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数字化技术在脊柱骨折椎弓根螺钉置入中的基础研究与临床评价

王洪伟  
【摘要】:背景:脊柱骨折约占全身骨折的5%~6%,致残率较高,对伤病员生活质量及社会产生极大影响。如何更好地预防及救治脊柱骨折成为脊柱外科领域的研究热点。近年来,数字化技术迅猛发展,其在脊柱骨折的预防和临床救治过程中发挥着极其重要的作用。数字化电子病历系统使医务人员可以方便地存贮、检索和浏览病历,方便、迅速、准确地开展各种科学研究和统计分析工作,极大地提高临床科研和救治水平。随着社会工业化进程和人口老龄化的发展,在重庆这种特殊地形的城市,脊柱骨折的流行病学特点是否与既往文献报道相一致有待进一步研究。有限元分析法在脊柱骨折生物力学评价中的应用,为脊柱骨折内固定术式选择提供了更多的理论依据。近年来很多学者提出各种附加伤椎固定的后路短节段内固定术式包括采用单向钉行后路开放椎弓根螺钉内固定术,万向钉经皮椎弓根螺钉内固定术和单节段椎弓根螺钉内固定术治疗脊柱骨折,很多体外生物力学实验证实附加伤椎固定的后路短节段钉内固定术式的生物力学稳定性要优越于传统跨伤椎4钉内固定术式,但既往文献未系统分析脊柱骨折治疗的各种后路短节段内固定术式,尤其较少对比研究单向钉与万向钉在后路短节段固定中的生物力学特点,且大部分实验未对椎间盘压强、椎弓根螺钉及螺钉棒的应力进行分析。众所周知,与传统开放手术相比,微创椎弓根螺钉置入术会给手术医生带来较大的射线损伤,因此我们自主研发了脊柱手术机器人系统代替手术医生进行椎弓根螺钉的置入进而减少射线损伤。脊柱手术机器人系统是脊柱椎弓根螺钉置入研究中的热点,在复杂脊柱畸形如脊柱骨折、脊柱侧弯等的矫正手术的术前计划中,机器人系统的三维成像和导航技术可使平面影像资料无法看清的结构成为动态的三维图像,有助于提高术前手术计划和术中手术操作的精确性。我国脊柱椎弓根螺钉置入手术机器人的研发尚处于起步阶段,尚未应用于临床。 目的:探讨数字化电子病历在研究创伤性脊柱骨折及跳跃性脊柱骨折的流行病学特点中的作用,分析脊柱骨折椎弓根螺钉置入方式的应用趋势,探讨有限元分析法在后路短节段各种内固定术式生物力学评价中的作用,探讨我们自主研发的脊柱手术机器人在椎弓根螺钉置入术中的可行性研究,发现目前机器人系统存在的问题,进一步完善手术机器人系统。 方法: 方法一:通过“军字一号”工程电子病历系统回顾性分析2001年1月至2010年12月第三军医大学附属第一、二医院收治的创伤性脊柱骨折3142例,跳跃性脊柱骨折213例的病历资料。统计患者的性别、年龄、致伤原因、骨折节段、脊髓损伤程度、创伤严重度评分、合并伤、住院时间、住院花费、住院期间并发症、死亡率、医保情况及椎弓根螺钉置入手术方式等。 方法二:通过有限元分析法系统评估各种后路短节段椎弓根螺钉内固定脊柱骨折模型在力加载作用下的三维运动范围、椎弓根螺钉及螺钉棒的Von Mises应力,重点对比分析后路短节段单向钉与万向钉固定脊柱骨折模型的生物力学特点差异,观察脊柱模型在位移加载作用下的三维运动范围、椎弓根螺钉及螺钉棒的Von Mises应力、固定节段邻近上/下位最大椎间盘压强及其与正常脊柱模型最大椎间盘压强的比值。 方法三:通过脊柱手术机器人系统进行牛脊柱标本椎弓根螺钉钻孔手术操作。术前计划时测量进钉点的进钉角度,进钉点距离棘突正中线的垂直距离。术中在C型臂透视下定位机械臂骨钻与脊柱标本的相对位置,按照术前计划进行螺钉轨迹钻孔,钻孔后放置克氏针在孔道内,记录每个钻孔手术时间及术中透视次数。术后CT扫描评估克氏针的位置情况。 结果: 结果一:摔伤和车祸伤是创伤性脊柱骨折最常见的两大致伤原因。车祸伤更倾向于引起青壮年创伤性脊柱骨折,高坠伤引起的创伤性脊柱骨折伴合并伤发生率最高。随着年龄增长及年度变化,低坠伤和活动伤引起的创伤性脊柱骨折逐渐增加。胸椎+腰椎是跳跃性脊柱骨折最常见的骨折节段,青壮年颈椎+胸椎跳跃性脊柱骨折发生率明显高于老年人。重物砸伤最常见颈椎+胸椎跳跃性脊柱骨折,且骨折椎体间正常椎体数量在所有致伤原因中最多。后路椎弓根螺钉置入手术是脊柱骨折治疗的主要方式,微创手术百分比逐年增高。 结果二:附加伤椎固定的单向钉内固定术的生物力学稳定性要显著优于单纯后路跨伤椎短节段4单向钉内固定术,伤椎固定降低了上、下位螺钉的应力,分散了内固定器械的应力载荷。单向钉跨伤椎4钉固定的螺钉应力最大,万向钉跨伤椎4钉固定三维运动范围最大。附加伤椎固定的万向钉6钉固定稳定性强于正常脊柱模型且螺钉应力较单向钉固定模型的应力明显缩小。 结果三:脊柱手术机器人系统的基本功能能够满足脊柱外科医生进行椎弓根螺钉位置钻孔的要求,应用脊柱手术机器人进行钻孔操作,每个椎弓根螺钉轨迹钻孔操作的平均时间为(89.5±6.1)秒,术中C型臂X线机平均透视次数为(2.9±0.8)次。术后CT平扫评估克氏针完全位于椎弓根内达到85.0%。 结论: 结论一:我们要注重预防摔伤和车祸伤导致创伤性脊柱骨折,随着病患年龄增长及年度变化,我们更应该注意预防低坠伤和活动伤。在脊柱骨折诊断中注意重物砸伤引起的长节段跳跃性脊柱骨折,避免延迟诊断和漏诊。加强后路椎弓根螺钉内固定技术及微创技术在脊柱骨折治疗中的研究。 结论二:附加伤椎固定的单向钉内固定术的生物力学稳定性优于单纯后路跨伤椎短节段单向钉内固定术,降低螺钉及螺钉棒的应力疲劳。附加伤椎固定的万向钉6钉固定稳定性强于正常脊柱模型且螺钉应力小于单向钉后路短节段固定模型,为我们临床应用微创附加伤椎固定万向钉6钉内固定术治疗脊柱骨折提供了临床依据。 结论三:脊柱手术机器人的能够满足后路椎弓根螺钉置入操作的基本要求,脊柱手术机器人操作钻孔时间短、术中透视次数少,但是脊柱手术机器人的精确性有待进一步加强如需逐步完善虚拟手术系统,构建术中神经电生理监测系统及数字动作捕捉系统等。


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