数字技术在脊柱微创外科中的应用进展

数字技术在脊柱微创外科中的应用进展
徐海栋;付强
【摘要】数字医学是医学与工程数字化技术结合的,覆盖多学科的新兴医工交叉学科.随着数字医学技术在临床医疗领域不断深入和发展,与脊柱微创外科技术理念结合,提高脊柱手术操作的精确性、微创性及个体化特点,是目前脊柱外科领域迅速发
展的重要方向之一.文中对数字技术在脊柱微创外科中的评估、设计、虚拟操作、
导航技术及个性化手术方案等方面进行综述.
【期刊名称】《医学研究生学报》
【年(卷),期】2014(027)002
【总页数】4页(P207-210)
【关键词】数字技术;脊柱外科;微创外科
【作者】徐海栋;付强
【作者单位】210002,南京,第二军医大学南京临床医学院(南京军区南京总医院)骨科;200433,上海,第二军医大学附属长海医院骨科
【正文语种】中文
【中图分类】R681.5
0 引言
数字技术在脊柱微创外科中的应用，是指以脊柱微创外科理念为基础，计算机图像处理技术为辅助工具，涉及到脊柱微创手术的相关解剖学、立体几何学、生物力学、
材料学、信息电子学、机械工程学多种学科知识综合应用，使得脊柱微创外科具有良好的术前设计思路、对操作医师进行虚拟操作培训、术中即时的操作导航及手术重建过程中方案的个性化设计。

其良好的三维可视性，为脊柱外科提供精准的诊断、操作指导，有效地降低了手术的损伤，提高医疗质量和安全，并且为个性化手术方案制订、疗效的预测及相关基础研究开拓了思路，在脊柱微创外科领域发展迅速。

现将其主要应用综述如下。

1 术前的手术评估、设计及虚拟操作
传统的脊柱外科诊疗过程中，临床医师通过各种影像学图片进行术前的评估、手术方案的设计。

由于脊柱结构的复杂性，加之各种疾病造成的畸形、退变及损伤会造成结构异常或者改变，临床医师对具体患者的脊柱节段缺乏直观的了解，只能通过经验进行评估。

脊柱外科常规手术通过较大的暴露内部的结构，避免对毗邻的血管、神经、重要组织的损伤。

而脊柱微创外科的理念是通过较少的损伤达到解决目标节段的问题、重建稳定性的目的［1］。

减少手术暴露的创面，提高了手术的难度和风险性［2］，要求临床医师术前对患者的三维结构的了解更为精准。

X线、CT及MRI是目前术前评估的重要参数，为临床广泛应用。

主要的问题是这些影像资料
均为二维显像，不能直观表达为脊柱三维立体结构［3］。

数字技术的应用，可以实现图像的三维重建，建立起二维图像到三维立体解剖结构之间的桥梁［4］。

三维重建技术在脊柱外科领域近年来得到了较快的发展和应用，已经成为临床医师检查诊断脊柱疾病的重要辅助手段之一，开始发挥越来越重要的作用［5］。

通过脊柱的影像学资料进行数字化三维重建，获得病变脊柱的三维立体图像，可以进行平移、旋转操作，观察冠状位、轴位及矢状位等不同截面的具体情况及测量相关数据。

为实现术前的评估和疾病的精准诊断，采用的数字化技术软件有多种。

Materialise's Interactive Medical Image Control System即Mimics交互式医
学影像学控制系统软件，是基于临床医学影像学的逆向工程软件和计算机辅助设计
软件，可以对各项数据进行设置参数并编辑图像［6］。

其软件应用的最大特点是将断层扫描转化为CAD/CAM机械工作软件处理的数据格式［7］。

医学有限元分析软件Ansys是用来作为基于CT图像处理的骨骼重建和有限元分析软件，可以
实现三维重建的同时分析力学分布、内固定后生物力学性能等功能［8－9］，故
也是重要的数字化骨科技术软件之一。

其他的软件还有Dicom医学数字图像通讯标准软件、Geomagic逆向工程软件、Unigraphics影像学边界定位记录软件等，主要的目的是将影像学资料转化为可以进行计算机内重建模型并进行分析的数据。

良好的术前计算机内病变脊柱节段三维重建的实现，为精确诊断、术前评估提供了有利的数据资料，改变了传统的经验医学术前评估方式。

并且可以利用三维重建图像进行手术操作设计及术前虚拟练习。

计算机辅助设计手术操作设计可以获得患者的三维数字模型，对其进行各个方位的测量、观察、放大以及进行各种虚拟操作过程，选择数据库内各种植入物数据参数带入，制订最佳的手术方案［10］。

对于
飞速发展的脊柱微创外科，注重的是操作的微创性和精准性，有着良好术前三维重建资料的数字技术后，提高了手术的安全性和术前评估价值。

脊柱微创外科手术的另一个重要的特点就是其具有一定的手术适应证，通过术前精准评估，可以使得操作者对能否进行微创手术、手术过程中的注意点及术后损伤重建有预先评估，降低了手术的不确定性因素、手术的风险性，同时提高术者操作的熟练性，适当扩展了微创技术在脊柱外科中的应用［11－12］。

术前虚拟操作对于脊柱微创外科来说意义也是非常重大的，因为通过术前虚拟操作，提高了手术操作者对操作空间内结构的熟悉程度，减少手术的并发症及风险。

脊柱微创手术主要是通过腔镜或管道技术进行脊柱目标节段的相关操作［13－14］，
不同于常规开放手术的直视下操作，其学习曲线较为陡峭［15］。

通过术前虚拟
操作，也是训练手术医师操作的过程。

目前进行虚拟脊柱外科操作的软件有ASKyphoplan 软件、Spine View 软件等［16－17］。

可以通过多种软件技术，
虚拟在脊柱目标节段或部位进行相关的减压、截骨、内固定、融合等手术操作，提高术者操作过程中对于解剖结构、目标节段部位、主要操作过程的熟悉，避免由于脊柱微创手术操作中解剖结构不熟悉、部位不准确及操作过程引起过多的损伤等问题。

