数字化技术在强直性脊柱炎手术中的应用进展

Abstract

目的

探讨数字化技术在强直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）手术中的应用进展及其临床价值。

方法

系统检索国内外相关文献，归纳数字化技术（包括术前三维规划、术中实时导航、机器人辅助手术及3D打印技术）在AS手术中的具体应用场景、操作流程及技术优势，分析其对手术精准度、并发症发生率及患者预后的影响。

结果

数字化技术显著提升了AS手术精准性与安全性。术前三维规划可定制个性化手术方案；术中导航系统实时修正操作路径，降低误伤风险；机器人辅助手术减少人为误差，提升植入物定位精度；3D打印技术制作的解剖模型和导板优化了复杂脊柱畸形的矫正效果。此外，上述技术联合应用可缩短手术时间，减少术中出血量，降低术后并发症（如感染、神经损伤）发生率，并加速患者功能恢复。

结论

数字化技术通过多维度整合创新，为AS手术治疗提供了精准化、微创化的解决方案，未来需进一步探索其与生物材料、智能算法的结合潜力，以优化手术策略并改善患者长期预后。

强直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）是一种慢性炎症性自身免疫性疾病，主要累及脊柱和骶髂关节，导致关节僵硬、脊柱融合及功能障碍等症状，患病率为0.1%～1.4%^[1-2]。AS不仅严重影响患者健康，还会降低生活质量和社会功能。早期诊断和及时干预至关重要，尤其是手术干预。然而，由于疾病本身炎症反应和存在骨质疏松，传统手术需对椎旁肌肉广泛解剖，导致术中出血量大、手术时间长以及术后感染风险增加^[3]。

随着数字化技术发展，计算机辅助三维重建、3D打印、导航系统和机器人等技术已广泛应用于临床，显示出巨大应用潜力。在临床AS治疗中，医生通过三维重建技术可以更准确评估患者脊柱形态和病变程度，从而制订合理手术方案；采用3D打印技术可进行临床解剖建模，直观评估患者解剖结构并辅助手术操作，有利于畸形矫正、术后早期功能恢复^[4-5]；应用术中导航系统实时引导手术器械定位和操作，提高手术安全性、保证手术操作顺畅，从而减少手术时间和出血量。现通过回顾数字化技术在AS手术中的应用研究，总结相关技术应用方法和效果，以期为提高AS治疗质量提供参考。

1. 基于数字化技术的术前规划与个性化工具应用

1.1. AS脊柱后凸畸形三维模拟与参数优化

AS脊柱后凸畸形截骨矫形方法主要包括经椎弓根及部分椎体截骨、部分关节突截骨和完整椎体切除截骨等，前两种是常用术式^[6]。截骨矫形手术操作复杂且并发症发生风险较高，术前精准规划对提高手术成功率及降低术中风险至关重要^[7]。

Surgimap Spine软件（Nemaris公司，美国）通过处理影像学信息获得图像数据，辅助医生制订个体化手术方案，为AS脊柱后凸畸形矫形术前规划提供了可靠方法，简化脊柱骨盆参数评估和截骨模拟^[8]。首先，将患者脊柱全长侧位X线片或CT三维重建数据导入该软件，利用其内置测量工具依次测量骨盆参数、颌眉角、矢状面平衡距离等矢状面参数；旋转图像使骨盆倾斜角达到理想数值；使用“Wedge”功能根据不同矢状面平衡距离多场景模拟截骨角度，并根据个体化颌眉角需求设定截骨范围^[9]。

然后，将高分辨率CT/MRI数据以Dicom格式导入Mimics软件（Materialise公司，比利时），根据Surgimap Spine软件规划的矫形方案进行对应脊柱椎体三维规划，在规划截骨范围内确定截骨角度和解剖关系。此过程中可不断改进引导模板，在脊柱任何部位移动截骨节段，直至完全对齐，从而确定截骨节段的范围和位置。同时反复模拟椎弓根螺钉植入，确定最佳角度、方向、长度和直径。截骨模拟完成后，采用3D打印脊柱模型构建个性化模板。可在模型上再次模拟截骨，测量楔形骨块并与软件设计数据比较，验证截骨范围、纠正角度及螺钉参数，确保方案的精准度和可行性。马宁^[10]采用经椎弓根截骨术治疗14例AS脊柱后凸畸形患者，患者Oswestry功能障碍指数（ODI）由术前平均31.6分降至末次随访7.2分，颌眉角、胸腰椎后凸Cobb角、脊柱矢状面偏移以及骨盆倾斜角分别由平均41.2°、61.3°、13.0 cm、40.4° 改善至14.7°、30.2°、2.6 cm、22.3°，截骨高度精准度达102%±5%，截骨角度精准度达96%±8%，术后无严重并发症且内固定稳定。

