Сравнение имплантации транспедикулярных винтов с помощью O-arm-навигации и навигационных матриц в эксперименте на животных

Цель исследования. Сравнительный анализ транспедикулярной имплантации в эксперименте с использованием индивидуальных 3D-матриц и навигации с применением конусно-лучевого томографа (КЛТ) и навигационной станции.

Материал и методы. Эксперимент выполняли на пяти свежезаготовленных анатомических препаратах грудного и поясничного отделов позвоночника барана. В первой группе было имплантировано 44 винта с использованием комплекса КЛТ O-arm и навигационной станции Stealth Station S₇, во второй – 72 винта с помощью индивидуальных навигационных матриц, изготовленных на 3D-принтере. Основным критерием сравнения была безопасность имплантации, определяемая на основании перфорации кортикального слоя кости ножки позвонка по четырем степеням. Дополнительные критерии сравнения: время имплантации и суммарная лучевая нагрузка, необходимая для установки винтов. Во второй группе также проводили анализ точности имплантации путем оценки девиации между планируемой и фактической траекториями винта в точке входа в позвонок, на пересечении оси винта с передним кортикальным слоем тела позвонка и путем измерения углов между траекториями. Результаты оценивали на нормальность распределения и подвергали статистическому анализу для парных независимых групп с помощью критерия Краскела – Уоллиса и Хи-квадрата в программе Statistica 10.

Результаты. Анализ безопасности выявил статистически значимые различия (p < 0,01) в группах. Во второй группе случаев перфорации кортикального слоя не зарегистрировано, в группе O-arm степень 0 зарегистрирована для 28 (64 %) винтов, степень 1 – для 7 (16 %), степень 2 – для 4 (9 %), степень 3 – для 5 (11 %). Среднее время имплантации одного винта в первой группе составило 81,00 (64,50; 94,00) с, во второй – 40,75 (33,50; 52,25) с; p < 0,001. Во второй группе средняя девиация точки ввода составила 0,50 (0,34; 0,87) мм, конечной точки – 1,10 (0,66; 1,93) мм. Угол между фактической и планируемой траекториями в аксиальной плоскости – 2,76° (0,80°; 4,89°), в сагиттальной –2,62° (1,43°; 4,35°). Среднее время проектирования одной матрицы – 8,75 (8,00; 9,75) мин, время печати одной матрицы – 60 (57; 69) мин. Стоимость материала для изготовления одной матрицы составила 45 рублей, одной модели грудного и поясничного отделов позвоночника барана – 390 рублей. Компьютерно-томографический индекс дозы для O-arm составлял 8,99–9,01 мГр, произведение дозы на длину для одного макета – 432 мГр ´ см (3 сканирования). Установка винтов по навигационным матрицам выполнялась без рентген-контроля, компьютерно-томографический индекс дозы для предоперационной МСКТ был в пределах 10,37–10,67 мГр, произведение дозы на длину – 459–477 мГр ´ см.

Заключение. По результатам эксперимента на биомакетах позвоночника барана установка транспедикулярных винтов с помощью индивидуальных навигационных матриц сопровождается лучшими результатами скорости и безопасности имплантации по сравнению с интраоперационой КТ-навигацией. Из полученных результатов следует, что 3D-матрицы особенно оправданы при повышенной мобильности позвоночника во время имплантации, где значительно уменьшается точность КТ-навигации. В клинической практике этим условиям соответствует транспедикулярная фиксация шейного отдела позвоночника и винтовая фиксация C₁–C₂ позвонков.

1. Feng W, Wang W, Chen S, Wu K, Wang H. O-arm navigation versus C-arm guidance for pedicle screw placement in spine surgery: a systematic review and meta-analysis. Int Orthop. 2020;44:919–926. DOI: 10.1007/s00264-019-04470-3.

2. Gelalis ID, Paschos NK, Pakos EE, Politis AN, Arnaoutoglou CM, Karageorgos AC, Ploumis A, Xenakis TA. Accuracy of pedicle screw placement: a systematic review of prospective in vivo studies comparing free hand, fluoroscopy guidance and navigation techniques. Eur Spine J. 2012;21:247–255. DOI: 10.1007/s00586-011-2011-3.

