骨科機器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內固定位置不良原因分析

章仁杰，申才良，張華慶，董福龍，張銀順，錢軍，李偉

(安徽醫科大學第一附屬醫院骨科，安徽 合肥 230022)

隨著微創脊柱外科的發展，微創手術越來越受歡迎[1]，而機器人輔助技術的出現可以最大限度地擴大微創技術的優勢，如更高的置釘準確性，較低的射線暴露水平，較少的手術時間和術中出血。目前，國外著名的SpineAssist/Renaissance機器人引導系統使用相對廣泛，其置釘精確性令人滿意[3, 4]，但仍可通過優化某些影響因素來提高精度。然而，一些前瞻性研究也發現，與傳統開放手術相比，機器人輔助技術并沒有提高置釘準確性，且在術中射線暴露水平、手術時間和住院時間等方面都沒有差異[4]。

“天璣”骨科機器人系統由國內自主研發 ，與SpineAssist/Renaissance機器人在原理和操作程序上并不完全相同，現已用于脊柱及創傷等外科領域。關于其在輔助椎弓根螺釘的置釘精確性方面報道較少。本文回顧性分析本院應用“天璣”骨科手術機器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內固定治療的患者臨床資料，分析機器人輔助下植入導絲及螺釘的精度以及其影響因素。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2018年1月～2019年2月于安徽醫科大學第一附屬醫院接受“天璣”骨科機器人輔助經椎弓根螺釘固定治療患者，記錄其年齡、性別、置釘節段、術中透視圖像、導絲植入準確性(一次規劃及二次規劃)，導絲放置不良的位置及原因，螺釘放置的準確性，手術時間和術中術后并發癥等。并發癥包括椎旁血管損傷、神經根損傷、脊髓損傷和術后感染等。所有手術醫生均經“天璣”骨科機器人操作培訓。

1.2 手術方法

全身麻醉后，患者取俯臥位，定位板定位，標記計劃置釘椎體的椎弓根及示蹤器固定的棘突在皮膚投影。固定患者示蹤器于手術節段上或下一節段棘突，于機器人機械臂末端安裝示蹤器和定位標尺。調整定位標尺盡量貼近手術區域皮膚(距皮膚約5 mm)，使機械臂示蹤器上的標記點位于C臂機視野內(正側位透視至少包含4個標記點及置釘椎體)，進行掃描。將三維影像傳輸至機器人工作站，自動配準，根據三維影像進行椎弓根置釘路徑的規劃，包括進釘點、方向及規格。根據規劃路徑，調整機器人機械臂末端位置，待機器人走位停止后，沿機器臂導向器插入工作套筒，標記皮膚處進釘位置，橫行或縱行切開皮膚皮下，工作套筒充分擴張軟組織至接觸到椎體骨性部分。沿工作套筒方向電鉆植入導絲(保持電鉆一定的鉆速)，通常置入深入為2-3 cm，撤除工作套筒，重復上述過程依次完成剩余導絲植入。C臂機透視確定導絲位置，滿意后再逐級擴張軟組織，經攻絲等步驟沿導絲置入椎弓根釘，再次雙平面透視驗證內固定位置滿意，上棒。沖洗傷口，逐層縫合，適當加壓包扎。

1.3 術中導絲位置及椎弓根螺釘精度評估

由于本院脊柱外科手術室無術中CT，因此對導絲放置準確性的評估主要基于術中雙平面透視、與規劃路徑比較和外科醫生的臨床判斷，其他研究人員也使用了類似方法[5-7]。術后患者均完成了正側位X線片檢查，對患者進行編號，編號尾數為3、6、9的27例患者行CT檢查，參考Neo等[8]標準評估置釘準確性：0級：椎弓根螺釘完全在椎弓根內；1級：螺釘穿破椎弓根皮質<2 mm；2級：螺釘穿破椎弓根皮質≥2 mm,且<4 mm；3級：螺釘穿破椎弓根皮質≥4 mm(或螺釘完全偏離)。將0級定義為螺釘位置理想，1和2級為螺釘位置可接受，3級定義為不可接受。

