导航辅助置入下颈椎椎弓根螺钉的误差分析

【摘要】  　　目的 探讨导航辅助置入下颈椎椎弓根螺钉的准确性和产生误差的原因。[方法]25例下颈椎疾患手术病人，导航辅助下置入144枚颈椎(C3～7)椎弓根螺钉，术后行X线、CT检查，横断位测量螺钉中线与椎弓根内壁的相对位置、与椎体中线的角度;矢状位测量螺钉中线与椎弓根上壁的相对位置、与椎体上缘的角度;并与导航图像的对应数据进行统计学分析。[结果]2枚螺钉穿出椎弓根上壁，3枚螺钉穿出椎弓根外壁入椎动脉孔，其它螺钉术后CT和术中导航图像所显示的位置角度无显著性差异，导航图像的显示是基于坚硬物体原则，颈椎手术本身特点不可能完全满足如此要求，两者偏差表现为“漂移”现象。[结论]导航辅助置入下颈椎椎弓根螺钉准确性显著提高，术中漂移是置钉偏差的原因。

【关键词】  计算机辅助导航 颈椎 椎弓根螺钉

　　Analysis of errors of computerassisted cervical pedicle screw installation∥ZHANG Honglei,ZHOU Dongsheng,WANG Dawei.Department of Orthopedics,Provincial Hospital Affiliated to Shandong University,Jinan 250021,China

　　Abstract：To evaluate the accuracy of computerassisted cervical pedicle screw installation and discuss the reasons of screw malposition.Totally 144 cervical pedicle screws were installed by computerassisted navigation in 25 patients with lower cervical spinal disease.All the patients were examined by Xrays and CT after operation.Screw position and direction were measured on the sagittal and transsection image of intraoperative navigation and postoperative CT.The result was analyzed statistically.Two screws perforated the upper pedicle wall,3 deviated from the lateral pedicle wal1.There was no statistical difference in screw position or direction between navigation and CT image.Navigational images were based on the principle of rigid tissue.Computerassisted navigation can improve the accuracy of cervical pedicle screw installation.Screw malposition is responsible for the excursion phenomenon.

　　Key words：computerassisted navigation; cervical spine; pedicle screw

　　导航系统在腰椎椎弓根螺钉固定中已被应用[1]。颈椎椎弓根内固定技术因具备三柱固定的优越稳定性而有良好的应用前景[2]。但由于颈椎椎弓根解剖结构变异大、毗邻关系复杂，潜在损伤周围神经血管的风险很大，因此提高置钉的准确性和降低失误率成为颈椎椎弓根内固定技术能否深入开展的关键所在。山东省立医院骨科自2004年10月开始应用CT三维导航系统辅助施行下颈椎椎弓根内固定手术，作者相继又对置钉的准确性进行术中和术后的比较研究，并进一步分析误差原因。

　　1 资料和方法

　　本组25例，男16例，女9例，平均42.4岁(23～68岁)，其中颈椎骨折脱位12例，脊髓型颈椎病并颈椎不稳定或后凸畸形11例，神经根型颈椎病1例，后纵韧带骨化症1例，共置入椎弓根螺钉144枚。

　　患者全麻，取俯卧位，GardnerWells骨牵引或Myfield头颈手术架牵引固定，维持颈椎中立位，双上肢尽量下拉并约束带固定。颈后正中入路，骨膜下剥离双侧肌肉，充分显露手术节段后方结构至双侧小关节外侧缘。在维持颈椎序列良好的前提下，安放并固定参考架于棘突，西门子公司CTSIREMOBIL IsoC 3D 扫描一次完成下颈椎椎体三维图像，并将数据传到导航工作站(Stryker公司红外线主动诱导导航系统)。根据椎弓根矢状面和横断面图像确定椎弓根钉入钉点和方向，用2 mm手锥扩开椎弓根，C型臂X线机透视检验位置无误后，置入螺钉。术中或术后CT扫描进一步验证椎弓根螺钉位置。