3. Ling JM, Dinesh SK, Pang BC, Chen MW, Lim HL, Louange DT, Yu CS, Wang CME. Routine spinal navigation for thoraco-lumbar pedicle screw insertion using the O-arm three-dimensional imaging system improves placement accuracy. J Clin Neurosci. 2014;21:493–498. DOI: 10.1016/j.jocn.2013.02.034.

4. Liu YJ, Tian W, Liu B, Li Q, Hu L, Li ZY, Yuan Q, Lu YW, Sun YZ. Comparison of the clinical accuracy of cervical (C2–C7) pedicle screw insertion assisted by fluoroscopy, computed tomography-based navigation, and intraoperative three-dimensional C-arm navigation. Chin Med J (Engl). 2010;123:2995–2998. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0366-6999.2010.21.008.

5. Shin BJ, James AR, Njoku IU, Hartl R. Pedicle screw navigation: a systematic review and meta-analysis of perforation risk for computer-navigated versus freehand insertion. J Neurosurg Spine. 2012;17:113–122. DOI: 10.3171/2012.5.spine11399.

6. Tian NF, Huang QS, Zhou P, Zhou Y, Wu RK, Lou Y, Xu HZ. Pedicle screw insertion accuracy with different assisted methods: a systematic review and meta-analysis of comparative studies. Eur Spine J. 2011;20:846–859. DOI: 10.1007/s00586-010-1577-5.

7. Cecchinato R, Berjano P, Zerbi A, Damilano M, Redaelli A, Lamartina C.

8. Pedicle screw insertion with patient-specific 3D-printed guides based on low-dose CT scan is more accurate than free-hand technique in spine deformity patients: a prospective, randomized clinical trial. Eur Spine J. 2019;28:1712–1723. DOI: 10.1007/s00586-019-05978-3.

9. Косулин А.В., Елякин Д.В., Лебедева К.Д., Сухомлинова А.Е., Козлова Е.А., Орехова А.Е. Применение навигационного шаблона для прохождения ножки позвонка при транспедикулярной фиксации // Педиатр. 2019. Т. 10. № 3. С. 45–50. [Kosulin AV, Elyakin DV, Lebedeva KD, SukhomLinova AE, Kozlova EA, Orekhova AE. Navigation template for vertebral pedicle passage in transpedicular screw fixation. Pediatrician (St. Petersburg). 2019;10(3):45–50. In Russian]. DOI: 10.17816/PED10345-50.

10. Косулин А.В., Елякин Д.В., Корниевский Л.А., Дарковская А.М., Булатова И.А., Пашко А.А. Применение трехуровневого навигационного шаблона при грудных полупозвонках у детей старшего возраста // Хирургия позвоночника. 2020. Т. 17. № 1. С. 54–60. [Kosulin AV, Elyakin DV, Kornievskiy LA, Darkovskaya AM, Bulatova IA, Pashko AA. Application of three-level navigation template in surgery for hemivertebrae in adolescents. Hir. Pozvonoc. 2020;17(1):54–60. In Russian]. DOI: 10.14531/ss2020.1.54-60.

11. Бурцев А.В., Павлова О.М., Рябых С.О., Губин А.В. Компьютерное 3D-моделирование с изготовлением индивидуальных лекал для навигирования введения винтов в шейном отделе позвоночника // Хирургия позвоночника. 2018. Т. 15. № 2. С.33–38. [Burtsev AV, Pavlova OM, Ryabykh SO, Gubin AV. Computer 3D-modeling of patient-specific navigational template for cervical screw insertion. Hir. Pozvonoc. 2018;15(2):33–38. In Russian]. DOI:10.14531/ss2018.2.33-38.