術中計劃放置釘根據Hu[5]的分類，被分為：(1)使用機器人引導成功/精確放置螺釘；(2)使用機器人位置不佳的螺釘；(3)使用機器人中止并手動放置螺釘；(4)原先計劃但未放置的螺釘(不影響脊柱穩定性)。由2位脊柱外科醫生對所有圖片進行分析，以確定嘗試機器人引導放置導絲的次數、置釘的結果及不放置螺釘的原因。

1.4 統計學分析

采用 SPSS 13.0統計學軟件進行數據分析，計量資料采用x±s表示，計數資料采用百分比(%)表示，組間率的比較(不同年資醫生)采用x2檢驗。α=0.05為檢驗水準。

2 結果

2.1 基線資料

本組患者91例，男45例，女46例；平均年齡49.7±11.8(12-72)歲。以胸腰椎骨折為主、88例，其他(頸胸椎后縱韌帶骨化，胸椎腫瘤，腰椎間盤突出癥)3例。植入椎弓根螺釘508枚。因大部分患者為胸腰段骨折，故將植入螺釘節段分為3類：T1-T9節段40枚，T10-L2400枚，L3-L568枚。手術順利，手術時間為(157.4±70.5)min，無任何醫源性神經或血管損傷。

2.2 導絲精確性評估及影響因素

導絲經一次規劃植入成功率為95.3%(484/508)，根據導絲偏移情況經二次規劃更改，成功率66.7%(16/24)。經機器人輔助植入導絲及螺釘的整體成功率為98.4%(500/508)。另外8枚偏差導絲均在傳統透視輔助下經皮置釘。其中1枚骨折椎體的螺釘經導絲植入后過于松動而被去除。

15例患者24枚導絲出現偏差，其中偏外13枚，偏下5枚，偏上2枚，偏內1枚，嚴重偏差3枚。導絲位置不良的影響因素有多種，并且是共同作用的結果。主要為術中規劃位置不良(進釘點在角度較大的斜坡上，內傾角太小)和套筒放置不當(套筒及導絲打滑，軟組織壓力，術中操作)，占66.7%(16枚)；而機器人器械安裝不穩固(示蹤器移位)也是其中一個原因，占29.2%(7枚)，常導致多根(≥3)導絲失準。另外，圖像配準(肥胖，椎弓根細)對導絲植入精確性也有影響(見表1，圖1-4)。

表1 機器人輔助下導絲位置不良情況、處理措施及原因分析

將術者按臨床工作年限分為高年資主治醫生以上和低年資主治醫生，前者操作的導絲誤置發生率為2.7%(10/376)，后者導絲誤置發生率為10.6%(14/132)，兩者差異有顯著性(x2=13.706，P=0.000)，故術者操作技巧及手術經驗對導絲植入精確性也至關重要。

2.3 術后螺釘精確性

所有患者術后X線顯示螺釘均在椎體內，27例患者共154枚螺釘的CT掃描結果按Neo分類[8]為：螺釘位置理想94.2%(0度145 枚)，可接受5.8%(1 度6枚、2度3枚)。根據Hu[5]分類，螺釘植入位置一級97.6%(496/508)，二級0.6%(3/508)，三級1.6%(8/508)，四級0.2%(1/508)。

3 討論

目前，已有多種手術機器人系統用于脊柱外科領域，包括SpineAssist /Renaissance，SPINEBOT，VectorBot 以及 ROSA等，其中以色列研發的 SpineAssist/Renaissance 系統最為著名，該系統已獲得FDA和CE認證，目前已完成手術約35000例[9]。雖然SpineAssist/Renaissance脊柱機器人置釘精確性很高[2-3]，但仍然存在導絲及螺釘的誤置[5,10]。此外，SpineAssist /Renaissanc還存在操作復雜及缺少實時影像監控等缺陷[9]?！疤飙^”骨科機器人系統由國內自主研發，現已開始用于脊柱及創傷等外科領域。目前針對該機器人的置釘精確性以及影響精度的因素的研究較少。

