計算機輔助導航系統在關節外科的應用

摘要：目的 討論計算機輔助導航系統以及在關節外科的應用。方法 數據庫：Pubmed數據庫，維普數據庫，萬方數據庫。關鍵詞：中文關鍵詞為\"計算機輔助導航 關節外科 關節成形術 韌帶重建\"；英文關鍵詞為\"computer-assisted navigation system（CANS），joint surgery， arthroplasty， ligament reconstruction\"。對檢索到的文獻進行綜述。結果 關節外科作為骨科分支，其大部分手術需要放置內置物輔助治療，因此手術不僅要求內置物穩定，同時還要求最大限度的恢復關節功能。隨著20世紀計算機及醫療檢查設備的不斷更新，計算機輔助導航系統進入外科領域。針對目前常見的手術，比如：髖膝關節置換、交叉韌帶重建，現有研究表明，計算機輔助導航能在微創下完成手術，減少手術并發癥，提高假體的安放精度，最大限度的恢復關節功能。結論 計算機輔助導航系統雖然目前普及率不高，但該系統優化了手術方式，極大的滿足了臨床需求，改善了臨床療效。

關鍵詞：計算機輔助導航；關節外科；關節成形術；韌帶重建

計算機輔助導航系統在近幾年來發展迅猛，在整個臨床醫學領域中起到了里程碑式的作用。由于骨外科的特殊性，在骨科手術中更是應用廣泛。因其具有高精確度、高安全性及高效性的特點，使其在骨外科手術中占有很高的地位。

隨著醫學影像設備的快速發展，計算機輔助導航系統逐漸應用在外科手術中，尤其在骨外科手術中的應用越來越廣泛和成熟。骨科手術中所需要的骨骼、關節、肌肉的信息可以被X線、CT、MRI等醫學影像設備實時、清晰、快速的反映出來，其完美的滿足了骨科手術中關節外科的創傷小、精度高的要求，大大提高了手術質量，減少了手術風險。

1計算機輔助導航系統的基本原理

計算機輔助導航系統（computer-assisted navigation system，CANS）是一種利用數字化掃描技術（C臂影像、CT、MRI等）進行三維定位的系統，其將掃描出的患者的信息傳輸到計算機工作站，通過強大的中心計算機工作站的運算，迅速的完成圖像處理，重建出較為準確的三維立體影像模型。而手術導航系統是通過DICOM 標準數據接口將影像信息經圖像網絡系統（PACS/RIS）輸入到手術導航系統工作站內，根據數字化手術導航系統提供的相關個性化導航軟件（根據每個科室或某類手術特點而定），經過高速的圖像處理（包括圖像融合、三維重建、圖像分割、增強實現等）獲得患者的三維虛擬解剖結構，輔助外科醫生實施術前計劃和手術模擬[1]。醫生通過導航顯示屏觀察患者術中的情況，從而避免了術中遇到突發情況或有解剖變異的情況導致的手術失誤。

2計算機輔助導航系統的分類

其分類方式多種多樣，按照信號傳導介質，分為光學定位、磁場定位、聲波定位、機械定位；按照獲取影像的建立，分為基于CT的導航系統、基于X線透視的導航系統（分為二維導航和三維導航）、基于MRI的導航系統、完全開放式導航系統（非影像依賴導航系統）；按照與人的交互方式，分為主動式導航系統、半主動式導航系統、被動式導航系統。

3導航系統的研究概況

基于CT的導航系統：CT掃描時骨三維重建的主要手段，操作相對簡單，是最早應用于臨床的導航系統，主要用于腰椎弓根螺釘固定。隨著技術的不斷發展，逐漸延伸至關節、創傷骨科手術領域。術前進行CT掃描，然后將CT圖像資料傳人導航圖像工作站而建立三維圖像，同時術前可虛擬手術過程。術中通過位置示蹤器獲得手術圖像與解剖結構之間的位置關系，并與術前CT圖像進行配準，指導術者進行手術操作，準確地確定病灶區域或在術中避開危險解剖結構。但其缺點在于需要嚴格的配準和參照才能獲得很好的圖像，且無法實時顯像，圖像無法更新。

基于X線透視的導航系統：又可分為二維X線透視導航系統和三維X線透視導航系統。X線透視技術之所以引入導航系統，是由于移動透視裝置（C臂機）在骨科手術中的廣泛應用，該系統的關鍵是對傳統的C臂成像系統進行內部校準，常規是在C臂的影像增強器一側安裝一個均勻網格分布的校正模板，經過插值算法對熒光透視圖像進行幾何矯正。典型的系統有美國的Medtronic系統、瑞士的Medvi-sion系統、德國的OrthoPilot系統等[2]。手術中可實時獲得X線圖像解剖結構及其與手術工具、c臂機之間的位置關系，便于術者對手術工具的判斷和準確操作。三維X線透視導航系統于1999年見于臨床，先獲得二維圖像，然后對二位影像進行重建，校正后的三維圖像傳入導航主機，顯示圖像后開始導航手術。其缺點在于術中只允許有極小的移動，否則將會有明顯的影像漂移。經臨床實踐后發現，X線的三維圖像質量較CT圖像差。

