计算机导航在骨科手术中的应用

Cup Planning
optimal implant optimal placement
Execution Phase
Execution Phase
5．肿瘤
• 如何能够精确的切除靶区肿瘤组织，进行化疗和
放疗，这是医学界的一大难题。计算机导航在此 方面优势明显。CAOS通过CT定位系统能够对高度 不规则肿瘤制订精确的三维立体显象，提供肿瘤 的实际形状，能够严格的区分肿瘤与周围的正常 组织。以达到准确切除和最佳照射角度和放射野 来避开重要组织器官，并使放射计划的剂量分布 更为精确合理。它不仅对放射治疗的计划设计和 照射质量的提高有明显作用，而且将显著提高存 某些肿瘤的控制率和病人生存率.
Define Landmark in Image
Find Landmark on Patient
Matching methods
Methods:
• Paired-Point Matching
• Surface Matching
Digitization of points
Surgical Navigation
Referencing
Automatic compensation of patient and camera motion. Reference coordinate system is attached anywhere on patient.
Matching
The transformation between the patient world and the CT image world is found
三．临床应用
• 1．脊柱外科： • 最早在实验室应用于椎弓根螺钉系统，由于设备技术
的限制，以前仅限于腰椎的应用，现已拓展到颈椎和胸椎。 最常用的导航是（1）依赖CT的导航。如椎弓根螺钉的置 入，术前通过CT对手术部位脊柱进行三维重建，制定手 术方案，然后在脊柱上确定3~6个术中可分辨的标记点。 术中通过带有动态参考系统的操作器械进行点对点匹配。 当二者完全匹配时再钻孔置入螺钉。由于CT良好的三维 图象，最常用于颈椎和胸椎上段。在计算机导航系统引导 下的颈椎离体实验中，C12经关节螺钉与经椎弓螺钉的使 用都是安全的,而且有很高的精确性（2）以依赖X 线的导 航：术中通过X线获得图象，然后通过计算机工作中心设 计引导下置入椎弓根螺钉。不需要术前模拟，而且术中图 象可以更新，但是无法得到良好的三维图象。所以更广泛 应用于腰椎和下胸椎，不过也有人开始应用于颈椎和上胸 椎。目前的脊柱外科的研究热点是如何进行经皮螺钉植入 和脊柱内窥镜技术。
(四)．非图象依赖的导航
•
这种导航没有具体的图象，而是通过示踪系统作用于 不同的骨性结构和参照标记建立起来的。最早应用于前交 叉韧带的重建。其最大的特色是旋转程序，严格的人体机 械定位和数据优化来计算运动参数，决定特殊关节的运动 特征。最大的优点是骨骼变形技术。必须建立骨骼解剖模 型数据库，需要大量的高分解的容积图象、数据参数和表 面形态，以及尸体模型。在术中通过个解剖区的点数据对 应来达到导航作用。要作到微创很难，必须借助2维和3维 图象来获得所有必要的解剖标记。因此适合于那些解剖结 构暴露比较充分的手术，典型的如ACL重建，全膝关节置 换，全髋关节置换等。Dessenne等于1995年最早应用于 交叉韧带重建。
(二)．二维X线依赖的导航
•
C臂现在已经成为骨科手术的基本设备。其最 大的特点是实时迅速的显象，无须术前模拟。在 手术器械上和传感器上安装两套光发射二级管 （LEDS）通过显示屏来配准（11）。其配准过程 包括X线的建模和补偿由于C臂转动带来的图象变 形。示踪器安放在C臂上，可以计算控制功能参数， 最先被Ｈofsteterr使用（１2）。通过C臂的转动 获得图象，是一对多的图象，相当于使用了多个C 臂，这是2维显象的一个优势。另一个优势是图象 可以更新，随时可以获得最新的图象，有利于复 杂骨折的复位。现在2维依赖的导航已经广泛应用 于关节置换、锁式髓针，DHS，十字韧带重建中。
easy setup, mobile, only 80 x 80 cm each
Surgical instruments are tracked by a camera
LED Camera
Infrared
Shield
Best tracking technology
• High precision
状校准是必需的。即在操作器械上安装跟踪器， 是提高图象配准精度及定位精度的第一步。 2．配准(registration)：其目的是在VO和术前图象 的基础上对手术器械定位，提供相对应的定位显 象。 3．参照(reference)：动态参照系统（dynamic reference bases,DRB）可以弥补由于导航仪和骨 骼位置的移动带来的误差。
Digitise anatomical structures
Place and test virtual ligament
• Prediction of Impingement
• Prediction of Anisometry
• Incorporate biomຫໍສະໝຸດ Baiduchanics
4．关节置换
• 包括髋关节置换（TKA）和膝关节置换(THA)。
Action
Image
OR Setup
三．基本类型
• (一)CT依赖的导航系统 • 最早应用于神经外科，目前在骨科应用比较广泛，最
早应用于脊柱椎弓根螺钉固定系统（6）。目前典型的系 统有DiGioia(7)等开发的Hipnav系统，Langlotz(8)等开发 的脊柱导航系统。术前将获得CT扫描图像，并将患者的模 拟仿真数据导人计算机中；术中，通过定位跟踪器获得手 术工具与解剖结构之间的空间位置关系，并与术前的CT图 像进行配准，在计算机中实时显示手术工具在仿真模型中 的位置关系，以指导医生实施手术操作。配准是其最关键 的技术，有过去的点匹配（9）和现在的面匹配（10）。 该导航最大的优点是可以获得良好的三维图象，有利于术 前计划和模拟。其缺点是，需要严格的配准和参照才能获 得更好的图象，而且无法实时显象，图象无法更新。，现 在已经广泛应用于全髋置换和全膝置换，DHS，锁式髓针， 十字韧带重建等。