本研究發現經機器人輔助系統一次規劃導絲植入成功率為95.3%，經二次規劃總成功率為98.4%，螺釘植入術后位置一級97.6%，且術后CT結果提示螺釘位置良好或可接受。有學者發現，Renaissance機器人輔助系統在一次規劃后導絲植入的準確性為94.0%，二次配準后準確性為98.7%[11]，該學者另一項研究證實，螺釘位置準確性與術中導絲位置的準確性一致[12]。雖然在機器人輔助下導絲植入精確性很高，但經一次規劃后仍存在導絲位置不良，本研究發現4.7%的導絲發生不同位置的偏移，需要進行二次規劃，經過二次規劃更改的成功率為66.7%。所以筆者認為存在一些因素與導絲植入精確度有關，試圖通過優化這些影響因素以進一步提高植入精度。

3.1 術前規劃不當

由于“天璣”機器人主要接收ARCADIS 0rbic 3D(Siemens Medical So1ution，德國)系統掃描生成的三維原始數據(Renaissance機器人采用術前三維CT數據)，在上述匹配的三維圖像上規劃螺釘植入路徑并設定植入參數，此時選擇的入釘點不當(如選擇在上關節突的斜面上)容易導致套筒打滑[4]，進而出現偏差。如果同時合并內傾角小將擴大這種誤差率，相關研究也發現這個問題[10]。

3.2 套筒放置不當

在正確規劃之后，套筒的位置仍然受到軟組織壓力過大、骨表面打滑、鉆孔力量不當、術中操作不當等影響。本組出現釘道偏差者有3例較為肥胖，考慮偏差原因可能與軟組織壓力大、繼而引起套筒移位。如患者腰背肌太厚或較發達，會導致軟組織壓力過大，進而引起套筒偏移，可能是伴有危險的內側偏移[10]。因此，減小軟組織壓力可能會降低這種偏差[13]。套筒移位同樣可能由于骨面不規則，骨面滑移，內傾角過小，以及不適當的鉆孔力量所致[5,14]，減少這種誤差可選擇一個合適的入釘點，使用高速鋒利鉆頭[10]。不可忽略的是，術中操作技巧也會影響套筒位置。

我們發現有16枚的重置螺釘可能與跟術前規劃不當有關，當然套筒放置不當也是原因之一，而這會擴大規劃不當帶來的影響。由于胸腰段結構的特殊性，尤其是T12-L2，關節突關節解剖結構變異較大，上關節突外緣坡面角度較大，加之L1,2椎弓根較小，都可能導致胸腰段置釘精確度較差。

3.3 機器人安裝不穩

應用“天璣”機器人時，需要在機械臂末端安裝示蹤器或工具基座，患者棘突上安裝示蹤器(用棘突夾固定)，如安裝不切實會出現不穩或松動，這都將引起誤差。本組有2例因為示蹤器和棘突夾出現松動，導致多根導絲位置不良。有學者也認為，機器人輔助置釘時不穩定的安裝可能會導致置釘精確性下降[15]。其他研究者在使用脊柱機器人時發現不確實的固定會導致病人和機器人之間的相對運動[5, 10]。此外，Schizas等[14]發現使用套筒力量過大也會導致椎體與器械之間的相對運動，而這些相對運動都會引起導絲植入位置的偏差。

3.4 術者手術經驗

機器人輔助技術的應用同樣需要術者有一定的開放以及微創手術經驗。無論術中規劃軌跡是否良好，如術者操作不當(用套筒或導絲進行椎弓根入點開口時用力過猛)都可能會導致套筒移位，這種移位以偏下和偏外居多，有學者也有類似的發現[14]。很多學者認為，與開放手術一樣，術者的經驗對機器人手術有著不可忽略的影響[5]。與許多微創手術一樣，“天璣”骨科機器人也存在學習曲線[16]。

