计算机辅助导航技术在骨科手术中的应用

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继续医学教育　第２１卷第１２期计算机辅助导航技术在骨科手术中的应用

邱贵兴（中国医学科学院协和医科大学北京协和医院骨科　１００７１０）

作者简介邱贵兴，男，江苏省无锡市人，教授，博士生导师，中华医学会骨科分会主任委员，中华医学会北京分会骨科专业委员会主任委员，中华骨科杂志主编，吴阶平医学基金会理事，中华医学会国际交流与合作工作委员会委员。影像导航技术问世之前，骨科医生在术中，凭借人体的骨骼解剖特点、术前患者的影像学资料（Ｘ线片、ＣＴ、ＭＲＩ）和术中的Ｘ线透视进行定位。但是，解剖变异或解剖标志的缺乏等往往会导致术中的定位偏差。因此，手术者的实践经验就非常重要。然而，即使是非常有经验的骨科医生，用传统方法进行较精确定位的手术，也有出现偏差的可能性。临床和实验研究已经显示，用传统定位方法行腰椎椎弓根钉植入的失误率为２０％～３０％。然而，如果

应用影像导航技术，椎弓根钉植入的失误率只有０～４％。近年来，计算机辅助影像导航系统用于术前制定手术计划和术中导航，在手术过程中跟踪手术器械，帮助骨科医生更精确和更安全地进行多种复杂手术。因此，该技术有许多不可替代的优越性，已被越来越广泛地应用于骨科手术中。１　骨科计算机辅助导航技术的简史影像导航，也称为无框架立体定向。１９８６年Ｒｏｂｅｒｔｓ首次报告使用声波数字化仪跟踪手术器械或显微镜的方法，从而开创了无框架立体定向神经外科。随后，Ｂｅｒｎｅｔｔ和　Ｒｅｉｎｈａｒｄ对超声波系统进行了改进，使导航精度有了一定的提高，但声学环境及温度很容易造成干扰而使导航失败。１９９１年日本的Ｗａｎａｔａｂｅ和美国的Ｐｅｌｌ相继发明了遥控机械臂定位系统，可以不受瞄准线约束。但因其体积过大，使医生的操作受限。１９９２年，使用红外线跟踪技术的影像导航系统在美国开始应用于临床。这是世界上首台光学手术导航系统，由于其精度较高，所以成为目前市场上的主流产品。同年，著名的神经外科专家Ｋｅｖｉｎ　Ｆｏｌｅｙ将光学手术导航系统应用于脊柱外科领域。１９９５年，Ｇｕｎｋｅｌ推出了电磁感应型导航系统，但由于手术室各种金属器械及仪器都会影响电磁场，从而影响其精度，所以未能很好推广。１９９９年首台完全针对骨科的手术导航系统进入市场。Ｘ线透视和红外线跟踪技术、计算机定点手术技术的结合提供了一种新颖的术中影像导航的方法，减少了术中Ｘ线透视的缺点。同时，应用术前的ＣＴ和ＭＲ扫描数据进行骨结构的三维重建，在术前进行手术方案设计，并在术中对正常或病变结构进行精确定位，以协助医生安全、精确地完成手术。２　骨科计算机辅助导航系统的组成及工作原理以Ｘ线透视影像导航为例，Ｘ线透视法和计算机技术的结合增加了标准透视法的优点，减少了缺点。在“Ｃ”型臂透视Ｘ线机的图像增强器上安装校准靶，经过一次或多次投照中获得的透视图像和位置校准后，计算机工作站就可以建立起一个透视图

像的模型，将追踪的手术器械与保存的图像叠加在

一起。当手术器械对之前获得的透视图像进行操作

时，系统可以同时显示它们在多个平面上的位置关系，这种方式称为“虚拟透视”。透视图像可保存，透视时手术人员可以从手术区域离开，大大减少了放射线辐射。而且系统已保存了多次投照的影像和有效的数据，因此不必重新摆放“Ｃ”型臂。“Ｃ”型臂可以推离手术区域，导航可以继续，而且不妨碍医生的操作。

近年来，新型的计算机辅助导航系统可将患者的术前薄层ＣＴ扫描（可以０．８　ｍｍ）或ＭＲ扫描数据进行处理，使患者的骨骼扫描数据变成三维立体虚拟图像储存在计算机中。医生可在术前利用该计算机系统进行详尽的手术设计。术中应用光学定位系统，跟踪测量手术器械上的发光二极管或被动反射球的位置。由计算机测算手术器械与被操作的骨结构之间的位置关系，可以动态的显示手术器械

