計算機輔助導航技術在骨科中的應用進展

郭衛春　黃文俊　汪光曄l.武漢大學人民醫院骨科，湖北武漢　430060；.安徽省蕪湖市第二人民醫院骨科，安徽蕪湖　4000

計算機輔助導航技術在骨科中的應用進展

郭衛春1黃文俊1汪光曄2
l.武漢大學人民醫院骨科，湖北武漢430060；2.安徽省蕪湖市第二人民醫院骨科，安徽蕪湖241000

隨著信息科學和生命科學發展，計算機輔助外科手術技術為外科技術的發展開辟了一個嶄新的領域。計算機輔助外科手術技術是利用現代數字影像技術如CT、MRI、PET所得到圖像數據，通過計算機處理和分析，模擬手術操作，同時結合空間定位導航系統，實現術中實時三維可視定位，從而進行手術導航（3D Navigation），使外科手術更趨于精確和微創。特別是近幾年來導航在骨科中的應用，在導航下開展創傷、脊柱、關節已成為近期熱點，其特點是定位精確，提高了手術的精確性，減少了手術時間及X線的照射量，降低了手術并發癥。本文從導航的發展、系統組成 、臨床應用、存在的問題等方面進行綜述，并對其發展趨勢提出展望。

計算機導航；骨科；臨床應用

隨著計算機及圖像技術的迅猛發展，計算機輔助導航系統（computer assisted navigation system，CANS）應運而生，并成為現代外科技術的重要組成部分。由于在手術過程中能示蹤手術工具等，幫助術者更精確、更安全地進行多種復雜手術，計算機輔助導航系統已經在骨科各個方面具有許多不可替代的優越性。因其精確性、安全性、低輻射等特點使其在臨床實踐中逐漸得到廣泛應用。

1　導航在醫學的發展歷程

100年前，由神經外科醫生Clarke發明了體外瞄準系統。1986年美國Roberts首先神經外科領域使用導航系統。20世紀90年代，美國醫師Steinmann等將計算機輔助手術導航系統用于脊柱外科，這被認為是脊柱外科發展的里程碑。1992年著名的神經外科醫生Kevein Foley將StealthStation導航系統成功用于脊柱外科。1993年Saragaglia小組開始研發的膝關節手術導航系統，4年后成功用于臨床膝關節置換術。1995年，來自瑞士伯爾尼大學的NoIte應用計算機輔助微創導航手術系統實施了世界第1例腰椎椎弓釘內固定手術。1998年開始，計算機導航下進行的人工全膝關節置換術被歐美廣泛使用；2001年，德國OrthoPilot膝關節置換計算機導航系統得到了FDA認證；2004年，美國將導航系統大規模用于醫學，從此該技術廣泛應用于歐美等發達國家。計算機輔助導航系統對人工關節置換的精確性有了極大的提高。此外，計算機輔助導航在人工髖關節、人工肘關節等其他關節的置換術也有了進一步的發展。

2　導航的原理

計算機輔助手術導航系統是醫學影像學技術與計算機的完美結合。通過影像學資料在顯示器上虛擬成形，顯示手術器械和手術部位的解剖關系，輔助術者準確完成手術預案及操作。計算機輔助手術導航系統是在術前對患者進行C臂影像、CT、MRI等影像學掃描，得到患者影像學信息，經過CD-R光盤、網絡等媒介輸入到計算機，通過運算重建出得到三維模型影像，術者即可在相應的操作系統上進行術前預案并模仿手術過程。術中系統的紅外線攝像頭通過反射弧可以動態觀察手術器械對應的患者解剖結構的位置，將信息以三維的方式顯示在顯示屏上，可動態地從軸位、矢狀位、冠狀位等解剖位置觀察術路徑深度及相應的角度，避開危險區域，短時間內到達患處，縮短手術時間，減少出血量、手術傷口及并發癥，達成微創手術。3導航的組成及分類

計算機輔助手術導航系統構成有以下4部分：①手術導航工具：通過發射或反射光信號，從而確定手術工具的位置；②位置跟蹤儀：用于接收光電信號，從而監測及追蹤手術器械的位置；③導航系統顯示屏：術中實時反映手術器械的位置及患者的影響數據；④工作站：將虛擬坐標系與實際坐標系通過計算匹配。