3.5 圖像配準

“天璣”機器人只能接收術中ARCADIS 0rbic 3D透視機的掃描數據(非術前三維CT)，而西門子3D-C臂掃描范圍有限，此時如果圖像采集不完全則容易出現誤差。筆者發現，如患者體質量指數太大，皮膚脂肪或肌肉太發達，使得椎體(椎弓根進針點)與皮膚距離太遠，則可能導致C臂機在透視及后續掃描時無法包含目標椎體的全部，導致后期合成的圖像不完整，進而可能在螺釘路徑規劃上出現誤差。本組有2例肥胖患者在導絲植入時出現偏差，可能與此因素有一定相關性。經測量發現，當椎弓根進釘點與皮膚距離大于50 mm時(無法完全包含4個標記點及置釘椎體)，應慎重選擇機器人輔助。另外，患者術中的呼吸管理(胸廓的起伏)也會影響圖像配準。有學者發現，如患者具有嚴重的脊柱畸形、高體質量指數、極低骨密度、椎弓根過小以及內固定松動等，都可能會影響圖像的配準及釘道規劃[5]。既往手術的植入物如心臟起搏器或胸骨金屬縫線也會影響成像從而導致配準錯誤[15, 17]。

根據以上總結的原因，筆者認為機器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內固定的成功應用需要仔細的術前規劃、精確的安裝和良好的手術操作技巧及經驗。在導絲出現偏差后可考慮以下幾個處理原則：(1)如術中發現1根或2根導絲位置不佳，可重新規劃，并注意術中操作；(2)如2根以上的導絲位置不佳，檢查機器人各部位安裝是否牢固，示蹤器等部件是否松動；(3)如進釘偏外不多，可用空心鉆頭適當調整內傾方向直接更改；(4)二次規劃后仍失敗，建議不要再規劃，直接考慮使用傳統透視輔助下經皮置釘。術中分析及找出導絲移位原因和術者具備傳統閉合打釘經驗，均可有效挽救失敗。

然而，本研究同樣存在一些不足，導絲置入的準確性是通過雙平面X線圖像及術者經驗而非CT來評估的，而CT被證明是評估導絲以及螺釘植入準確性的有效方法[10,11]。但筆者認為，術后CT評估的椎弓根螺釘位置準確性亦無法完全反映術中導絲植入位置的原始情況，且大部分醫院并沒有術中CT。在本研究及其他學者的研究中均認為，術中利用雙平面透視可以判斷導絲及螺釘位置的準確性，并且筆者也認為，導絲位置的準確程度基本決定了螺釘的精確度。

圖1 患者，女性，49歲，腰3骨折，左L4偏下，考慮為規劃不當，二次規劃將進釘點適當上移，調整后L4導絲位置良好，上釘后螺釘位置良好

圖2 患者，女性，56歲，L1骨折，右T12、L1偏外(椎弓根較小)，考慮可能存在進針點滑移，二次規劃將進釘點適當內移，調整后T12導絲位置良好，L1仍偏外，行傳統透視下閉合打釘，上釘后螺釘位置良好

圖3 患者，男性，53歲，L1骨折，左T12、L1偏上，考慮存在規劃不當，二次規劃將進釘點適當下移，調整后T12導絲位置良好，L1仍偏上，L1行傳統透視下閉合打釘，上釘后螺釘位置良好

圖4 患者，男性，61歲，T12腰化，L1骨折，患者較胖，如包含示蹤器4個標記點，則無法包含椎體全部。左T12偏內，二次規劃將進釘點適當外移，調整后T12仍偏內，考慮可能為肌肉推移，行傳統透視下閉合打釘，上釘后螺釘位置良好

4 結論

“天璣”骨科機器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘內固定的置釘精度與術前規劃、套筒放置，機器人安裝、術者手術操作及經驗有關，使用機器人輔助技術時，需要綜合考慮上述因素從而降低置釘誤差。當然，機器人系統本身也存在誤差，但我們相信隨著它的不斷改進，機器人系統將在未來脊柱手術中有更廣泛的應用。