)律，為臨床提供生物力學(xué)參數(shù)及指導(dǎo)；其次了解脊柱各節(jié)段的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，可對(duì)比手術(shù)前后活動(dòng)度丟失程度，預(yù)測(cè)椎體退變情況。但FEA 是否能真實(shí)、可靠反映側(cè)凸患者實(shí)際情況，與建模有很大關(guān)系，脊柱周圍解剖復(fù)雜，在側(cè)凸基礎(chǔ)上增加了變異可能，實(shí)際應(yīng)用需在臨床工作中進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 3D 打印

3D 打印技術(shù)在降低脊柱側(cè)凸矯形置釘難度中起到很大幫助，通過(guò)重建手術(shù)節(jié)段脊柱三維模型，導(dǎo)入3D 打印機(jī)后得到解剖實(shí)體模型，在體外實(shí)體模型中模擬手術(shù)，研究適合的進(jìn)針點(diǎn)、角度及螺釘長(zhǎng)度、大小，并可在三維層面觀察解剖區(qū)域和畸形細(xì)節(jié)[13]。高笛等[14]對(duì)76 例脊柱側(cè)凸患者研究中發(fā)現(xiàn)，3D 打印組可以提升手術(shù)效果，提高矯形成功率；沈建輝[15]對(duì)12 例脊柱后凸畸形患者進(jìn)行頸椎體截骨術(shù)，結(jié)果顯示結(jié)合3D 打印技術(shù)可減少手術(shù)創(chuàng)傷、提高置釘成功率。體外手術(shù)節(jié)段3D 模型可幫助術(shù)者詳細(xì)了解局部特殊解剖特征，構(gòu)建手術(shù)計(jì)劃，并可反復(fù)進(jìn)行手術(shù)關(guān)鍵操作，增加熟練度，對(duì)真實(shí)術(shù)中情況有預(yù)判作用。此外，衍生出3D 打印導(dǎo)航模板，通過(guò)脊柱后方椎體骨性標(biāo)志設(shè)計(jì)出與后方緊密相貼的定位標(biāo)志模板，可以術(shù)前規(guī)劃置釘角度、深度及大小等，制作出個(gè)體化模板輔助置釘，姜成浩等[16]運(yùn)用3D 打印導(dǎo)航模板對(duì)9 例脊柱側(cè)凸患者畸形矯正，結(jié)果顯示置釘安全率為83.9%；徐會(huì)法等[17]研究認(rèn)為3D 打印組與導(dǎo)航模板組在置釘精確度比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在手術(shù)時(shí)間、置釘時(shí)間、術(shù)中出血量方面3D打印組占優(yōu)，可能與3D 打印組無(wú)需安裝定位模板有關(guān)；白云松等[18]使用3D 打印技術(shù)清晰、直觀顯示兒童先天性脊柱側(cè)凸的脊柱結(jié)構(gòu)及形態(tài)，在置釘準(zhǔn)確率上明顯高于對(duì)照組；李雷等[19]研究將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于AIS 后路內(nèi)固定矯形手術(shù)，可提高螺釘置入準(zhǔn)確性，縮短置釘時(shí)間。3D導(dǎo)航模板猶如提前設(shè)計(jì)置入通道，在充分暴露解剖部位后安裝好即可進(jìn)行操作，以上研究均顯示3D打印可明顯提高置釘準(zhǔn)確性，一定程度上減少反復(fù)術(shù)中透視和輻射暴露，在矯形效果方面有所改善。導(dǎo)航模板在脊柱后方如何穩(wěn)定安裝是其重要點(diǎn)，根據(jù)后方解剖結(jié)構(gòu)，王輝等[20]采用棘突和椎板鄰近關(guān)節(jié)突區(qū)域作為固定點(diǎn)，具有較好的安裝穩(wěn)定性，這是準(zhǔn)確置釘?shù)幕A(chǔ)，否則可影響置釘角度、增大誤差等。

在臨床應(yīng)用中，3D 打印技術(shù)可以提供手術(shù)節(jié)段模型，在術(shù)前模擬手術(shù)、了解術(shù)中關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)置釘導(dǎo)航模板，幫助手術(shù)醫(yī)生置釘、定位等，特別是對(duì)于年輕醫(yī)生來(lái)說(shuō)，可減少學(xué)習(xí)曲線，提高置釘精確度，避免嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生。但是3D 打印耗時(shí)長(zhǎng)，時(shí)效性差，對(duì)患者CT 數(shù)據(jù)質(zhì)量及3D 打印硬件要求高，同時(shí)費(fèi)用較昂貴，其在解剖變異明顯的患者中可能應(yīng)用價(jià)值更高。且也存在模型與實(shí)體之間的誤差，術(shù)中仍需謹(jǐn)慎操作。

