使用三维磁共振成像减少机器人辅助骶骨盆螺钉置入中的辐射

《European Spine Journal》：Mitigating radiation in robotic-assisted sacropelvic screw placement using 3D magnetic resonance imaging

　　

目的评估利用三维磁共振成像（3D MRI）进行术前规划和机器人注册的机器人辅助（RA）骶骨盆螺钉置入（SPSP）的可行性与准确性。背景数据总结：SPSP是脊柱固定的关键组成部分，但易受轨迹偏差影响，且基于透视或计算机断层扫描（CT）的导航存在辐射暴露。类CT的3D MRI导航提供无辐射术前成像，但其与RA系统的整合在SPSP中尚未被探索。方法：8具人类尸体接受基于MRI术前规划的RA SPSP，包括双侧S1椎弓根螺钉、S1-骶骨翼-髂骨（AI）螺钉和S2-AI螺钉的置入。准确性通过术后CT分析测量计划轨迹与实际轨迹之间的偏差，并通过直接测量量化，随后使用Gertzbein-Robbins量表（GRS）进行分类。结果：共置入48枚螺钉，使用3D MRI引导的RA导航。术后CT确认46枚螺钉（95.8%）被评为GRS A级。在S1椎弓根螺钉（n=16）中，轴向平面中位偏差为0.5 mm（四分位距[IQR] 0.3–0.8），矢状面中位偏差为0.8 mm（IQR 0.5–0.9）。对于S1AI和S2AI螺钉（n=30），入口点中位偏差为0.7 mm（IQR 0.3–1.2），而内侧骶髂关节边界的轴向中位偏差为0.9 mm（IQR 0.6–1.7）。结论：这项首次对3D MRI引导的RA骶骨盆固定进行的尸体验证，证明了无辐射术前成像和机器人注册用于精确轨迹执行的可行性。

**论文解读：基于三维磁共振成像的机器人辅助骶骨盆螺钉置入——辐射减少与准确性验证**

**研究背景与问题**
骶骨盆螺钉置入（SPSP）是脊柱固定术中的关键环节，常用于畸形矫正和翻修手术，通过将脊柱远端锚定至骨盆来提供生物力学支持。然而，该区域解剖结构复杂且形态多变，传统徒手技术依赖广泛剥离和骨性标志触诊，常辅以透视引导，但面临轨迹偏差风险。基于计算机断层扫描（CT）的导航虽能提高准确性，却引入电离辐射，导致患者和手术人员的累积暴露。据Smith-Bindman等人口层面的预测，CT成像可能在美国导致多达103,000例未来辐射诱发的癌症，约占所有新发癌症诊断的5%。因此，无辐射且能保留空间分辨率和解剖准确性的成像手段成为研究热点。三维磁共振成像（3D MRI）结合深度学习重建技术（如使用spoiled gradient recalled echo[SPGR]和zero time-to-echo[ZTE]序列）可提供类似CT的骨结构可视化，同时具备软组织对比度优势。然而，3D MRI在术前规划与术中导航中的应用，特别是与机器人辅助（RA）系统的整合，在骶骨盆区域尚未被验证。本研究旨在评估3D MRI引导的RA骶骨盆固定在尸体中的准确性和可行性，假设该方法可在减少辐射暴露的同时实现精确可靠的螺钉置入。

**研究内容与结论**
研究人员在8具人体尸体上利用3D MRI进行术前规划，并通过RA系统置入48枚螺钉（包括S1椎弓根螺钉、S1-骶骨翼-髂骨[AI]螺钉和S2-AI螺钉），术后CT评估显示95.8%的螺钉达到Gertzbein-Robbins量表（GRS）A级，轨迹偏差极小（轴向平面中位偏差0.5 mm，矢状面0.8 mm）。研究发现，早期未预攻丝的标本中出现两枚螺钉（4.2%）沿骶髂关节面滑移（Grade E），提示预攻丝对防止皮质滑移至关重要。该研究首次验证了无辐射的3D MRI引导RA骶骨盆固定的可行性，为减少脊柱手术中的辐射暴露提供了新方案。论文发表在《European Spine Journal》。

