导航下反肩关节置换术中肩盂基座螺钉置入精确性与安全性研究

李奉龙 姜春岩

北京积水潭医院运动医学科（北京100035）

在反肩关节假体置换手术操作中，肩盂侧假体基座螺钉的精确置入对于假体稳定、患者预后、假体生存时间等具有重要意义[1，2]。目前术中进行此步骤时，主要依靠手术医师的操作经验。由于个别患者肩胛骨结构存在一定程度的解剖变异，并且其周围有重要的血管神经走行，因此传统方法缺乏精确性和可重复性，在一定程度上增加了周围重要血管和神经的损伤风险与手术难度，不利于手术技术的临床推广。

在计算机辅助导航下置入肩盂基座螺钉，可以结合患者个体术前影像学解剖数据，达到治疗个体化[2]，同时对于优化手术技术，提高手术安全性，提升手术技术临床推广效率具有重要意义。本研究以3D打印肩胛骨模型为操作载体，建立导航下反肩关节置换术中肩盂基座螺钉置入的研究模型，同时对传统反肩关节置换术与导航辅助下反肩关节置换术中肩盂基座螺钉置入的精确性与安全性进行对比研究。

1 材料与方法

1.13 D打印肩胛骨模型的制备

选取10例于我院行反肩关节置换手术的病例，所有病例均有完整的术前三维CT扫描数据。其中男性3例，女性7例。平均年龄73.2±5.7岁（66～84岁）。4例患者为左肩关节受累，6例患者为右肩关节受累。10例患者均于我院行人工反肩关节置换手术，其中3例为肱骨近端粉碎性骨折合并不可修复性肩袖损伤，3例为重度肩袖损伤性关节病变，2例为陈旧性肩关节锁定前脱位，2例为重度骨关节炎合并不可修复性肩袖损伤。

以上述10例患者术前三维CT扫描数据为基础，采用优质复合材料（VisiJetPXLTM）进行3D打印，制备肩胛骨模型10个为一组，共计2组，分别为传统手术组（红色模型）和导航手术组（白色模型）。所有手术操作均由同一名高年资手术医师完成。

1.2 采用传统手术技术进行肩盂基座螺钉置入操作

首先采用夹具固定肩胛骨模型（图1），铺单包裹覆盖肩胛体，显露肩盂关节面，以模拟传统手术中所见（图2）。所有手术操作均由同一名高年资肩关节外科医师完成。准备肩盂骨床后，放置肩盂基座，并于基座上下极预留钉孔处以钻头开通骨道，此处钻头所指方向即为肩盂基座螺钉方向（图3），术者依据自身手术技术与手术经验确认钻头方向，原则上要求上方螺钉指向喙突基底，下方螺钉指向肩胛体下柱，同时尽量保证钻头处于肩胛骨体内，依次拧入基座上方及下方2枚螺钉。

图1 采用夹具固定肩胛骨模型

图2 铺单包裹覆盖肩胛体，显露肩盂关节面

图3 以钻头开通肩盂基座内侧骨道，图中钻头指向喙突基底，为肩盂基座上方螺钉方向

1.3 导航下肩盂基座螺钉置入操作

采用夹具固定肩胛骨模型，使肩盂关节面与水平面平行。将示踪器固定于喙突尖端，使用C形臂CT扫描系统（Arcadis Orbic 3D;Siemens，Medical Solu⁃tions，Erlangen，Germany）自动扫描肩胛骨模型，获取即时三维影像并传输至导航系统（The Stryker Naviga⁃tion System，version 1.2，Missouri，USA）自动注册（图4）。然后在导航图像引导下，不断调整开孔钻头方向，分别在横断位、冠状位、矢状位三个平面确认沿钻头长轴方向走行区域均位于或尽最大程度处于肩胛骨骨质内（图5），确定最终钻头开孔方向后，开通骨道，分别置入肩盂基座上方及下方2枚螺钉。

图4 将示踪器固定于肩胛骨模型喙突尖端，使用C形臂CT扫描系统进行扫描，获取即时三维影像

图5 导航图像引导下，确认钻头方向：上图为基座上方螺钉方向，下图为基座下方螺钉方向

1.4 观察指标

对所有术后肩胛骨模型投照肩胛正位X线片，记录肩胛上切迹最低点距肩盂基座上方螺钉长轴的垂直距离（图6），作为安全性指标；直视下测量螺钉穿出肩胛骨皮质外的裸露长度，作为精确性指标。对比分析传统手术组与导航手术组的肩盂基座螺钉置入操作的安全性与精确性。

图6 直线a为经过肩胛上切迹最低点的切线，且平行于直线b（基座上方螺钉长轴方向），记录两条平行线间距离为肩胛上切迹最低点距肩盂基座上方螺钉长轴的垂直距离

1.5 统计学分析

使用SPSS 20.0软件进行统计学分析，数据由均值±标准差表示，评估传统手术组与导航手术组在手术精确性与安全性方面的差异，采用独立样本t检验进行分析，其中P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

20 例螺钉置入手术操作均由同一手术医师完成，手术操作过程顺利。3D打印肩胛骨模型在操作过程中形态结构完整，无模型开裂、变形等情况发生，基座及螺钉与模型间固定坚强可靠，无螺钉断裂、弯曲变形等情况发生。导航下肩盂基座螺钉置入操作过程顺利，操作步骤稳定，过程可重复性较高。

