【摘 要】
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手术的微创化、数字化与智能化是现代脊柱外科的标志,也是未来脊柱外科的发展方向。椎弓根螺钉的智能规划是未来机器人全自动化手术的关键技术。智能规划要实现对目标椎体的自动识别,并根据不同椎体的骨质、形态、损伤类型等智能规划出椎弓根螺钉的轨迹、规格、置入深度等参数。既往的研究证明,CT值与骨密度呈线性关系[3-5]。而骨密度与骨组织杨氏模量之间呈指数关系。所以,将椎弓根螺钉放置到能使其拔出强度尽可能高的位
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手术的微创化、数字化与智能化是现代脊柱外科的标志,也是未来脊柱外科的发展方向。椎弓根螺钉的智能规划是未来机器人全自动化手术的关键技术。智能规划要实现对目标椎体的自动识别,并根据不同椎体的骨质、形态、损伤类型等智能规划出椎弓根螺钉的轨迹、规格、置入深度等参数。既往的研究证明,CT值与骨密度呈线性关系[3-5]。而骨密度与骨组织杨氏模量之间呈指数关系。所以,将椎弓根螺钉放置到能使其拔出强度尽可能高的位置,使螺钉通过轨迹的CT值尽可能大,可能是骨质疏松椎弓根螺钉置入的另一种思路。随着计算机技术的发展,更高算力的计算机和更好的算法被研究者们开发了出来,使用术前或术中CT进行自动规划,以寻求一条符合椎弓根螺钉置入标准且通过的CT值最大的轨迹是可以实现的。本研究首先提出了一种针对骨质疏松患者的基于CT值的椎弓根螺钉自动规划方法,并在10名腰椎退变患者的CT图像上评价该方法与手动人工规划所得螺钉轨迹的位置及CT值的区别。结果显示,自动规划得出的推荐螺钉直径和长度较为保守。在腰椎退变患者的CT上,基于CT值自动规划的螺钉置入点比手动规划更加的靠外靠下,轨迹有更大的尾倾角和更小的外展角。自动规划轨迹比人工规划轨迹的平均CT值高29.13%,有望提高骨质疏松椎弓根螺钉的抗拔出力。之后,为验证轨迹CT值的提高是否能增加椎弓根螺钉的抗拔出力,我们建立了体外骨质疏松模型,并在该模型上通过生物力学测试来验证基于CT值的椎弓根螺钉自动规划系统的安全性和有效性。结果表明,在体外骨质疏松模型中,基于CT值的椎弓根螺钉自动规划轨迹没有造成椎弓根螺钉的穿破。自动规划轨迹可以获得更高的椎体螺钉抗拔出力,与手动规划相比,螺钉抗拔出力提高了44.7%,并且达到了与正常椎体手动规划相似的抗拔出力大小。该方法可能是骨质疏松椎体椎弓根螺钉置入有应用价值的新方法。最后,我们验证了常规CT是否能达到与显微CT相似的规划结果,并研究使用光-电磁一体导航联合自动规划系统辅助椎弓根螺钉置入的安全性、便捷性和有效性。结果表明,常规CT可以替代显微CT用于进行自动规划。自动规划联合手术导航可以达到精准、快速的椎弓根螺钉放置。常规CT规划的轨迹能达到与显微CT规划轨迹相似的生物力学性能,是在不增加植入物的前提下脊柱后路内固定的一种潜在替代技术。该研究提出了一种减少人工参与的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法,并展示了与手术导航联合用于椎弓根螺钉置入的应用前景,有望提供一种提高椎弓根螺钉固定强度且无附加植入物的新方法。
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