从而提高了手术的精准性、安全性和微创性［18－20］。

在三维模型上对患
者进行尺寸、面积和体积测量，确定手术的路径、组织的切除和移位、确定组织与器械间的位置关系，再进行虚拟操作，使医师熟悉手术的路径与过程［21］。

2 术中操作即时导航技术和监测技术
手术操作过程中的即时导航技术是指在手术过程中，通过计算机技术模型建立的靶向性实体工具或计算机屏幕，操作过程具有精准的方向性［22］。

该技术又分为
快速成型模块匹配靶向性工具和计算机导航技术2种不同的方式。

快速成型模块匹配靶向性工具是基于快速成型技术基础上的术中即时导航辅助工具。

通过前期数字化模型的建立，采用CAD-RP数字工程转化，将加工材料层层固化、堆积，经激光处理，构建实物三维CAD模型，俗称快速成型技术。

将虚拟在计算机内的三维图像实体化呈现在临床医师面前，便于医师熟悉解剖结构和操作过程。

进一步发展为术中置钉操作过程的匹配靶向性工具，将传统的眼-手配合经验置钉
过程转变为精准定位操作过程［23－24］，减少了手术操作的风险性和损伤性，
符合脊柱微创外科理念。

当然脊柱微创外科技术并非仅仅是为了内固定物的植入精准性提高这个方面，还涉及到其他的操作过程。

但是作为操作过程的重要环节内固定物的植入是需要关注的术中导航技术的核心与重点之一。

计算机导航技术是指计算机辅助脊柱外科手术过程中利用X线装置、CT及MRI
提供的即时图像与术前建立起的三维模型进行匹配，通过术中先进的定位系统，进行配准、定位、导航过程。

医师通过计算机屏幕上的指导进行预先计划的过程操作，可以看到常规手术不能看见的周边组织和深层组织，按照术前确定的切割路径和工具位置，精准施行手术过程，实现手术的精确化和微创化目的［25－26］。

术中
导航系统为脊柱外科医师手术操作过程带来了即时动态的术中情况反馈、提供了微创操作的便利性，手术操作过程更为精准，使得操作过程向预定、完美、微创方向发展。

另一个数字技术的应用是脊柱微创外科操作过程中的监测技术的发展。

术中神经电生理监测和术中超声监测技术都是使用仪器的数字化技术，辅助脊柱微创操作过程。

术中神经电生理监测的目的是保证脊柱微创手术操作过程中对脊髓神经的保护性监测，并提示减压性操作的有效性，降低术者和患者术中过程在透视下的过度暴露［27－28］。

术中超声监测是更为简单的评估椎弓根螺钉置钉方法，具有省时省
力的特点，能够准确有效评估手术操作过程，尤其适合于脊柱稳定性重建的脊柱微创外科手术操作过程［29－30］。

近年来兴起的电磁导航监测技术可以为脊柱微
创外科手术操作提供高精确度的三维空间导航，减少手术时间、透视次数及手术损伤［31］。

3 骨科专用机器人系统在术中应用
骨科专用手术机器人目前主要在关节外科、创伤外科等领域应用，脊柱外科手术机器人研发采用的是Spine Assist系统为支持的机器人操作系统，尚处于起步阶段［32－33］;国内也研发了相关的 Spine Bull's-Eye系统［34］。

具体应用起来可以通过灵活的多方向操作臂改善人手操作的精准性和安全性，存在的问题是价格昂贵不适宜推广。

机器人辅助脊柱外科技术可以完成目前少数专家才能完成的多种复杂手术操作，降低术中术者和患者的透视暴露，提高手术精准性的同时减少手术操作的创伤性，更加符合脊柱微创外科的理念。

4 脊柱微创外科个性化手术设计及内植入物设计
脊柱微创外科在前期的数字化技术支持的条件下，完全可以实现个性化的手术设计和内植入物设计。

数字技术可以对患者术前进行精准的建模，提供快速成型的实体模型，借助计算机技术和逆向工程技术选择合适的手术入路、操作方式及内固定物
的植入。

随着患者对术后康复水平要求的提高，个体化手术方案的设计及重建脊柱稳定性内植入物的个性化设计成为以后脊柱外科发展的重点［35－36］。

精准的导航计算机模块或实体匹配工具，便于和术中相关的解剖部位获得精准匹配，降低了手术的风险和操作过程的难度。

对于个性化设计的内植入物可以为患者提供良好的个性化重建脊柱稳定性材料，避免工厂化生产产品特异性不足的缺点。

而适当的内固定物选择和设计可以在计算机三维模型中进行相关的有限元生物力学分析，或者采用个性化设计的内植入物，均确保患者后期预后良好。

通过计算生物力学应力承载和分布，减少由于力学承载问题导致的脊柱稳定重建失败的发生及内固定物断裂松动的风险，改善患者的预后［37］。

综上所述，脊柱微创外科在数字技术的辅助下将会获得更好的精准性、微创性、个体性及操作的便利性优势。

随着数字技术的发展，尤其是整合多种数字技术的脊柱外科手术机器人的研发和推广以及个体化手术方案的制订，不断完善着临床医学存在的未解难题，对基础研究和临床实践产生重大深远的影响。

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