在手术操作精确性评定方面，导航手术组螺钉穿出肩胛骨皮质外的裸露长度为1.8±1.5 mm，低于传统手术组8.2±5.2 mm，两组比较差异有统计学意义（P＜0.05）（表1）。

在手术操作安全性评定方面，导航手术组肩胛上切迹最低点距肩盂基座上方螺钉长轴的垂直距离为4.4±4.0 mm，而传统手术组为－4.0±6.4 mm，两组比较差异有统计学意义（P＜0.05）（表1）。导航手术组中有2例（20%）基座螺钉尾部在肩胛上切迹处穿出肩胛骨皮质，其中1例模型为陈旧性肩关节锁定前脱位病例，1例为重度骨关节炎病例；传统手术组中有7例（70%）螺钉尾部穿出肩胛上切迹皮质，其中3例模型为重度肩袖损伤性关节病变病例，2例为陈旧性肩关节锁定前脱位病例，2例为重度骨性关节炎病例。导航手术组螺钉穿出肩胛上切迹皮质发生率低于传统手术组，说明导航下肩盂基座螺钉置入操作过程具备较好的安全性。

表1 两组手术操作精确性与安全性比较

3 讨论

人工反肩关节置换术是肩关节外科复杂手术操作之一，其中肩盂侧假体的放置对术者技术和经验的要求更为突出[1，3-6]。盂肱关节退行性改变严重的陈旧骨折脱位、重度肩袖损伤性关节病、重度骨性关节炎等病例，常合并明显的肩盂侵蚀、肩盂关节面倾斜角度大、肩盂骨量缺失等极端情况[5，7-9]。如何放置肩盂基座及螺钉，充分利用肩盂骨量以牢固固定肩盂球假体，即使对于手术经验丰富的医生，亦是巨大的挑战。精准的肩盂基座及螺钉放置可牢固固定假体，降低肩胛颈下方撞击发生率，有利于假体稳定，减少假体的远期磨损，延长假体生存时间，可明显改善患者预后[1，6]。然而，目前反肩关节置换术中进行肩盂基座固定步骤时，主要依靠术者的操作经验，同时由于个别患者肩胛骨结构存在一定程度的解剖变异，并且其周围有重要的血管神经走行，采用传统的手术方法在一定程度上操作的精确性不够而且缺乏可重复性，同时存在损伤周围重要血管和神经的风险[10-12]。相比之下，计算机辅助导航下操作则可以结合患者个体术前影像学数据，通过术中实时监测，确定肩盂基座螺钉的最佳方向，即保证螺钉走行区域始终位于或最大程度处于肩胛骨骨质内，避开重要的血管神经走行，保证了假体固定强度，提高了手术的安全性和精确性。

本研究中，导航手术组螺钉穿出肩胛骨皮质外的裸露长度低于传统手术组，说明导航手术组在螺钉置入操作过程中，对控制螺钉始终处于肩胛骨骨质内具有更高的精确性。本研究中将肩胛上切迹最低点距肩盂基座上方螺钉长轴的垂直距离作为安全性指标，是因为传统手术中在置入肩盂基座上方螺钉时，需要术者徒手操作使螺钉指向喙突基底部，以达到最大固定强度。此操作步骤毗邻肩胛上切迹及周围重要血管神经结构，术中若有偏差，使螺钉穿出肩胛上切迹骨皮质，则可能损伤肩胛上神经及血管结构。本研究中导航手术组中有2例（20%）基座螺钉尾部在肩胛上切迹处穿出肩胛骨皮质，传统手术组中有7例（70%）螺钉尾部穿出肩胛上切迹皮质，后者螺钉穿出率明显偏高。进一步分析病例我们发现，所有9例螺钉穿出病例均为合并明显肩盂形态改变的重度关节退变病例，在一定程度上增加了手术技术难度，提示临床手术中对于此种病例，在进行肩盂侧假体放置时要谨慎操作，在尽量争取最大固定强度的同时，将神经血管损伤风险降到最低[13-15]。另一方面，对于合并明显肩盂形态改变、肩盂骨量丢失的手术病例，导航下操作的实时反馈效应可能比传统手术更具优势。

尽管本研究初步证实了导航下肩盂基座螺钉置入操作的理论优势，但术中导航在具体实施过程中需要面临手术时间延长、手术步骤增加、学习曲线长等问题。尽管如此，导航下手术仍然具备较高的操作可重复性，若将其与3D打印技术结合应用，可以明显降低临床专业手术技术应用的推广成本，有利于临床相关科研平台搭建，便于手术技术的普及与改良创新。

本研究还有以下几点不足：第一，本研究以3D打印模型为载体，仅限于形态学研究，无法进行生物力学研究，不能明确传统手术与导航下手术操作的生物力学特性差异；第二，入组病例肩盂形态结构较为单一，不能完全模拟临床实际情况，缺乏大样本量的研究结果；第三，描述安全性指标时，采用X线影像为二维投影定量分析，存在一定程度的误差，若进行三维空间定量研究，则可能更准确地描述相关研究结果。

综上所述，本研究以3D打印模型为载体，通过对比分析，结果表明导航下肩盂基座螺钉置入操作相对于传统手术技术具有较高的精确性和较好的安全性。