計算機輔助手術導航系統分類方式多種多樣。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。

4　計算機輔助導航技術在骨科的臨床應用

隨著近年來導航技術引入骨科，導航技術幾乎運用到了骨科的各個領域。在脊柱外科方面：在過去20年中，脊柱融合聯合椎弓根技術在脊柱腫瘤、脊柱骨折、脊椎退變的治療已經受到廣泛的接受。由于脊柱及其鄰近關鍵結構的復雜解剖，導航下椎弓根植入技術得到醫學界的接受。傳統的椎弓螺釘固定技術在C臂機透視下進行的，傳統的影像只能提供二維定位，不能進行椎弓根釘的三維定位。20世紀90年代，美國醫師Steinmann等最先將計算機輔助導航技術用于脊柱外科。臨床實踐已證實脊柱導航系統可以明顯改進椎弓根螺釘置入的精確性和安全性。隨著導航設備的不斷改進以及醫生操作的不斷熟練，現已經擴展到包括頸椎和胸椎在內的整個脊柱，應用病種也從最早的脊柱骨折擴展到脊柱退行性疾病、畸形、腫瘤等，從原先的標準后路手術擴展到前路等各個方面。Houten等［1］通過對比傳統透視與O臂導航兩種方式下進行腰椎經皮螺釘手術，結果顯示椎弓根的穿孔率分別為O臂導航組3%、傳統透視組12%。Vande Kdft等［2］評估在O臂導航下腰椎或骶椎置入1740根椎弓根螺釘，結果顯示置釘準確率為97%。Rivkin等［3］回顧性研究270例患者（1438根椎弓根螺釘），研究發現椎弓根置入釘的穿孔率為5.8%。在另一項回顧性研究中，Costa等［4］進行對導航與非導航下進行退變性腰椎滑脫比較，結果顯示導航組手術時間明顯縮短，導航組與非導航組手術時間分別為（92±31）min和（119±43）min，并且導航下進行椎弓根螺釘的置入時間明顯縮短。

較之腰椎，胸椎的椎弓根更小，尤其是在T4～T6區域［5］。此外，椎弓根的內側壁與脊髓之間的安全區域有限［6］。這些解剖學的差異特別在治療復雜的脊柱側彎時增加了很大的難度。Hicks等［7］研究關于脊柱側彎手術椎弓根螺釘固定的難度，報道顯示徒手技術椎弓根螺釘失誤了高達15%。Larson等［8］分析導航下胸椎區域741根椎弓根螺釘的置入位置情況，結果顯示兒童及成人的準確率分別為96.4%、98.2%。研究也顯示導航下椎弓根的準確率明顯高于徒手置釘技術。Kotani等［9］回顧性分析32例（416根椎弓根螺釘）脊柱側彎患者，較之傳統透視，術中運用3D導航下每顆螺釘置入的時間從（10.9±3.2）min減少到（5.4±1.1）min。此外，導航下釘子穿孔率較之傳統透視的5.0%降到了3.0%。Rajasekaran等［10］進行了一項31例（242顆螺釘）胸椎骨折患者的隨機臨床研究，結果顯示導航下每顆椎弓根螺釘置入時間較之徒手技術的（4.61± 1.05）min減少到（2.37±0.72）min。與此同時，導航下置釘的準確率較之徒手技術準確率由84%增加到了99.2%。Jeswani等［11］認為導航下胸椎椎弓根的置釘的準確率高達90%，即使在最小的椎弓根（平均直徑 ≤3 mm）處也如此。

導航除了用于胸椎、腰椎手術外，導航近年來也廣泛的用于頸椎手術中。Zou等［12］將ISO-C 3D導航系統運用于21例齒狀突骨折前路空芯螺釘內固定術，術后隨訪中無骨折不愈合及其他并發癥。Singh等［13］通過導航下進行C2椎弓根螺釘內固定術治療不穩定的Hangman骨折。