数字化技术的不断完善为AS脊柱后凸畸形截骨矫形手术提供了更多可能。例如，通过有限元分析等方法预测不同截骨方案对脊柱矢状面平衡的影响，使医生深入地了解患者脊柱生物力学特性，为手术方案制订提供更加科学的依据^[11]。

1.2. Andersson损害（Andersson lesion，AL）的数字化评估与个性化工具应用

AL是AS患者的一种特殊并发症，表现为椎体或椎间盘侵蚀破坏性损害，常累及三柱，导致局部微动、骨折不愈合并最终形成假关节。临床表现包括局部背痛、进行性加重后凸畸形、神经功能障碍等，严重者可出现脊髓或神经根受压症状^[12-13]。传统手术治疗需要广泛剥离椎旁肌，创伤大、出血多、术后感染风险高，且可能加重肌萎缩，导致术后腰背部无力及慢性腰背痛。此外，AS患者椎体骨质较差，存在螺钉松动、断钉等内固定失败风险。对于合并脊柱后凸畸形患者，单纯前路手术无法矫正矢状面失衡，后路手术则需要长节段固定，导致手术时间长、出血量多、并发症风险高；且术中辐射暴露较大，可能存在辐射损伤^[14-15]。

数字化技术在AS合并AL治疗中优势显著，尤其在精准术前规划和术中操作优化方面。基于计算机辅助设计技术，结合高分辨率CT扫描与三维重建，可对脊柱解剖参数进行精确量化分析，并模拟截骨范围、螺钉植入轨迹及矫形后脊柱力线恢复效果。这种数字化评估不仅能明确病变累及的三柱结构，还可通过反复模拟手术方案，减少术中对解剖变异或骨化结构的误判^[16-17]。通过个性化导板设计实现术者精准操作，例如在螺钉植入环节，导板组螺钉A/B级精度达97.1%，高于传统组的93.8%，且术中辐射暴露减少30%^[16]；对于AL合并脊柱后凸畸形复杂病例，3D打印截骨导板可精确引导超声骨刀沿预设轨迹切除硬化骨及假关节，避免损伤脊髓或神经根^[17]。此外，3D模型还能辅助预弯钛棒，解决AS患者脊柱强直导致的置棒困难问题，缩短手术时间^[18]。

针对AL患者解剖标志模糊问题，3D打印技术优势尤为突出。通过3D打印模型提前规划螺钉植入角度和融合器位置，能避免因椎体边缘骨赘干扰导致的植钉失败，术后矫正率达96.8%^[18]。同时，结合截骨导板可使术中截骨执行与术前设计吻合度达97.02%，显著降低术中神经损伤风险。临床研究显示导板组后凸矫正率（96.83%）高于传统组（86.61%），且术后ODI更低；对于需多节段截骨的复杂AL病例，还能减少术中出血量和缩短住院时间^[17]。

2. 术中导航与机器人辅助技术

2.1. 实时影像导航与O型臂系统应用

在AS脊柱后凸截骨矫形手术中，数字化技术的引入显著提升了手术精确性和安全性，临床常用术中导航系统和智能手术器械以提供实时引导和支持。

实时影像导航是导航辅助手术的核心功能。通过高分辨率影像设备获取患者脊柱三维图像数据，导入导航系统生成虚拟手术环境。术中，医生可以利用此环境来实时跟踪手术器械位置和方向，确保按预定路径操作。目前，导航辅助手术技术已经取得显著成果。基于CT的导航辅助提高了手术精准度，缩短了手术时间，降低了并发症发生率^[19]。同时，与传统X线透视相比，导航辅助手术可减少手术团队辐射暴露^[20]。除CT外，O型臂系统作为一种新兴设备，与基于术前 CT的导航相比，能在短时间内获取高精度术中图像并创建三维重建图像，其通过移动机架内的镜筒、X射线管和平板探测器改变成像方向，无需繁琐移动设备。此外，仅需按键即可移动龙门架和改变成像方向，便于操作系统时能保持操作区域无菌环境^[21]。在AS合并下颈椎骨折手术中，O型臂系统辅助手术提高了植钉精确性，与传统徒手植钉相比减少了术中调整螺钉位置的频率，从而缩短手术时间，降低手术创伤和风险，利于术后恢复^[22-23]。O型臂系统联合Wiltse入路则体现了经皮技术优势，术中经肌间隙入路减少软组织损伤，结合实时三维成像导航，使螺钉皮质穿透率降至1.4%，显著低于传统徒手植钉的7.7%^[24]。O型臂系统在获取术中图像方面的快速性、操作的便捷性、维持清洁环境的能力以及提高精度和减少辐射的潜在益处，使其成为AS手术治疗中的重要辅助手段。