　　按照螺钉是否穿透椎弓根和穿透程度，将其分为3类[3]：(1)一类：螺钉位置满意，未穿出椎弓根皮质，或仅轻微穿透(<1 mm);(2)二类：螺钉穿透椎弓根皮质>1 mm，但不需要翻修，患者无周围组织症状，内固定稳定性良好;(3)三类：螺钉穿透椎弓根皮质>1 mm，患者出现周围组织损伤表现或内固定稳定性差，需要进行翻修或取出。

　　依据术后经椎弓根CT横断面和矢状面图像观察椎弓根螺钉置入的准确性,分别测出导航图像(图1)和术后CT图像(图2)中螺钉位置和方向的相关数据。螺钉的位置用其在椎弓根内的相对位置来表示，螺钉的方向用螺钉与椎体参照线的角度来表示：在横断面上，螺钉的相对位置是螺钉中线到椎弓根内缘的距离与椎弓根宽度的比，螺钉的方向是螺钉中线与椎体中轴线的角度;在矢状面上，螺钉的相对位置是螺钉中线到椎弓根上缘的距离与椎弓根宽度的比，螺钉的方向是螺钉中线与椎体上缘的角度。所得数据采用配对t检验(SPSS11.5软件包)验证导航图像和术后CT图像螺钉置入的准确性有无显著性差异,显著水准：α=0.05。

　　典型病例：

　　病例1(图3)：女，51岁，确诊为：脊髓型颈椎病并颈椎不稳定，于2005年4月12日在全麻下行颈后路双开门椎管扩大成形并椎弓根螺钉内固定术。

　　术中导航图像显示C3右侧螺钉置入位置满意，而C型臂X线机透视发现螺钉穿出椎弓根上壁进入椎间隙，予以术中调整。

　　病例2(图4)：男，44岁，确诊为：脊髓型颈椎病并颈椎不稳定，于2007年7月8日在全麻下行颈后路双开门椎管扩大成形并椎弓根螺钉内固定术。

　　术中导航图像显示C4左侧螺钉置入位置满意，术后CT发现螺钉穿出椎弓根外壁。

　　图1 术中导航图像的测量 图1a 横断位图像：螺钉在椎弓根内相对位置=c/d;方向=a和b的夹角 图1b 矢状位图像：螺钉在椎弓根内相对位置=c/d;方向=a和b的夹角 图2 手术后CT图像的测量 图2a 横断位图像：螺钉在椎弓根内相对位置=c/d;方向=a和b的夹角 图2b 矢状位图像：螺钉在椎弓根内相对位置=c/d;方向=a和b的夹角 图3 术中导航图像显示C3右侧螺钉置入位置满意，而C型臂X线机透视发现螺钉穿出椎弓根上壁进入椎间隙，予以术中调整 图4 术中导航图像显示C4左侧螺钉置入满意，术后CT发现螺钉穿出椎弓根外壁

　　2 结 果

　　手术节段为C3～7,共置入螺钉144枚。手术中C型臂X线机透视发现2枚螺钉穿出椎弓根上壁，均术中调整;其中1例为C4、5骨折脱位C3左侧螺钉(术后未发现神经症状)，1例为脊髓型颈椎病并颈椎不稳定C3右侧螺钉(术后出现一过性神经根性疼痛，应用神经营养药物半月后症状消失，未留后遗症)。术后CT发现3枚螺钉穿出椎弓根外壁入椎动脉孔，2例为C4骨折C3右侧螺钉，1例为脊髓型颈椎病并颈椎不稳定C4左侧螺钉，3例患者术中和术后均未见出血和脑缺血症状。144枚螺钉中，第1类螺钉139枚，第2类螺钉3枚，第3类螺钉2枚。144枚螺钉中23枚未保留导航图像，共有121枚螺钉测量比较了横断面位置和角度;此121枚螺钉中有22枚术后没有矢状位CT，共有99枚螺钉测量比较了矢状面位置和角度。结果显示导航图像和术后CT图像数据无显著性差异(表1)。术后随访3个月螺钉位置无变化。表1 导航图像数据与手术后CT数据比较

