《Journal of Biomechanics》：Computer-supported spinal fusion rod shaping yields improved conformity compared to freehand bending
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脊柱融合术中金属棒形状的优化与评估：计算机辅助弯折减少螺丝受力并避免返工
脊柱融合|金属棒弯折|优化算法|力学性能|手术效率
Tobias G?tschi | Gian Maranta | Alexander Crotta | Frédéric Cornaz | Mazda Farshad | Jonas Widmer
瑞士苏黎世大学Balgrist医院骨科手术系，脊柱生物力学研究组
摘要
在脊柱融合手术中，金属棒需要被塑形以适应椎弓根螺钉的位置。如果塑形不良，可能会导致螺钉过载，从而引起螺钉松动或拔出。传统的手动弯曲方法依赖于操作者的感知，耗时较长，对操作者的认知能力要求较高，并且结果存在不确定性。我们提出了一种新的工作流程：首先通过多目标优化算法虚拟计算金属棒的形状，然后使用定制工具进行手动加工。该算法旨在减少弯曲次数和角度，以提高效率并保持金属棒的强度。
七名脊柱外科医生分别采用手动和计算机辅助的方法，按随机顺序对7级螺钉配置的金属棒进行弯曲测试。实验中使用带有单轴力传感器的专用测试装置来测量金属棒在安装前后的前后方向受力情况，并记录弯曲时间、峰值力和残余力以及是否发生重新弯曲。
与手动弯曲相比，计算机辅助弯曲方法使峰值力和残余力分别降低了41.9%（p = 0.043）和28.5%（p = 0.027），同时弯曲时间和安装时间也显著缩短了27.4%（p = 0.077）。在计算机辅助组中未出现重新弯曲或螺钉拔出的情况，而手动组平均每次操作需要重新弯曲2.5次。
计算机辅助弯曲不仅能够产生符合力学要求的金属棒结构，还能避免不必要的重新弯曲。观察到的力值降低与先前的研究结果一致，表明金属棒与螺钉的贴合度更好，螺钉对骨头的应力也有所减轻。这种工作流程可能在自动化塑形系统的精确性与手动手术过程中的灵活性之间找到一个实用的平衡点，有望提高多级脊柱融合手术的一致性。不过，其对手术时间和临床结果的具体影响仍有待进一步验证。
引言
后路脊柱融合术常用于治疗椎间盘退变、脊柱不稳定性和畸形，其原理是将椎弓根螺钉固定在椎体上，并通过纵向金属棒将它们刚性连接起来，为融合过程创造一个理想的生物力学环境（Martin等人，2007年；Phillips等人，2013年）。在多级融合结构中，金属棒必须被弯曲以适应螺钉头的位置并实现机械连接。椎弓根螺钉通过一个名为“tulip”的连接元件与金属棒相连，安装时使用锁紧螺钉将金属棒固定到位。
传统的金属棒塑形通常依靠手动操作，使用简单的工具如French弯管器和金属棒调直器完成。在这个试错过程中，外科医生需要估算螺钉头的三维位置，反复弯曲金属棒直至达到大致匹配，再使用调直工具调整任何剩余的偏差。这种方法耗时且对医生的经验要求较高，导致结果的一致性较差。此外，强行将不匹配的金属棒固定到位会对椎弓根螺钉产生较大压力，可能增加其松动的风险（Ohba等人，2019年；Loenen等人，2021年；Sumiya等人，2021年）。反复弯曲或较大的局部弯曲角度会进一步削弱金属棒，增加其疲劳失效的风险（Demura等人，2015年；Lindsey等人，2006年）。
随着光学跟踪系统在脊柱手术中的广泛应用（Kalfas，2021年），现在可以以亚毫米级的精度数字化椎弓根螺钉的位置，从而设计出针对患者的个性化金属棒形状。已有研究展示了计算机辅助的工作流程：首先虚拟规划目标金属棒形状，再转化为弯曲指令或自动塑形操作（Isaacs等人，2019年；Tohmeh等人，2014年；Von Atzigen等人，2024年）。然而，直接将金属棒与螺钉头进行几何匹配可能会导致不必要的多次弯曲或较大的弯曲角度，增加人工工作量并削弱金属棒的强度。
在这项实验室研究中，我们评估了一种基于优化的金属棒弯曲规划方法，该方法旨在在满足几何和解剖学约束的前提下，最小化弯曲次数和角度，并将其机械性能和工作流程与传统手动弯曲方法进行比较。
研究设计
我们进行了一项实验室研究，七名脊柱外科医生分别采用手动和计算机辅助的方法，对一个临床病例（T10-L5节段）中的7级螺钉配置进行金属棒弯曲操作。实验使用装有单轴力传感器的专用测试装置来模拟螺钉位置并测量每个螺钉所受的前后方向力。我们记录了每次弯曲和安装金属棒所需的时间，以及金属棒安装过程中的峰值力。
结果
与手动弯曲相比，计算机辅助弯曲方法使峰值力（370.3 [275.3, 595.8] N vs 636.6 [466.1, 812.3 N]）和残余力（337.5 [223.5, 410.8] N vs 471.8 [129.1, 752.6 N]）分别降低了41.9%（p = 0.043，r = 0.667）和28.5%（p = 0.027）。计算机辅助弯曲方法还使金属棒的准备和安装时间平均缩短了27.4%（379.9 [331.4, 597.9] s vs 522.9 [452.9, 819.9 s]，p = 0.077）。
讨论
这项实验室研究结果表明，所提出的计算机辅助弯曲方法能够改善金属棒与螺钉之间的配合度，从而降低力学性能指标。与手动方法相比，计算机辅助弯曲方法产生的螺钉前后方向力更低，这与金属棒与螺钉更紧密贴合的结果一致。此外，金属棒的一致性分析也证实了计算机辅助弯曲的有效性。
数据可用性
本研究的相关数据可应合理要求提供。
作者贡献声明
Tobias G?tschi：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件开发、资源管理、方法论设计、研究实施、资金申请、数据分析、数据整理、概念构思。
Gian Maranta：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件开发、项目监督、方法论设计、研究实施、数据分析、数据整理、概念构思。
Alexander Crotta：撰写、审稿与编辑
资助
本研究得到了苏黎世大学（资助编号：MEDEF24-040）的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系或个人关联：Tobias G?tschi表示获得了苏黎世大学的资金支持；Mazda Farshad与Balgrist医院存在咨询或顾问关系，并获得了该医院的资金资助；Mazda Farshad拥有专利WO2023170012A1。
致谢
我们非常感谢参与实验的外科医生们对这项研究的贡献。本研究得到了苏黎世大学（资助编号：MEDEF24-040）的支持。Mauro Sutter在定制弯曲工具设计方面提供了重要帮助。成像工作使用了由瑞士肌肉骨骼成像中心（SCMI，位于苏黎世Balgrist校区）提供的设备。