导航辅助手术还可以与其他数字化技术（如机器人辅助手术）相结合，进一步提高手术自动化和智能化水平^[25]。例如，一种用于手术机器人系统的透视导航系统，包括一个连续操纵器，能自动检测透视图像中的Continuum 机械臂，并使用基于图像的二维/三维配准来估计机械臂 和骨骼解剖结构的姿势，配准结果被整合至机器人运动学模型中，用于导航机械臂运动^[26]。随着技术的不断进步和临床应用的深入，导航辅助手术有望在AS手术治疗中发挥更大作用。

2.2. 机器人辅助椎弓根螺钉植入的优势与临床应用

骨科手术机器人的应用显著提升了椎弓根螺钉植钉精准性与安全性。基于术前三维影像的路径规划，机器人系统能精确执行螺钉植入操作，有效减少人为误差。机器人辅助植钉的导针入点、止点及轴位角度偏差均显著小于传统徒手植钉，螺钉位置优良率可达100%，而传统方法仅为86.67%^[27]。这种高精度特性优势在解剖结构复杂病例中尤为突出，例如AS患者因椎体骨化、解剖标志模糊，徒手植钉难度大，而机器人通过三维图像配准和机械臂引导，仍能实现95.8%临床可接受螺钉位置（A、B级），优于传统开放手术的87.8%^[28]。

机器人辅助手术微创特性进一步减小了术中创伤。相较于传统开放手术需广泛剥离椎旁肌，机器人辅助可通过经皮或单一小切口完成操作，显著缩小了手术切口范围，减少软组织损伤，术中出血量降低约50%^[28]。此外，微创操作减少了术后疼痛，术后1周疼痛视觉模拟评分（VAS）较传统开放手术降低平均0.6分，加速患者康复；住院时间也显著缩短，机器人组平均住院时间为8.45 d，较传统组的11.23 d减少24%^[27]。

在辐射暴露方面，机器人辅助通过精准规划减少了术中反复透视需求。尽管部分研究显示，机器人组因为需要三维扫描，总辐射剂量可能相应增加（163.3 mGy vs. 80.7 mGy），但其核心价值在于显著降低术者辐射暴露风险（因可远离操作区），并通过提升螺钉一次性植入成功率（93.33%），有效避免传统术中因反复调整螺钉位置而导致的额外透视辐射^[27-28]。

特别在AS 患者胸腰椎骨折这类高风险、复杂病例中，机器人辅助技术的优势结合特定的固定策略显得尤为重要。Ye等^[3]的研究证实，机器人辅助经皮固定需采用长节段固定策略，以应对脊柱异常力学负荷和骨折不稳定性。该策略通过扩大固定范围分散应力，有效降低螺钉松动风险（如在机器人辅助长节段固定下仅1.9%螺钉错位）和术后内固定失败概率，同时促进骨愈合（平均愈合时间6个月）。此外，固定节段选择需结合骨折类型，在应力骨折中可采用单节段固定结合椎间融合，减少手术创伤，而剪切力骨折中因断端移位风险高，需延伸固定范围（如伤椎上、下各1～2个节段）^[29]。

值得注意的是，机器人辅助手术学习曲线可能影响初期效率。机器人组手术时间较传统组延长约15%（134.58 min vs. 115.83 min），但随着术者操作熟练度提升，规划与配准流程优化，时间差异可逐步缩小^[27]。尽管如此，机器人系统在复杂病例（如高位颈椎、椎弓根变异）中仍展现出独特优势，其通过多模态影像融合和实时纠偏功能，为术者提供更安全的技术保障。