12. Коваленко Р.А., Кашин В.А., Черебилло В.Ю., Шарифов Р.М., Мирончук Р.Р., Акопов А.Л., Иванов В.А. Определение оптимального дизайна навигационных матриц для транспедикулярной имплантации в шейном и грудном отделах позвоночника: результаты кадавер-исследования // Хирургия позвоночника. 2019. Т. 16 № 4 С. 77–83. [Kovalenko RA, Kashin VA, Cherebillo VYu, Sharifov RM, Mironchuk RR, Akopov AL, Ivanov VA. Determination of optimal design of navigation templates for transpedicular implantation in the cervical and thoracic spine: results of cadaveric studies. Hir. Pozvonoc. 2019;16(4):77–83. In Russian]. DOI: 10.14531/ss2019.4.77-83.

13. Oertel MF, Hobart J, Stein M, Schreiber V, Scharbrodt W. Clinical and methodological precision of spinal navigation assisted by 3D intraoperative O-arm radiographic imaging. J Neurosurg Spine. 2011;14:532–536. DOI: 10.3171/2010.10.spine091032.

14. Costa F, Cardia A, Ortolina A, Fabio G, Zerbi A, Fornari M. Spinal navigation: standard preoperative versus intraoperative computed tomography data set acquisition for computer-guidance system: radiological and clinical study in 100 consecutive patients. Spine. 2011;36:2094–2098. DOI: 10.1097/brs.0b013e318201129d.

15. Ammirati M, Salma A. Placement of thoracolumbar pedicle screws using O-arm-based navigation: technical note on controlling the operational accuracy of the navigation system. Neurosurg Rev. 2013;36:157–162. DOI: 10.1007/s10143-012-0421-2.

16. Rivkin MA, Yocom SS. Thoracolumbar instrumentation with CT-guided navigation (O-arm) in 270 consecutive patients: accuracy rates and lessons learned. Neurosurg Focus. 2014;36:E7. DOI: 10.3171/2014.1.FOCUS13499.

17. Abumi K, Shono Y, Ito M, Taneichi H, Kotani Y, Kaneda K Complications of pedicle screw fixation in reconstructive surgery of the cervical spine. Spine. 2000;25:962–969. DOI: 10.1097/00007632-200004150-00011.

18. Barnes AH, Eguizabal JA, Acosta FL Jr, Lotz JC, Buckley JM, Ames CP. Biomechanical pullout strength and stability of the cervical artificial pedicle screw. Spine. 2009;34:E16–E20. DOI: 10.1097/brs.0b013e3181891772.

19. Магомедов Ш.Ш., Докиш М.Ю., Татаринцев А.П. Транспедикулярная фиксация шейного отдела позвоночника в субаксиальной зоне по методике free-hand // Хирургия позвоночника. 2018. Т. 15. № 3. С. 13–22. [Magomedov ShSh, Dokish MYu, Tatarintsev AP. Transpedicular free-hand fixation in the subaxial cervical spine. Hir. Pozvonoc. 2018;15(3):13–22. In Russian]. DOI: 10.14531/ss2018.3.13-22.

20. Алейник А.Я., Млявых С.Г., Боков А.Е. Транспедикулярная фиксация в шейном отделе позвоночника: обзор литературы и клинические данные // Хирургия позвоночника. 2017. Т. 14. № 3. С. 47–53. [Aleynik AYa, Mlyavykh SG, Bokov AE. Transpedicular screw fixation of the cervical spine: literature review and clinical data. Hir. Pozvonoc. 2017;14(3):47–53. In Russian]. DOI: 10.14531/ss2017.3.47-53.

21. Barsa P, Frohlich R, Sercl M, Buchvald P, Suchomel P. The intraoperative portable CT scanner-based spinal navigation: a viable option for instrumentation in the region of cervico-thoracic junction. Eur Spine J. 2016;25:1643–1650. DOI: 10.1007/s00586-016-4476-6.

22. Kaneyama S, Sugawara T, Sumi M. Safe and accurate midcervical pedicle screw insertion procedure with the patient-specific screw guide template system. Spine. 2015;40:E341–E348. DOI: 10.1097/BRS.0000000000000772.

