脊柱微创手术机器人机械手轴位引导腰椎弓根置针及精度分析

摘要

背景：脊柱疾患的手术治疗方法很多,包括传统的开放手术以及近年来发展起来的各种微创手术,如脊柱骨折切开复位椎弓根钉内固定术、经后路脊柱畸形矫形术、脊柱肿瘤切除椎弓根螺钉固定重建术、经皮椎弓根钉置入术、经皮椎体成形术(PVP、PKP)、经皮椎体活检术、经皮齿状突骨折螺钉内固定术等。由于这些术式涉及内植物置入或注入,就必然涉及不同的穿刺路径与精度,其中以精确的经椎弓根途径最为重要。不当的经椎弓根穿刺可导致严重的并发症,如穿破椎弓根,可损伤脊髓、神经根;穿破椎体侧前方,可损伤大血管或内脏器官等。以椎弓根螺钉置入为例,文献报道其误置率可高达30％。目前引导穿刺置入的方法主要包括X线正侧位透视引导监测、辅助仪器引导监测、术中诱发电位引导监测及计算机辅助技术监测等,这些方法均存在一定的不足之处,如X线正侧位透视引导监测判断螺钉位置准确性和安全性不够高,很大程度上还要依靠手术医生的临床经验;辅助仪器引导监测不能对进钉点及进钉角度同时准确控制,且需手动控制角度,仍有较大的人为因素存在;诱发电位引导监测术中连续应用困难,椎弓根穿破后无法继续监测,而且不能直观反映螺钉的位置,发现神经损伤可能为时已晚;计算机辅助导航系统需要借助昂贵的设备和特殊的器械,操作程序繁琐,且存在不能动态监测、注册匹配失误等问题,椎弓根穿刺精度仍不理想,限制了其广泛推广。因此,探索更为安全可靠、操作简便的引导椎弓根穿刺的方法,是亟待解决的重要课题之一。 目的：本实验采用自行研发的脊柱微创手术机器人,用其机械手轴位引导行腰椎弓根穿刺并分析其精度,以期为临床探索一种穿刺精度高、安全可靠、简便易行的经椎弓根置入方法。
　　方法：1标本选择6具L1-L5干燥脊柱标本(共30个)。X线摄片排除发育异常及骨缺损者。2设计TSA对所选脊柱标本逐一CT扫描。在侧位像平分椎弓根的椎体横断面CT图像上,测量椎弓根导针理想轴线与椎体自身矢状线夹角(设计TSA)。3操作方法与步骤(1)锁定导针矢状面角:将C型臂X线机调整至固定好的目标椎体的标准侧位像,移动机械手使导针投影的延长线通过椎弓根投影中心且与椎体上终板平行,限制机械手头尾方向移动并锁定矢状面倾斜角;(2)确定“0点”:透视确定椎体标准正位像,以此作为“0点”;(3)匹配C臂投射轴线与椎弓根设计轴线:根据设计TSA,按该角度值向目标椎弓根一侧旋转C型臂,使其投射轴线与椎弓根设计轴线一致;(4)匹配机械手轴线与椎弓根设计轴线:调整机械手至导针投影为一圆点并位于椎弓根投影中心(即机械手轴位,导针轴位),使机械手轴线与椎弓根设计轴线一致;(5)监测导针置入:启动机械手正反转旋转导针,使其经椎弓根进入椎体内约35mm,实时透视监测导针置入过程,确保其投影不偏离椎弓根投影中心。4测量指标用C臂摄椎体标准侧位像或CT扫描导针针道图像分别确定:(1)导针矢状面夹角(SSA),导针与上终板平行为0°,斜向上终板记为正,反之记为负;(2)导针实际TSA;(3)狭部平面针道偏离中心的距离b,到内外侧骨皮质的距离d1、d2。5统计学处理所有参数用均数加减标准差((?)±s)表示,用SPSS10.0统计软件进行统计分析,腰椎各节段术前设计TSA与术后导针实际TSA采用配对设计资料t检验,检验水准α=0.05。
　　结果：共60个椎弓根,均成功置入导针。(1) L1-L5导针与椎体上终板夹角(矢状面角,SSA)为-0.13±0.83°(-2~1°);(2) L1-L5术前设计TSA分别为13.11±1.75°、14.63±2.18°、16.79±2.38°、19.25±2.79°、29.67±4.58°,导针实际TSA分别为13.42±2.13°、14.83±1.72°、16.45±2.45°、19.70±3.19°、30.33±4.94°,两者相差最大不超过2度。各节段两者差异均无统计学意义(P>0.05)。(3) L1-L5导针针道在椎弓根狭部平面偏离中心的距离分别为0.17±0.16mm(0~0.5mm)、0.18±0.22mm(0~0.6mm)、0.16±0.17mm(0~0.5mm)、0.58±0.49mm(0~1.2mm)、0.86±0.68mm(0~1.7mm),到内侧骨皮质的距离分别为1.85±0.47mm(1.0~2.6mm)、1.90±0.42mm(1.6~2.9mm)、2.12±0.36mm(1.6~2.6mm)、3.02±0.97mm(1.8~4.9mm)、4.67±1.40mm(2.2~6.9mm),到外侧骨皮质的距离分别为1.61±0.35mm(1.0~2.3mm)、1.80±0.29mm(1.6~2.5mm)、2.27±0.41mm(1.7~3.1mm)、3.09±0.83mm(1.7~4.2mm)、5.22±1.41mm(3.0~7.1mm)。导针在椎体侧位像及CT扫描横断面图像中无一例接触或穿破椎弓根骨皮质。
　　结论：机械手轴位法引导脊柱微创手术机器人腰椎弓根导针置入,可使导针准确地沿设计轴线穿过椎弓根,是一种安全可靠、简便易行的椎弓根导针置入方法,具有推广应用价值。

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中文摘要

Abstract

正文 脊柱微创手术机器人机械手轴位引导腰椎弓根置针及精度分析

前言

材料与方法

结果

讨论

结论

参考文献

附图

综述 机器人与计算机辅助脊柱手术技术应用现状

参考文献

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