3. 数字化技术在AS合并髋关节受累患者人工全髋关节置换术中的应用

3.1. 机器人辅助人工全髋关节置换术精准实施

AS是一种累及骶髂关节、脊柱及髋关节等中轴骨的慢性炎症性疾病。炎症会导致髋关节周围骨质和软组织破坏，最终引起关节强直、畸形和功能丧失。随着病情进展，髋关节可能出现骨性融合，导致关节完全失去活动能力，患者出现疼痛、僵硬及活动受限，严重影响生活质量。然而传统人工全髋关节置换术存在以下问题：① 手术难度大：AS患者髋关节解剖结构因炎症和纤维化发生改变，正常解剖标志丢失，导致假体放置困难；② 术后并发症风险高：传统手术中髋臼杯和股骨柄假体位置难以精准控制，可能导致术后髋关节脱位、假体松动、磨损及异位骨化等并发症；③ 由于手术创伤较大，术后恢复时间较长，患者早期活动受限^[30]。

机器人辅助人工全髋关节置换术使用CT扫描数据进行髋关节建模，规划假体型号、位置、角度及相关参数；然后安装定位导航器，通过注册螺钉将患者解剖结构与机器人系统匹配；机器人辅助下进行髋臼和股骨准备，精准打磨髋臼和扩髓，安装假体。术中实时调整假体位置和角度，确保假体安装符合术前规划；联合术后进行抗感染、多模式镇痛、早期康复训练等^[31-32]。以上流程可精准定位髋臼和股骨假体位置，减少人为误差，提高假体安装准确性和稳定性。通过术前规划和术中实时调整，能减少术后脱位、假体松动等并发症。由于手术创伤小，患者术后可早期下地活动，恢复时间缩短^[32-37]。

3.2. 基于生物力学的髋臼假体设计与3D打印技术应用

AS患者常因脊柱强直导致骨盆后倾，使得髋关节生物力学发生改变，导致髋臼前倾角增大，从而使股骨头前方覆盖不足。在髋关节屈伸过程中，由于骨盆代偿功能下降，易出现前方撞击，进而导致髋关节前脱位。此外，AS患者髋臼侧假体负重区后移，股骨柄后伸时与髋臼假体后侧缘撞击形成杠杆作用，也可能导致人工关节前脱位。因此，AS患者在人工全髋关节置换术后更容易出现前脱位，这与骨盆后倾引起的髋臼前倾角改变密切相关^[34，38-39]。

在AS患者人工全髋关节置换术中，髋臼角的选择需要综合考虑骨盆倾斜角、脊柱矢状面平衡以及髋关节的生物力学特性。研究显示，当骨盆后倾角较大时，髋臼假体前倾角应适当减小，骨盆后倾角每增加10°，髋臼假体前倾角应减少约5°^[39]。有限元分析和计算机模拟手术研究发现，髋臼杯前倾角在（10±5）° 范围内时，假体与骨性髋臼接触面的应力损伤风险最低。因此，髋臼角应根据患者骨盆倾斜角进行调整，以确保术后髋关节稳定性和功能恢复^[38-39]。

3D打印技术在AS合并髋关节强直置换术中优势显著。该技术能根据患者解剖结构定制个性化手术导板或假体，确保手术精准性；制造带有骨小梁结构或多孔假体，促进骨组织长入，提高假体长期稳定性。同时，3D打印手术导板可简化手术步骤，减少手术时间和术中出血量，有效提高手术安全性和效率。此外，结合计算机辅助设计和有限元分析，3D打印技术还支持在术前模拟评估不同手术方案，提供最佳规划^[39-40]。

4. 数字化技术在AS与普通骨科手术中的应用差异

4.1. 术前规划与三维重建精准度差异

AS患者因脊柱强直、骨化韧带广泛分布及解剖标志模糊，术前规划需依赖高精度三维重建技术（如Surgimap Spine软件）模拟截骨角度和脊柱矢状面平衡参数，动态优化骨盆倾斜角及整体后凸角。而普通骨科手术（如骨折或退行性脊柱侧凸）术前规划多基于标准解剖模板，三维重建主要用于可视化病变范围，无需复杂动态参数调整^[41]。此外，AS合并AL时需通过有限元分析预测截骨后生物力学变化，而普通骨科手术中有限元分析更多用于固定装置优化^[42]。