在關節外科方面：近年來，計算機導航系統已經運用到許多關節手術，例如膝髖關節置換、前后交叉韌帶重建以及其他關節的相關治療。現已經有許多研究表明，計算機導航可以減少手術創傷，降低手術并發癥，提高假體置入的準確度，很大程度上恢復關節功能。Krackow等［14］運用計算機導航在嚴重內翻畸形的膝關節置換中的脛骨內側平臺截骨，研究認為，使用計算機導航下脛骨內側平臺截骨可以作為一種內翻畸形膝關節置換手術操作技術，同時該研究也表明，計算機導航的輔助可以進行內側約2 mm的截骨，可以糾正10°的畸形。de Steiger等［15］采取導航與非導航兩種手術方式進行全膝關節置換術，研究結果顯示導航下膝關節置換可以更精確地進行下肢力線的設計，截骨方式更精確。除此之外，在術后9年的隨訪中，導航下膝關節置換較非導航膝關節置換可明顯降低因為假體松動而導致的翻修率。Suksathien等［16］進行關于計算機導航運用于全髖關節置換的臨床研究，研究認為導航下髖臼杯的放置較徒手技術準確率更好，尤其在前傾角的調整更有優勢。Suksathien等［17］進一步研究表明，計算機導航可以提高髖臼杯放置的精確性以及前傾角的準確性。EIHachmi等［18］指出計算機導航可以提高股骨假體放置的準確性。克氏針內固定是一種治療肩鎖關節RockwoodⅣ～Ⅵ型脫位的成熟的手術方式，Stübig等［19］通過研究發現，三維計算機導航可以提高肩鎖關節脫位克氏針內固定的準確性。Suero等［20］研究認為，術中3D導航用于評估肩關節手術是可行的，術中通過3D肩關節成像可以提高肩關節手術的精確性。在肘關節行外固定支架固定期間需要反復的透視及鉆孔，Egidy等［21］指出，導航下進行肘關節外固定支架固定精確度更高，可以明顯減少鉆孔的次數。

近年來隨著全肘關節置換技術越來越多，但是術后無菌性假體的松動仍然是全肘關節手術失敗的主要原因，盡管有許多的原因存在，但是假體位置不佳是一個重要的潛在因素［22］。McDonald等［23］進行體外尸體研究中，指出計算機導航技術可以改善全肘關節置換中肱骨假體置入的準確性，減少術后并發癥，延長肘關節假體的壽命。

在關節鏡方面：膝關節后叉韌帶是保持膝關節穩定的重要結構。由于后叉韌帶解剖位置特殊，損傷后如何精確的在關節鏡下進行重建，這一直是外科醫生所需要解決的難題。Julliard指出：目前未完全解決關節鏡下后交叉韌帶重建的所有問題，而且不斷有新的問題被發現。熊健斌等［24］分別采用計算機輔助導航系統及傳統關節鏡定位脛骨隧道，結果提示導航技術可以輔助后交叉韌帶重建手術中脛骨隧道的定位，具有隧道定位準確性高、輻射及手術污染機會減少等特點。王偉等［25］對35例前叉韌帶損傷的患者均行計算機導航下關節鏡重建前叉韌帶術，研究結果得出計算機導航股骨、脛骨隧道位置定位精確，術后效果良好。Audenaert等［26］通過尸體研究證實了導航下關節鏡治療股髖綜合征較非導航手術精確性更高。Tannenbaum等［27］研究計算機導航在髖關節鏡手術中的應用，研究指出計算機導航輔助下髖關節鏡可以提高治療股髖綜合征手術的精確性，但是需要更進一步的研究評估計算機導航是否可以改善臨床效果。

在創傷方面：目前，計算機導航在骨折中的應用較其他部位少，原因主要包括四肢骨折相對其他部位較為復雜以及導航本身具有一定缺陷。Wong等［28］研究表明，在導航輔助下治療骨盆及髖臼骨折可以精確地進行經皮螺釘內固定。手術治療股骨骨折具有較高的愈合率，但殘留的旋轉不良和雙下肢不等長仍然是嚴重的臨床問題。Weil等［29］進行計算機導航下16例股骨骨折手術研究，其中14例髓內釘內固定、2例鋼板內固定，術后與健側的對比結果顯示，計算機導航下進行股骨骨折內固定可以準確和精確地恢復股骨的長度和控制旋轉。跟骨關節內骨折常常需要切開復位內固定術，術中傳統C臂下透視不清楚。Franke等［30］利用術中三維導航成像輔助治療跟骨關節內骨折，研究指出術中三維成像可以很精確地顯示關節內骨折情況以及固定過程中螺釘的位置。此外，研究者認為，由于術中導航下可以更好地進行關節面重建，術后創傷性關節炎的可能性將減少［31］。

