1986年，美国医生Roberts率先将计算机辅助手术导航系统应用于神经外科临床^[1]。随后在20世纪90年代，美国医生Steinmann等在脊柱外科领域开始应用计算机辅助导航技术，利用导航技术解决了实时图像处理和仪器追踪的技术问题，打开了精准脊柱外科的大门^[2]。当然，最初的导航精度不高，而且术前注册繁琐。

2006年，O-arm成像系统的出现将计算机辅助导航技术在骨科的应用又提升了一个台阶，其技术优势在于：

1、其机械性控制定位系统和集成的允许自动注册的LED跟踪装置，大大简化了注册程序、缩短了注册时间^[3]。

2、利用患者放置在手术体位时获得的CT实时数据，较术前CT导航更精确，最大限度减少了体位变换、术者人为确认定位点的偏移等潜在的导航误差^[4]。

3、术中扫描时手术医生可以离开手术室，大大降低了术者的辐射暴露^[5]。而对于患者来说，O-arm进行一次扫描的辐射剂量评估数值相对于一次64排三维螺旋CT进行一次扫描的50%^[6]。

4、在螺钉置入后，可以实时进行三维CT扫描，即刻观察螺钉位置，如有需要立刻调整螺钉位置，减少患者行二次手术的几率^[7]。

那么，利用O-arm联合术中导航，脊柱外科医生目前能干些什么呢?

1、在严重脊柱畸形手术中的应用：

导航下脊柱手术最大的优势是可以大大提高椎弓根螺钉置钉的准确性。Joseph等人的研究指出，无论是在初次手术的病人或是在翻修手术的病人中，优良的置钉率达到了98.7%(初次手术)和98.6%(翻修手术)^[8]。Neal Luther等人对比3D导航和普通透视后发现，3D导航的螺钉优良率在88%明显优于普通透视的82%，其差异有统计学意义^[9]。

而这些优势在严重畸形的病例中使用，其优势就更为明显。脊柱严重畸形时，比如侧弯、后凸等患者，由于发育异常、脊柱退变或感染等因素造成患者椎体、椎弓根及后方的韧带复合物的解剖位置及相对关系异常，解剖结构辨认困难，甚至完全消失，从而造成了徒手置钉的难度急剧增加。O-arm联合术中导航技术通过实时跟踪椎弓根螺钉的置钉方向，可以大大提高椎弓根螺钉置钉的准确性^[10]。从而最大限度地提供脊柱矫形的矫形力，同时减少神经损伤风险。

Zhen Liu等人的研究表明在青少年特发性脊柱侧弯患者中，即使胸椎很细小，O-arm联合术中导航技术仍然能提供很好的置钉准确率，在椎弓根直径小于2mm组，导航下置钉准确率可以达到84.3%，明显高于徒手螺钉置入组的62.7%，差异具有统计学意义^[11]。在上颈椎畸形时，导航下置钉的优势就更为明显。可以大大减少血管损伤的机会，甚至完成严重畸形时(比如C1椎弓根和侧块、椎动脉变异)原先徒手置钉不可能完成的任务^[12]。同时，在严重畸形需要截骨矫形时，可以在术中通过导航实时控制截骨方向和深度，做到有的放矢^[13]。

病例1是一个14岁女性，2010年因先天性脊柱侧弯曾行矫形手术，2012年行内固定取出术，近五年来侧弯畸形进行性加重，考虑“先天性脊柱侧弯畸形，矫形术后假关节形成”。遂于复旦大学附属中山医院进一步治疗。(图1、图2)

图1 a：后凸畸形cobb角66.6°  b：侧凸cobb角51.5°  c：PI 22.6°

图2 术前三维CT示：脊柱侧弯伴部分椎体融合及骨桥形成，脊柱内固定术后改变。

在脊柱畸形的病例中，O-arm联合导航可以帮助术者制定治疗方案，并辅助术中精准操作，提高治疗效果。

本例中，患者先天性脊柱侧弯畸形，已行2次手术治疗，患处疤痕粘连严重，又因第一次矫形手术后，患者原先解剖结构已被人为破坏，如盲目置钉，很容易引起血管神经的损伤。而在导航下可以清晰、实时显示解剖三维结构，从而完美设计螺钉的角度和进针点，提高椎弓根螺钉置钉准确率(图3)，同时更好地提供对椎体的矫形力。术中同时行肌电监护，术后患者无明显神经症状，伤口恢复可，支具保护下可下地行走(图4)。术后一年复查，内固定在位，患者行走自如，无不适主诉。

图3 术中导航下显示患者解剖结构完全不能辨认，徒手置钉困难。而在导航下可以清晰地分辨椎体、椎弓根等解剖标志，可以有效地置入螺钉，提高螺钉的准确率

图4 a：患者术后侧位示后凸畸形cobb角41.8° b：患者术后正位示侧凸cobb角30.8°

2、在后纵韧带骨化或黄韧带骨化手术中的应用：

后纵韧带骨化或黄韧带骨化，常常压迫脊髓和神经而产生症状，而手术需要通过后路切除椎板或钙化韧带来实现对神经的减压。这时导航技术可以更加清晰准确地确认病变范围，从而计划减压范围。如黄韧带骨化，可以在类似直视下确认骨化黄韧带的范围：上下确认减压节段和范围；左右确定切除椎板的宽度。

避免切除过窄时在骨化块中切割，无法切断骨块，同时增加神经损伤风险；过宽时造成脊柱失稳，同时可能造成出血增加。而在颈椎后纵韧带骨化的病例，也可以通过导航下明确骨化块的边界，从而确认椎板的切除范围，既可以充分减压，又可以避免因椎板切除范围过大而发生出血过多或C5神经根麻痹(图5)。 