4.2. 3D打印技术在解剖复杂病例中的定制化应用

AS手术中因需应对椎体骨化和假关节形成的复杂解剖变异，常采用3D打印技术制作个性化导板，例如制备个性化截骨导板精确引导超声骨刀操作，避免脊髓损伤。相比之下，普通骨科手术（如骨盆骨折复位）中，3D打印技术多用于制作骨折模型或相对标准化导板辅助螺钉植入^[42]。

AS患者因脊柱强直，常需根据个体化3D打印模型预弯钛棒以适配其独特的解剖结构。而普通骨科手术中，3D打印假体（如关节假体）更侧重于提供足够的力学支撑，对解剖形态的精确匹配要求相对较低。

此外，AS患者手术常因骨化结构遮挡需依赖术中频繁透视定位，而3D打印导板通过术前精准规划和术中物理引导，可显著减少透视次数，降低患者和术者辐射暴露风险。普通骨科手术的导板设计，则更侧重于通过标准化流程简化手术步骤，直接缩短手术时间。

4.3. 机器人辅助技术应对骨化与解剖变异的特殊性

AS患者椎弓根因骨化导致徒手植钉难度高，机器人辅助技术通过三维图像配准可精准规划螺钉路径，植钉优良率达95.8%。普通骨科手术中（如腰椎退行性疾病），机器人辅助技术主要用于提升常规植钉效率，而非解决解剖变异问题^[43]。

AS患者因脊柱强直需长节段固定，机器人辅助可优化螺钉分布以分散应力。普通手术中机器人更多用于微创单节段固定。

此外，AS手术中机器人常需结合O型臂系统进行术中三维成像，以降低反复透视带来的辐射暴露，而普通手术中导航系统多依赖术前CT数据。

4.4. 术中导航与实时影像技术的适应性差异

AS术中需实时调整导航以应对脊柱动态变化，O型臂系统可快速生成术中三维影像，避免因骨化结构导致的定位偏差。普通骨科手术（如关节置换）中，导航系统多用于假体角度调整，实时影像需求较低^[42]。

AS合并髋关节强直时，导航需结合骨盆后倾角动态调整髋臼杯前倾角，而普通人工全髋关节置换术更多依赖静态解剖参数^[43]。

5. 总结与展望

数字化技术通过术前精准规划、术中实时导航和个性化手术器械的应用，显著提高AS手术精准度和安全性，减少术后并发症发生，并缩短患者恢复时间。人工智能迅速发展，特别是随着深度学习技术的改进，有望在AS手术中实现术前三维建模的自动化识别、截骨路径优化以及术中关键结构（如血管、神经）的实时识别与避让，从而进一步提升操作精度与安全性。

同时，增强现实（augmented reality，AR） 和虚拟现实（virtual reality，VR）技术在AS手术的可视化层面展现出广阔前景。研究表明，AR和VR技术能够提供更佳的三维可视化，从而在植钉等方面有更好的导航作用。同时，AR和VR还可用于术前规划、培训年轻医生以及远程指导。已有研究在脊柱微创手术中将AR结合机器人导航系统，取得了良好效果^[44]。

此外，未来的全流程数字化手术链条不仅包括术前设计和术中执行，还应整合术后康复监测与远程随访。VR在手术模拟训练与康复评估中同样发挥着重要作用，尤其适用于AS患者术后早期平衡训练、髋关节活动模拟等康复场景。患者可以在康复训练中佩戴AR眼镜，通过VR技术身临其境地模拟日常生活中的各种活动场景，如行走、弯腰、拾物等。这种模拟训练不仅能帮助患者逐步适应并恢复正常身体功能，还能实时监测运动状态和康复进展，为医生提供精准的康复评估数据。VR训练优势在于其高度的真实感和互动性，患者可在虚拟环境中进行各种运动训练，并根据系统反馈调整动作和力度，达到最佳康复效果；同时具有趣味性，能激发患者康复训练积极性，提高康复效率^[45-46]。

随着数字化技术的不断进步和普及，其在未来AS手术中的应用将更加广泛和深入。从术前精准诊断到术中智能辅助再到术后远程康复，数字化技术将为AS患者提供全方位、个性化的医疗服务。AS外科治疗正处于数智化转型的关键阶段，未来研究可聚焦多系统协同、跨平台集成及低成本普适化方向，推动数字化外科从技术示范走向临床常规化。

利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突

作者贡献声明　杨昊睿：文章构思、文献检索及论文撰写；刘璐：文章修改；康南：指导论文撰写、文章审阅与修改