髋关节置换的应用比较早。最主要的问题是确定 假体的位置和轴线。计算机辅助骨科技术系统可 以在术前用CT或X线对关节进行扫描及三维重建， 设计假体的位置、大小，通过计算机计算出力学 轴线和截骨平面，模拟匹配，模拟关节活动。术 中通过导航系统指导医生在合适的位置安放假体。 Leenders的一项临床随机研究表明CAOS对于假 体安放位置要优于传统手术。减少了全髋置换中 由于位置不合适而造成的假体脱位。
• long and compact tools
• Many objects tracked • multiple tools and bones
• Large Field of View (FOV)
• needed for C-Arm and other applications
三个条件：
• 1．校准（calibration）：对于描述骨骼的几何形
Advanced pre-op planning
Guidance
Current position
Target position
Realtime Trajectory
Future penetrations
Current position
4 3 2 1
R
L
2．创伤骨科
•
随着微创的要求变高和X线的局限性，计算机导航在 在创伤骨科的应用将更加广泛，主要集中在骨盆骨折(20) 和长骨骨折。（1）骨盆骨折有些位置比较深而且移位比 较小，X片不容易发现，而且手术入路比较困难，很难达 到坚强固定。用以CT依赖的导航则变的简单方便，将参 考架固定于病人骨折肢体表面，术前进行CT扫描，手术 模拟入路位置术中导航仪帮助引导，配准，经皮即可到达 理想部位，达到坚强准确固定骨折。（2）锁式髓钉的应 用。主要应用与远端锁钉的固定，关键有两步（21）： 首先准确的控制锁钉入孔，在髓针进入髓腔以后，远端的 锁钉必须准确。其次术中钻孔需要跟踪实时显象（3） DHS的应用。首先复位用克氏针临时固定，然后将动态 参考系统固定在斯氏针上插入股骨近端。C臂照射，将图 象传到投射计算机工作站，通过设计轨迹和引导进行螺钉 置入。
(三)．三维X线依赖的导航
•
1999年，3维依赖的导航开始应用于临床 （德国西门子公司）。其配置了特殊的发动机和 旋转程序来实现高清晰的围绕骨骼旋转轨迹的图 象。大约可以旋转190度。可以达到CT一样的显 象效果。每一次旋转可以获得50~200套2维图象。 把骨骼放在C臂中心，通过图象数据综合，来获得 高分解的3维图象数据，其中容量扫描的准确性是 成功的关键。3维X线依赖的导航还可以实时显象， 所以前景非常广阔，是计算机导航的发展方向。
Step 1: Placement of the Reference Base
Reference coordinate system is attached anywhere on patient.
Step 2: Shoot images
Image stored in the computer
Step 3: Navigate
Basic principle
基本设备:
• 不同的导航系统有不同的设备，但其中最基本的
设备是一致的。大概有以下三种分类： （1）SO（surgical object）:手术操作实体，在骨 科领域，主要是骨骼及相关联的组织结构。 （2）VO（virtual object）成像设备。现在常用的 CT，X线，MRI ，PET，DSA 等影象设备，可以 实时准确地提供图象及数据。 （3）NAV（navigator）：导航仪。即在SO 和VO 之间的连接装置。获取操作器械在人体的定位和 方向。
计算机导航在骨科手术中的应用
一.基本概念
•
CAOS即利用各种影象设备如CT、MRI、 PET、DSA、US等结合导航系统，对人体骨骼解 剖结构及手术器械进行显示和定位，通过计算机 制订手术计划，在术中进行操作干预的一项技术。 最早应用于神经外科领域的立体定位，肿瘤切除 化疗等。其最大的优势是：简化了手术操作，缩 短了手术时间，减少了手术创伤，减弱了术中放 射线的照射，使骨科手术变的更安全、更准确、 更微创。
Fragment motion
6 22 3
3．ACL 的重建
•
膝关节交叉韧带的重建关键在于股骨远端和 胫骨近端的两个移植交叉韧带骨孔位置的确定.通 过术前模拟来确定合适的钻孔点位置和方向。术 中进行图象配准来完成交叉韧带的重建。而且计 算机辅助还可以确定交叉韧带合适的张力； JameS等利用kneeNav-ACL系统进行了初步临 床研究，这个系统特点是术中导航和图像重叠技 术的融合，外科医生可以在术中清楚看到模拟的 膝关节，准确确定交叉韧带的位置，在监控下完 成钻孔，并通过模拟膝关节的运动确定交叉韧带 的张力。
Patient Image
二.工作模式
•
医生通过术前或术中x线／CT／MRI对人 体手术部位进行显示，定位，然后规划模拟， 术中手持装有跟踪器的操作器械对患者实施操 作，手术工具的空间立体定位及瞄准过程均在 跟踪器的实时控制之下，跟踪器能够精确地给 出术中解剖部位与多模图像之间的位置关系， 经过相应坐标转换(平移、旋转等)的配准过 程．控制手术器械到达要求的部位，从而实施 相应的手术操作。
Tool Set Spine
Tool Set Pelvis
• 4 chisels
• Pelvis
• Fragment • Calibration • Pointer • VK Simultaneous tracking of 9 tools!
Tool Set Hip Prosthetics
SurgiGATE® Components
Applications
Trauma
• Insertion of IM Nails
• Fragment Reduction
• K-Wire Placement • Near Joint Surgery
• Distal Locking of IM Nails
骨 盆
Hip
Realtime mode