**关键技术方法**
本研究采用8具新鲜冰冻人体尸体（6男2女，平均年龄74.4±7.1岁，平均体重指数24.6±2.0 kg/m2），来源为单一学术机构，经伦理委员会批准（IRB# 2024?1721）。术前使用临床3-Tesla磁共振系统（Signa Premier；GE Healthcare，美国）获取三维SPGR序列（各向同性体素1.1 mm³，扫描时间5–6分钟），经强度反转和掩膜处理（ITK-SNAP软件，由1年经验的研究助理手动生成骨结构掩膜）后生成类CT图像，再通过自定义MATLAB脚本（MathWorks，美国）优化对比度。处理后数据集导入机器人规划软件（Mazor X，版本5.0；Medtronic，美国）进行三维轨迹规划。术中通过MRI-荧光透视配准（两张图像：前后位和侧斜位）完成注册，机器人引导下置入S1椎弓根（6.5×45 mm）和S1AI/S2AI（8.5×80 mm）螺钉。术后准确性评估采用精细CT扫描，使用GRS分级和直接距离测量（轴向和矢状面偏差），由两名脊柱外科医生独立评估，加权kappa值为0.82（95%置信区间0.52–1.00），表明几乎完全一致。

**研究结果**
- **标本特征**：8具尸体（6男2女）均无骶骨盆结构异常或既往手术史，解剖适合性经确认。
- **螺钉准确性**：共48枚螺钉（16枚S1椎弓根螺钉，32枚骶骨盆螺钉[含S1AI和S2AI]）经3D MRI引导的RA导航置入。术后CT显示46枚（95.8%）为GRS A级。S1椎弓根螺钉：轴向平面中位偏差0.5 mm（四分位距[IQR] 0.3–0.8），矢状面中位偏差0.8 mm（IQR 0.5–0.9）。S1AI和S2AI螺钉：入口点中位偏差0.7 mm（IQR 0.3–1.2），内侧骶髂关节边界轴向中位偏差0.9 mm（IQR 0.6–1.7）。两枚Grade E螺钉（均为S1AI）出现在前两具未预攻丝的标本中，均沿骶髂关节面滑移，在后续所有预攻丝病例中未再出现，提示预攻丝可减少螺钉沿皮质表面的偏转。
- **工作流程**：所有SPGR数据集成功整合至机器人软件，实现完整术前规划；术中注册和机器人执行无错误或并发症，证实MRI导航的可靠性。

**总结与讨论**
讨论部分指出，与传统CT导航相比，深度学习增强的3D MRI在临床可行采集时间内提供类CT骨结构可视化，同时具有优越的软组织对比度，可增强术中安全性。本研究中观察到的95.8% GRS A级准确性与其他研究报道的CT或透视引导的骶骨盆固定准确性（如Shillingford等报道的97.8%）一致。两枚Grade E螺钉的滑移强调了对高密度皮质骨区域（如骶髂关节）使用预攻丝的重要性。此外，研究首次将S1AI螺钉纳入RA导航方案，为复杂畸形矫正中可能需要的双骶骨盆螺钉固定（如Tang等报道减少并发症）提供了初步可行性。但本研究存在局限性：尸体模型无法模拟活体生理变异和出血；缺乏CT导航对照组；样本量较小。未来需进行活体验证、多中心研究和生物力学评估。

**研究结论**
原文结论翻译如下：这项首次尸体验证证明了3D MRI引导的RA骶骨盆固定的技术可行性，利用无辐射术前成像和机器人注册可实现精确轨迹执行。研究还表明，预攻丝在防止沿成角骶骨盆轨迹的皮质滑移中可能至关重要，为未来临床应用提供了重要操作考虑。