3 骨科機(jī)器人

隨著醫(yī)學(xué)智能化發(fā)展，骨科智能機(jī)器人逐漸應(yīng)用于脊柱外科，以提高椎弓根釘置入精確度。該系統(tǒng)通過(guò)CT 掃描獲得手術(shù)節(jié)段影像數(shù)據(jù)并導(dǎo)入控制系統(tǒng)，對(duì)手術(shù)節(jié)段螺釘角度、大小進(jìn)行設(shè)置并執(zhí)行，視蹤系統(tǒng)監(jiān)視下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到指定位置，并借助定位通道置釘。特發(fā)性脊柱側(cè)凸主要累及胸椎和腰椎，胸腰椎椎弓根各有不同，胸椎椎弓根寬度偏小，特別是T4或T5[21]，然而對(duì)于側(cè)凸患者，椎弓根解剖變異明顯，凹凸側(cè)差異大，甚至一側(cè)缺如，使置釘難度大大增加，同時(shí)損傷脊髓神經(jīng)和大血管的風(fēng)險(xiǎn)增加，特別是嚴(yán)重側(cè)凸者，對(duì)置釘精準(zhǔn)度、術(shù)者技術(shù)要求高。目前骨科機(jī)器人在置釘方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。宋玉鑫等[22]研究發(fā)現(xiàn)，與3D 打印技術(shù)比較，機(jī)器人輔助下明顯提高了A類螺釘置入的準(zhǔn)確率；張同同等[23]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人置釘可以減少D 類級(jí)結(jié)果；凡君等[24]研究比較骨科機(jī)器人和徒手置釘?shù)男ЧY(jié)果顯示骨科機(jī)器人不僅在提高置釘準(zhǔn)確度、減少出血量及縮短住院時(shí)間等方面占優(yōu)，同時(shí)還可提高整體療效；Chen 等[25]使用機(jī)器人對(duì)退行性脊柱側(cè)凸矯形，置釘準(zhǔn)確率為98.7%，高于徒手置釘?shù)?2.2%。在提高置釘精確的同時(shí)，骨科機(jī)器人手術(shù)術(shù)后效果也有很大改善。李軍杰等[26]運(yùn)用天璣機(jī)器人對(duì)伴有椎體旋轉(zhuǎn)的脊柱側(cè)凸患者進(jìn)行導(dǎo)航置釘，總誤置率為1.1%，無(wú)二次調(diào)釘，術(shù)后效果滿意；包夢(mèng)穎等[27]對(duì)一位主彎Cobb 角40°的特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者矯形，機(jī)器人輔助下術(shù)后側(cè)凸畸形明顯改善。翟功偉[28]用Mazor 機(jī)器人輔助置釘28 例，與徒手置釘比較，在單個(gè)螺釘置入時(shí)間上占優(yōu)，可能在連接系統(tǒng)、機(jī)器人操作等方面耗時(shí)多，但一次性精準(zhǔn)置釘后減少反復(fù)調(diào)整螺釘及透視次數(shù)。同時(shí)骨科機(jī)器人的出現(xiàn)也帶動(dòng)了脊柱微創(chuàng)置釘?shù)难葑?，術(shù)前規(guī)劃完畢后可經(jīng)皮置入螺釘，遠(yuǎn)比常規(guī)顯露手術(shù)部位創(chuàng)傷小。

機(jī)器人輔助導(dǎo)航技術(shù)無(wú)疑為椎弓根安全置釘提供幫助，提高置釘準(zhǔn)確性、安全性，但可能會(huì)增加手術(shù)時(shí)間、經(jīng)濟(jì)費(fèi)用等，特別是定位出現(xiàn)故障時(shí)，將導(dǎo)致整體出現(xiàn)偏差，此時(shí)需要多次調(diào)整螺釘或重啟設(shè)備。盛偉超等[29]分析可能的原因包括椎體節(jié)段定位錯(cuò)誤、解剖位置暴露不良、通道管滑移及手術(shù)臺(tái)位置變化等，要求手術(shù)醫(yī)生需術(shù)前、術(shù)中注意任何一個(gè)操作細(xì)節(jié)，否則可能會(huì)影響全局。

4 總結(jié)與展望

FEA 能可視化模擬手術(shù)，了解固定器置入后應(yīng)力應(yīng)變情況，提供關(guān)鍵定性生物力學(xué)參考；3D 打印技術(shù)提供側(cè)凸模型，制訂個(gè)性化置釘導(dǎo)航模板，深入了解手術(shù)節(jié)段解剖細(xì)節(jié)及為術(shù)者提供體外練手機(jī)會(huì)；骨科機(jī)器人系統(tǒng)體外規(guī)劃螺釘進(jìn)針點(diǎn)、角度及大小，可重復(fù)操作直至滿意，同時(shí)也推動(dòng)了微創(chuàng)置釘?shù)陌l(fā)展。總之，輔助技術(shù)應(yīng)用于脊柱側(cè)凸矯形手術(shù)極大提高椎弓根螺釘置入精確度，減少螺釘誤置導(dǎo)致的嚴(yán)重并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于嚴(yán)重側(cè)凸患者，但各輔助技術(shù)應(yīng)用也存在相關(guān)局限性。

當(dāng)前脊柱矯形融合以椎弓根釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定為主要方式，然而脊柱側(cè)凸椎弓根變異也是手術(shù)面臨的棘手問(wèn)題。針對(duì)椎弓根置入螺釘條件差的情形，有學(xué)者提出椎弓根外內(nèi)固定，如新型脊柱改良系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)入椎管，以橫突為固定點(diǎn)，只需顯露橫突或椎板進(jìn)行操作，從而降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和減少并發(fā)癥，經(jīng)過(guò)生物力學(xué)及FEA 研究，從理論上可以達(dá)到冠狀面和水平面類似于椎弓根釘棒固定強(qiáng)度，存在微動(dòng)態(tài)固定，可減緩鄰近節(jié)段退變[30-31]；但該系統(tǒng)目前仍處基礎(chǔ)研究階段，其中一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于橫突鉤與橫突的契合度，胸腰椎橫突形態(tài)學(xué)三維角度差異大，前期研究主要集中在腰椎方面，然而脊柱側(cè)凸在胸椎發(fā)生率不低，深入研究胸椎必不可少，后期需大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、生物力學(xué)及臨床研究進(jìn)一步證實(shí)其可行性，以期該系統(tǒng)能作為椎弓根釘棒系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。