图5此例为一例颈椎后纵韧带骨化病例，图中所示：术中通过导航球探，可以明确后纵韧带骨化的范围，设计合理的椎板切除范围，即能充分减压，保证手术效果;又能减少因椎板切除范围过大而发生的出血过多或C5神经根麻痹。

3、在脊柱肿瘤手术中的应用：

随着多学科综合诊治(MDT)的发展，脊柱转移性肿瘤的治疗效果日渐提高。随着肿瘤生存期的延长，对其手术治疗的理念也在不断完善和提高。全脊椎整块切除手术、脊柱肿瘤姑息切除分离手术等新技术的应用，让晚期肿瘤患者得以在术后获得更加优质的生活质量。

在脊柱原发和转移性肿瘤的手术治疗中，O-arm联合术中导航技术的应用，不仅在术中可以提高椎弓根螺钉的置钉准确性^[14]，还可以在术中为术者提供制定更好手术方案的影像学依据^[15]。O-arm联合术中导航技术能很好地显示术区的骨骼及肿瘤的结构，特别是能显示出还未被暴露的区域，指导手术操作^[16]。

病例3是一个30岁的女性患者，2008年无明显诱因下，自觉背部疼痛不适，伴腰腹部及双下肢麻木感，不伴下肢放射痛及运动障碍。当时行颈椎MR平扫提示：“胸2椎体向前滑移，右侧椎板骨质破坏。”未予以治疗。

2017年开始出现症状加重，双下肢肌力下降，逐渐不能行走。检查发现患者T3、T4椎体肿瘤侵犯，并部分融合，T3椎体破坏殆尽，T2椎体向前脱位，解剖结构极其紊乱。肿瘤在椎管内T3/4水平严重压迫脊髓，椎管外肿瘤向右后侧沿胸壁生长至距离中线12cm肩胛骨下(图6)。

手术计划切除椎管内肿瘤、T2-T4椎体并进行重建。但术前认为胸壁肿瘤由于肩胛骨阻挡，可能无法行一期切除。术中利用导航明确患者病变的位置边界(图7)，并通过自定义超声骨刀等器械进行精确截骨。切除椎体和椎管内肿瘤后，同时发现在肩关节外展时可以显露至肿瘤外界，因此将胸壁肿瘤一期完整切除。术后病理结果提示为：骨促结缔组织增生性纤维瘤。患者术后一般情况可，术后第5天佩戴支具下地行走，下肢肌力恢复5级，双侧胸壁疼痛VAS评分3分。(图8)

图 6 a.患者2008年MRI图像，显示T3椎体已被破坏，T2以上椎体向前滑移脱位。b.2008年MRI横断位显示脊髓受压。c&d.2017年MRI图像，显示T3椎体被侵蚀殆尽，显示椎管内及胸腔内病变较2008年明显增大，脊髓受压较2008年更为严重，后方附件也被累及。e&f.患者2017年三维CT显示，骨质破坏严重。

图 7术中利用导航球探，探查肿瘤与肩胛骨的关系（a），并确认肿瘤边界及后方附件累及情况（b），黄色线条即为肿瘤的边界。

图 8 a-d.患者术后X线片。e.患者术后第5天佩戴支具下地行走，下肢肌力恢复至5级，双侧胸壁疼痛。VAS评分为3分。

导航技术在肿瘤手术比如全脊椎切除术时，可以准确确认截骨平面，避免截骨过多影响脊柱稳定性、截骨过少时反复多次，延长手术时间。同时也可以通过导航，确认肿瘤边界，确保手术在安全范围内进行。 

4、在脊柱微创及椎间孔镜技术中的应用：

O-arm联合术中导航技术，可以使得术者在进行脊柱微创手术的时候更加游刃有余。前面已经提过，导航技术可以提高椎弓根螺钉的置钉准确性。在置入经皮螺钉时，手术切口的设计就可以在导航下开始，整个手术过程中可以仅仅通过一次定位扫描即可完成，可以大大减少医生和患者的辐射暴露。

椎间孔镜穿刺技术是其关键点和难点，穿刺的准确直接影响手术的效果。有作者报道^[17]：在导航下进行穿刺，放置工作通道更为准确和快速有效，同时也可以有效减少辐射暴露。但穿刺针细长易变形，可能造成导航下偏移，目前这项技术并未得到广泛开展。当然，随着导航技术的改进，今后一定会在微创手术中发挥更大的作用，比如导航下的活检技术、通道及椎间孔镜下融合技术等。

O-arm联合术中导航技术已经成为一种成熟的影像辅助设备，在各种不同类型的手术中已经广泛发挥其优势。当然，它仍有很多需要改进的地方，比如导航参考架的固定如何更加牢靠，避免影响手术操作;如何进一步消除导航的偏移，比如脊柱本身在术中的位移、器械的变形等因素。

如今，我们处在一个技术爆炸的年代，拿汽车导航来说，10年前几千块的导航仪往往定位不准，现在手机上一个简单APP软件就可以定位到10米之内，相信不用多久就可以在分米甚至厘米级。手术导航同样在飞速发展，其精度可能从毫米级发展为微米;定位方式可能从红外定位变成磁感应等;而参考架也可以分散成不同的点，逐一定位手术节段的椎体，从而减少参考架与椎体间位置的变化引起的偏移。同样，当AR或VR技术与导航影像相结合，让术者可以真正做到带着“透视眼”在直视下完成手术。相信在不久的将来，导航技术会变得更为简单，从而成为脊柱外科医生的常规技术。 

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