23. Merc M, Drstvensek I, Vogrin M, Brajlih T, Recnik G. A multi-level rapid prototyping drill guide template reduces the perforation risk of pedicle screw placement in the lumbar and sacral spine. Arch Orthop Trauma Surg. 2013;133:893–9. DOI: 10.1007/s00402-013-1755-0.

24. Ishikawa Y, Kanemura T, Yoshida G, Matsumoto A, Ito Z, Tauchi R, Muramoto A, Ohno S, Nishimura Y. Intraoperative, full-rotation, three-dimensional image (O-arm)-based navigation system for cervical pedicle screw insertion. J Neurosurg Spine. 2011;15:472–478. DOI: 10.3171/2011.6.SPINE10809.

25. Chachan S, Bin Abd Razak HR, Loo WL, Allen JC, Shree Kumar D. Cervical pedicle screw instrumentation is more reliable with O-arm-based 3D navigation: analysis of cervical pedicle screw placement accuracy with O-arm-based 3D navigation. Eur Spine J. 2018;27:2729–2736. DOI: 10.1007/s00586-018-5585-1.

26. Theologis AA, Burch S. Safety and efficacy of reconstruction of complex cervical spine pathology using pedicle screws inserted with stealth navigation and 3D image-guided (O-Arm) technology. Spine. 2015;40:1397–1406. DOI: 10.1097/BRS.0000000000001026.

27. Lu S, Xu YQ, Lu WW, Ni GX, Li YB, Shi JH, Li DP, Chen GP, Chen YB, Zhang YZ. A novel patient-specific navigational template for cervical pedicle screw placement. Spine. 2009;34:E959–E966. DOI: 10.1097/BRS.0b013e3181c09985.

28. Kawaguchi Y, Nakano M, Yasuda T, Seki S, Hori T, Kimura T. Development of a new technique for pedicle screw and Magerl screw insertion using a 3-dimensional image guide. Spine. 2012;37:1983–1988. DOI: 10.1097/BRS.0b013e31825ab547.

29. Sugawara T, Higashiyama N, Kaneyama S, Takabatake M, Watanabe N, Uchida F, Sumi M, Mizoi K. Multistep pedicle screw insertion procedure with patient-specific lamina fit-and-lock templates for the thoracic spine: clinical article. J Neurosurg Spine. 2013;19:185–190. DOI: 10.3171/2013.4.SPINE121059.

30. Коваленко Р.А., Руденко В.В., Кашин В.А., Черебилло В.Ю., Пташников Д.А. Применение индивидуальных 3D-навигационных матриц для транспедикулярной фиксации субаксиальных шейных и верхнегрудных позвонков // Хирургия позвоночника. 2019. Т. 16. № 2. С. 35–41. [Kovalenko RA, Rudenko VV, Kashin VA, Cherebillo VYu, Ptashnikov DA. Application of patient-specific 3D navigation templates for pedicle screw fixation of subaxial and upper thoracic vertebrae. Hir. Pozvonoc. 2019;16(2):35–41. In Russian]. DOI: 10.14531/ss2019.2.35-41.

31. Коваленко Р.А., Руденко В.В., Кашин В.А., Черебилло В.Ю., Пташников Д.А. Оценка безопасности и точности имплантации винтов в С2 позвонок с применением индивидуальных 3D-навигационных матриц // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2020;84(2):42–50. [Kovalenko RA, Rudenko VV, Kashin VA, Cherebillo VYu, Ptashnikov DA. Assessment of the safety and accuracy of implantation of screws into the C2 vertebra using individual 3D navigation matrices. Zh Vopr Neirokhiru im N N Burdenko. 2020;84(2):42–50. In Russian]. DOI: 10.17116/neiro20208402142.

32. Sugawara T, Kaneyama S, Higashiyama N, Tamura S, Endo T, Takabatake M, Sumi M. Prospective multicenter study of a multistep screw insertion technique using patient-specific screw guide templates for the cervical and thoracic spine. Spine. 2018;43:1685–1694. DOI: 10.1097/BRS.0000000000002810.