在腫瘤方面：較之脊柱、關節、創傷方面的運用，導航在肌肉骨骼腫瘤方面的運用不是很廣泛。盡管如此，仍然有一些關于導航在骨科腫瘤方面鼓舞人心的報道。對于復雜區域（如骨盆、骶骨）腫瘤切除，手術一般很難徹底切除病灶。這將嚴重影響患者預后，從而導致腫瘤高的復發率［32-33］。Hüfner等［34］術中利用導航確定3例骶骨腫瘤患者的腫瘤邊界。Krettek等［35］通過導航輔助下對2例骨盆腫瘤患者進行腫瘤切除。Young等［36］研究表明，計算機導航在肌肉骨骼腫瘤方面的運用可以準確地識別局部解剖以及腫瘤的范圍。

至今為止，還沒有一款專門為長骨與盆腔腫瘤的外科治療的導航軟件，而且國內外關于導航在骨科腫瘤方面的應用的報道也是采用的脊柱導航方面的軟件［37］。

5　計算機輔助導航技術存在的問題

目前計算機導航已經運用到了骨科的各個方面，其有如下優點：①減少患者及醫務人員的輻射暴露［38-39］；②增加了手術的安全性，減少手術的風險。

盡管計算機導航有很好的優勢，但是其仍然存在著如下問題：①參考架要固定牢靠，術中一但松動或發生移動，需要重新注冊。②術中患者體位的移動可以導致導航虛擬圖像與解剖結構的差異，出現圖像漂移現象。③導航工具的注冊及數據采集過程復雜，術中需要額外5～7min。④術中參考架的固定，需要額外切口，增加患者的創傷。⑤導航技術的學習需要嚴格的訓練，學習曲線長。⑥導航設備采購費用高，可能增加了患者的手術費用。

6　展望

目前，計算機輔助導航技術已經應用到了創傷、關節、脊柱等方面的手術，與傳統技術相比，其具有更高的精度以及安全性。雖然當今計算機輔助導航技術在骨科許多手術方面運用，但是其運用范圍不是很廣。就國內而言，僅僅是少數醫院擁有計算機導航的相關設備。盡管如此，隨著外科醫生對計算機輔助導航技術的進一步了解及熟悉，計算機輔助導航技術應用前景將越來越廣。

綜上所述，計算機輔助導航系統已經使骨科手術迅速、安全、準確。隨著計算機和電腦圖像處理系統的發展，該技術將會輔助醫生完成更多骨科疑難與復雜手術。計算機輔助導航技術的發展必將日益高科技化，應用領域也將多樣化。

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Advances in computer-aided navigation technology in orthopedics

GUO Weichun1HUANG Wenjun1WANG Guangye2
l.Department of Orthopaedics，Renmin Hospital of Wuhan University，Hubei Province，Wuhan430060，China；2.Department of Orthopaedics，the Second People's Hospital of Wuhu，Anhui Province，Wuhu241000，China

With the development of information science and life sciences，computer-assisted surgery technologies has opened up a new field for the development of surgical techniques.Computer-assisted surgical techniques is the use of modern digital imaging techniques such as CT，MRI，PET image data obtained by computer processing and analysis，simulated surgical procedure，combined with the spatial positioning and navigation system，intraoperative real-time three-dimensional visual positioning to carry out surgical navigation（3D Navigation），so that surgery tends to be more accurate and minimally invasive.Especially in recent years navigation in orthopedic applications，the navigation carried out under trauma，spine，joint，has become a recent hot spot，which is characterized by precise positioning，improving the accuracy of surgery，reducing the exposure time and surgery complications.From the development of navigation，system composition，clinical application，existing problems and so on are summarized in this artical，and the trend of the development outlook is put forward.

Computer navigation；Orthopedics；Clinical application

R318

A

1673-7210（2016）01（c）-0055-05

2015-08-09本文編輯：任念）

衛生部醫藥衛生科技發展研究中心課題（W2014ZT165）；安徽省蕪湖市科技計劃項目（2014zd16）。

汪光曄（1971.2-），男，博士，主任醫師，副教授；研究方向：脊柱外科。