基于MRI的導航也是在三維重建的基礎上進行手術導航，但在目前的應用相對少見，主要原因是：該系統要求專用的手術室，且術中所用器械必須防磁，絕大部分醫院都無法滿足這兩個條件。該系統雖然對軟組織顯示特別清晰，但對骨皮質的顯影并不理想，這也在一定程度上限制了其在骨科的應用。但MRI下的導航能解決現有的紅外線光學手術導航的影像漂移問題，這也是其一大優勢。

非影像依賴的導航系統：對于解剖結構暴露充分的手術，可采用此導航系統，即在手術范圍附近位置恒定的解剖標記上安裝動態參考坐標系，利用標記點的空間運算確定解剖結構的空間位置，從而進行手術。

4計算機輔助導航系統在關節外科的臨床應用

關節外科手術除了要求穩定的固定外，還需要術后良好的關節功能，若想最大限度的恢復關節功能，術中就要求極高的精確度。關節置換是關節外科中的常見手術，假體安放位置有著非常高的要求，在全膝關節置換中，下肢的力線是決定假體使用壽命的重要因素[3-5]。Kevin C.Anderson[6]等人，對比了116例在Stryker Orthopedics導航系統下完成全膝關節置換的病人和51例在傳統器械定位下完成全膝關節置換的病人的術后下肢力線偏離情況，偏離3°以內的比例分別是95%和84%，證實了手術導航系統能有效提高假體安置準確率。R P Pitto[7]等人，用英國利茲聯DePuy公司Ci-CAS系統和美國佛羅里達州FARO-Arm這款坐標測量裝置，用膝關骨模型進行實驗，結果顯示膝關節導航下測量的各項角度與坐標測量裝置測量的角度發生偏差的度數<1°，在0.23°～0.77°波動，指出了導航下的測量與實際的數據偏差沒有統計學意義。雖然有學者發現兩種術式安放的假體在術后復片顯示各個軸線沒有明顯差異，但同時也證明導航組下的各個軸線變異更小[8-9]。

自微創全髖關節置換術開展以來，其手術創傷小、出血少、術后恢復快等優點使該手術方式使用越來越普遍，但該術式手術視野小，解剖標志不易判斷，增加了假體放置偏差的風險，而導航的應用可以減少該風險的發生。WidmeT[10]認為髓臼假體安放于傾斜角30°～50°和前傾角5°～25°是人工髖臼位置的安全區域。郭曉忠[11]對比了47例53髖采用傳統微創全髖關節置換術和40例53髖采用Soryker公司V-Xp型髖關節導航系統1.1版本軟件輔助下行微創全髖關節置換術的結果，傳統組術后髖臼傾斜角為28°～70°，平均（44.2±8.7）°，導航組術后髖臼傾斜角30°～54°，平均（40.6±5.1）°，僅1髖為54°，其余52髖均在30°～50°范圍內。

前交叉韌帶（ACL）作為膝關節的重要組成部分，伴隨著運動損傷，ACL的損傷呈上升趨勢，對其修復極其重要。ACL重建失敗的因素包括：移植物的選擇不當、韌帶張力的不稱、錯誤的固定方式、不良的功能鍛煉，其中移植物放置不當是其中最重要的因素[12-14]。即使是經驗豐富的關節外科醫生，也會有超過30%ACL重建有超過3mm的偏差[15]，H.Hiraoka[16]等人對17人19膝采用美國美敦力Steslth Station ion計算機輔助導航對ACL重建，對照組15人15膝則采用非導航輔助的ACL重建，發現導航組的脛骨隧道與Blumensaat線的夾角更小，重建后的ACL更接近于生理解剖。

5討論

一項新技術的誕生必然面臨許多困難和挑戰，不僅需要成千上萬次的基礎實驗證明其安全性，還需要證明其廣泛的臨床應用價值。計算機輔助導航系統最早應用于神經外科[17]，20世紀90年代首次被引進骨科[18]。經歷了近20年的發展，其優勢顯而易見，但在臨床實踐中，外科醫生所關注的很重要的一點是計算機輔助導航的精度。導航精度的影響因素主要包括兩點，其一為系統誤差，是由于系統和儀器本身特性造成的，它們不依賴于操作者，是操作者無法控制的。而另外一些誤差屬于偶然誤差，主要是由不正確的系統操作所引 起[19]。導航的應用目前尚未達到廣泛的程度，尤其基層醫院的應用很少，甚至在一些發達地區的醫院也沒有完全普及，究其原因主要為：①計算機輔助導航系統價格昂貴，基層醫院無力負擔；②該種術式技術含量較高，需要外科醫生有較好的基礎，且學習時間較長；③設備本身較復雜，操作步驟繁瑣，且各個公司的產品有一定差異，尚無統一標準[20]；④目前該系統尚不能針對所有手術，更多的利用導航的手術方式處于研究及摸索階段；⑤部分術者在術中不能及時正確的判斷導航系統的誤差，影響其進一步推廣。伴隨著現代科技的進步，關節外科與計算機的聯系越來越緊密，不論是術前的診斷，還是手術過程，該數字化技術都能輔助外科醫生精確的、及時的全方位了解疾病，以最短的時間、最小的創傷對疾病進行診療。

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