　　3 讨 论

　　理论上讲只要颈椎椎弓根结构完整，均可采用颈椎椎弓根内固定来完成颈椎稳定性重建，并且其生物力学稳定性优于其它颈椎内固定技术，但由于颈椎椎弓根螺钉穿透率较高[4]，损伤椎动脉和脊神经潜在风险增大[2]，因此置钉准确性成为开展此项技术的瓶颈。计算机导航技术，也称计算机辅助手术(computerassisted surgery，CAS)可以将手术中的解剖结构与手术器械对应在同一个空间体系内，从而建立虚拟手术环境并三维显示在屏幕上，可直观引导术者操作，理论上可以提高手术准确性[5]。

　　Marcus等[6]报道导航辅助下颈椎椎弓根螺钉置钉准确率为100%。田伟、刘亚军等[7，8]在导航辅助下对国人颈椎椎弓根螺钉置钉进行了基础和临床研究，以螺钉是否穿出椎弓根及穿出程度为依据得出结论：CT导航辅助下能显著提高椎弓根螺钉置钉准确率(97.5%)。本组研究依据相同评定标准得出置钉准确率为96.5%(5/144)，与田伟、刘亚军等所得结论十分相近。

　　作者根据导航图像和术后CT图像中螺钉位置和方向的相关数据，进一步验证了螺钉在椎弓根内的偏差。结果显示：导航和CT所测得的螺钉在椎弓根内的位置接近椎弓根中央，角度测量两组平均值相近，统计学分析两组无显著性差异。由此证明：导航图像对螺钉方位引导准确，且术后CT图像中螺钉方位能反映导航图像中的螺钉方位。

　　本组病例中共有5枚螺钉出现2种误差，分别是穿出椎弓根的上壁和外侧壁。作者认为这是由导航设计原理和颈椎手术本身特点共同作用所致，并非偶然，有内在规律可寻。计算机辅助手术是利用数字化扫描技术获得患者影像信息并虚拟成三维图形，应用空间立体定位技术来引导术者操作，因此导航图像的显示是基于坚硬物体原则，即导航图像一旦形成就要求手术对象的解剖位置在三维空间内始终不变。而颈椎手术本身不可能完全满足如此要求。作者将此种手术对象的解剖位置在三维空间内相对移动称为“漂移”现象[9]。漂移1 mm(图5)就会使导航产生1 mm的误差，若漂移位置太大导航置入的螺钉就会破出椎弓根。

　　图5 误差产生示意图

　　术前CT扫描得到的导航图像，其中L表示靶椎椎弓根到参考架的距离，术中颈椎前凸增大使得实际L'缩短，靶椎椎弓根“漂移”，而导航图像仍认为距离为L，置入螺钉偏向头侧。本组2枚螺钉穿出椎弓根上壁，作者认为是由于椎体间相对漂移致使其距离相对缩短的缘故。全麻下肌松作用使得骨折脱位和不稳定颈椎的活动度明显增大。手锥扩开椎弓根时，在手锥自后向前推挤颈椎和向外侧牵拉椎旁肌的共同作用下，使得颈椎前凸角度明显增大，相应椎体后方结构之间的距离变短。参考架和靶椎之间实际距离近了，而根据导航图像显示的靶椎椎弓根位于实际靶椎椎弓根以远，所以导航图像显示位于椎弓根内的螺钉实际穿出了椎弓根的上壁。重新置入的螺钉在导航图像中位于椎弓根下缘，而实际位于椎弓根内偏上壁。