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的正确位置、前进方向和推进距离等，较虚拟透视

系统更准确。这种新型系统已经广泛用于临床。

３　计算机辅助导航技术在骨科手术中的应用与发展

计算机辅助骨科手术导航是近年来发展起来的

新技术。在国外，尤其是欧美发达国家应用较多，

获得了比较成功的经验。骨科手术导航系统能够让

骨科医生以更高的精确度，根据患者的实际解剖特

点进行手术。目前，该技术已应用于多个部位的骨

科手术，使骨科医生可以更安全、更精确地开展许

多传统定位手段无法完成的复杂手术。

３．１　颈椎前路手术：在进行颈椎前路钢板内固定、颈

椎前路融合等手术时，术前透视患者颈椎正侧位像，

术中导航时，可在多幅图像上观察到手术器械的实

时路径和器械尖端的实际位置，医生可以较准确地

控制钻头等工具的位置与深度。Ｆｏｌｅｙ和Ｓｍｉｔｈ描述

了影像导航行Ｃ１，２　螺钉植入融合术的效果。解剖学

研究显示，２０％的患者具有特异的椎体解剖结构。

术中导航技术则有效提高了此类患者Ｃ１，２　螺钉安全

置入的成功率。Ｍａｎｄｅｌ等分析了Ｃ１，２联合体的形态

学特征，认为Ｃ２关节突的关节宽度及高度如小于

５　ｍｍ，对于直径３．５　ｍｍ螺钉置入的安全通道来

说就太狭窄了。Ｂｌｏｃｈ等研究发现，使用影像导航，

如果患者的Ｃ２关节突关节的宽度及高度大于４　ｍｍ，

直径３．５　ｍｍ螺钉就可以安全置入。他们得出结论，

此项技术的精度使那些先前认为从技术上不能进行

手术的患者从２０％下降到６％。

３．２　齿突骨折手术：齿突骨折是交通事故中挥鞭损伤

的常见骨折，手术难度及危险性大，传统的手术方

法是用　２台“Ｃ”型臂或　１台“Ｇ”型臂，同时显

示齿突的正侧位图像进行螺钉固定，不但操作繁琐，

还容易污染手术野。导航系统用双光束可以同时显

示前后位和侧位的Ｘ线影像，确定前后位位置、侧

位角度，动态模拟观察进针位置，导向器引导拧入

螺钉，大大提高了手术的准确性和安全性。

３．３　胸腰椎椎弓根钉固定手术：经椎弓根内固定技术

是目前脊柱外科最常用的方法，但也存在很大的风

险。文献报道椎弓根固定失败率达２１％～３１％。手

术导航系统的应用，显著提高了该手术的成功率。

１９９８年法国Ｍｅｒｌｏｚ报告了导航系统辅助下的椎弓根固定技术。该组病例研究提示，Ａ组（６例滑脱，２０例骨折）由计算机辅助导航系统支持下行椎弓根螺钉置入，结果有７．７％的螺钉穿透骨皮质（４／５２侧椎弓根），无一例神经，血管损伤；Ｂ组（５例脊柱滑脱，２１例骨折）采用传统定位方法进行椎弓根螺钉置入，结果有４２．３％的螺钉穿透率（２２／５２侧椎弓根）。该组的评定指标为术后的三维ＣＴ扫描。根据Ｓｔｅｉｎｍａｎ报告的一组腰骶椎手术，椎弓根钉安置不准确、螺钉穿破骨皮质的发生率，由应用导航前的２１％～３１％降低至５．５％。尤其在较细的胸椎椎弓根固定手术中，其应用价值更大。３．４　椎体成形术：该手术无须传统的皮肤切口，导航下穿刺针直接穿刺到病变的椎体内，通过特制的导管向被破坏的椎体内注入骨水泥，加固椎体，减轻或消除疼痛。这项新技术主要是针对骨质疏松引起的脊柱压缩性骨折，对于因肿瘤转移而引起椎体病变的患者，还可起到杀死肿瘤细胞的作用。使用导航系统进行该手术，可大大降低医生和患者的Ｘ线辐射量。３．５　经皮椎弓根内固定术：计算机辅助导航系统使用“Ｃ”型臂Ｘ线图像，引导经皮穿刺螺钉的置入，通过经皮穿刺小创口直接置入腰椎椎弓根钉和棒，钉棒置入的解剖位置与开放式手术入路的位置相近。在不影响脊柱内固定效果的前提下，大大减小了手术创伤。３．６　人工关节置换术：计算机导航下人工膝关节表面置换术是近几年开展的新技术。其特点是不但能够最大限度地使下肢力线恢复正常，并能更好地恢复下肢的旋转力线，减少仅凭目测和经验而发生错误的可能，提高了人工膝关节置换术的精确性。近来，许多医生正在研究和尝试将计算机导航系统应用于人工髋、肘、踝、肩关节的置换手术中。３．７　股骨和胫骨骨折手术：应用手术导航系统，使带锁髓内针的置入简单、方便。带锁髓内针治疗长骨干骨折已经成为主流手术，但远端锁钉的闭合锁定（尤其股骨）仍为难点，手术时间较长，术中Ｘ线辐射量大。而应用计算机导航系统，可以准确闭合复位和检查髓内针的置入位置，提高了闭合锁钉的准确性，有效地缩短了手术时间，避免长时间的Ｘ线辐射对患者和医务人员的损害。此外，该技术还可以应用于股骨颈骨折、转子