　　本组共3枚螺钉穿出椎弓根外侧壁，认为是手锥在扩开椎弓根时使颈椎上下活动，出现椎体之间的相对漂移;参考架位置随之改变，出现参考架所对应的三维空间之间的漂移。这表现在导航图像中则是手锥和椎弓根之间定位不准(晃动)，一幅图像手锥可能在椎弓根内，而另一幅图像手锥又可能在椎弓根外，没有经验的术者往往会相信手锥在椎弓根内的图像而产生错误。另外术者试图在椎弓根内调整手锥时，而手锥进入椎弓根内方向已经固定，椎体沿手锥变化的方向发生漂移，虽然导航图像上显示手锥方向有变化，但手锥实际带动椎体移动仍沿原方向前进.此时松开手可以显示真实的手锥方向。

　　此外，C3、4棘突细小使得参考架固定相对不牢靠，2 mm手锥扩孔时可能弯曲也可导致漂移现象出现，进而出现导航偏差。

　　提高导航辅助置入下颈椎椎弓根螺钉的准确性就要尽量减小漂移。作者认为：俯卧体位时，Myfield头颈手术架较GardnerWells骨牵引对颈椎的牵引固定效果更为有效。术中应牢固固定参考架并避免触碰。为尽量避免椎体间相对漂移，可应用磨钻和在导航辅助下于正中切口旁经皮置入螺钉。要根据静止的导航图像做出判断，确保矢状面和横断面椎弓根内同时见到手锥，并尽量位于椎弓根中央。手锥沿椎弓根壁缓慢钻入尽量降低颈椎上下活动。

　　计算机导航辅助下颈椎椎弓根螺钉内固定因具有明显的生物力学优越性和明显提高的置钉准确性，将有良好的临床应用前景。掌握导航技术要有一段学习曲线[10]，只有了解导航原理和手术本身特点才能明白产生误差的原因，结合个人经验，充分发挥导航的优越性。

【参考文献】
  　　[1] 徐 林，俞 兴，郑大滨，等.脊柱导航三维影像系统在椎弓根螺钉固定中的应用[J].中国矫形外科杂志，2004，23-24：1895-1897.

　　[2] Kothe R,Ruther W,Schneider E,et al.Biomedical analysis of transpeticular screw fixation in the subaxial cervical spine [J].Spine,2004,17:1869-1875.

　　[3] Richter M,Mattes T,Cakir B.Computerassisted posteroir instrumentation of the cervical and cervicothoracic spine[J].Eur Spine J,2004,13:50-59

　　[4] Karaikovic EE,Yingsakmongkol W,Gaines RW Jr.Accuracy of cervical pedicle screw placement using the funnel technique[J].Spine,2001,22:2456-2462.

　　[5] Schep NW,van Walsum T,De Graaf JS,et al.Validation of fluoroscopybased navigation in the hip region:what you see is what you get[J].Computer Aided Surg,2002,7:279-283.

　　[6] Marcus R,Balkan C.Rene schmidt cervical pedicle screws:conventional versus computerassisted placement of cannulated screws[J].Spine,2005,20:2280-2287.

　　[7] 田 伟，刘亚军.导航系统辅助下颈椎椎弓根螺钉置钉准确性的实验研究 [J].中国脊柱脊髓杂志,2006,10:777-780.

　　[8] 刘亚军，田 伟，刘 波，等.X线透视与计算机导航系统引导颈椎椎弓根螺钉内固定技术的对比研究[J].中华外科杂志，2005，20：1328-1330.

　　[9] 周东生主编.实用骨科导航技术[M].北京：人民军医出版社，2007，75.

　　[10]Arand M，Hatrwig E，Hehold D.Precision analysis of navigationassisted implanted thoracic and lumbar pedicled screws：a prospective clinical study[J].Unfallchirurg，2001，11：1076-1081.

作者单位：1.山东大学附属省立医院骨科，250021;2.山东省聊城市人民医院骨科，252000