精選
計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)在骨盆髖臼骨折手術(shù)中的應(yīng)用
摘要：隨著微創(chuàng)外科技術(shù)，精準醫(yī)療及信息科學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展，計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，為骨科技術(shù)的發(fā)展開辟了一個嶄新的領(lǐng)域。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)（CAOS）憑著智能、微創(chuàng)、精準等基本特性，在骨科領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。提高了手術(shù)的精準性，減少了手術(shù)時間、手術(shù)創(chuàng)傷及輻射量。CAOS是利用現(xiàn)代數(shù)字影像技術(shù)如CT、MRI、PET所得到圖像數(shù)據(jù)，通過計算機處理和分析，同時結(jié)合空間定位導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)術(shù)中實時三維可視定位，從而進行手術(shù)導(dǎo)航，使骨科手術(shù)更趨于精確和微創(chuàng)。加之骨盆髖臼復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，為了鋼板放置及螺釘?shù)闹萌敫泳珳?。本文回顧既往文獻并結(jié)合相應(yīng)臨床經(jīng)驗，就導(dǎo)航技術(shù)原理、機制、目前應(yīng)用情況及今后發(fā)展方向作一綜述。 關(guān)鍵詞：精準醫(yī)療；計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)；骨盆骨折；髖臼骨折 現(xiàn)代醫(yī)療水平的進步及治療理念的更新，隨著計算機及圖像技術(shù)的迅猛發(fā)展，使骨折治療逐漸趨向規(guī)范化、精細化、微創(chuàng)化方向發(fā)展。計算機輔助骨科導(dǎo)航技術(shù) (Computer Assisted Orthopaedic Surgery,CAOS )[1] 應(yīng)運而生，由于在手術(shù)過程中能示蹤手術(shù)工具等，幫助術(shù)者更精確、更安全地進行多種復(fù)雜手術(shù)，CAOS已經(jīng)在骨科各個方面具有許多不可替代的優(yōu)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(yīng)用。骨科醫(yī)生對人體的骨骼解剖十分熟悉，但僅僅靠眼、手難以感知立體的解剖結(jié)構(gòu)，特別是骨盆及髖臼的解剖結(jié)構(gòu)，而且這與每位醫(yī)生的經(jīng)驗有關(guān)。然而，即使是非常有經(jīng)驗的骨科醫(yī)生，用傳統(tǒng)方法進行較精確定位的手術(shù)，也有出現(xiàn)偏差的可能性。臨床和實驗研究已經(jīng)顯示，用傳統(tǒng)定位方法行腰椎椎弓根釘值入的失誤率為20%～30%。然而，如果應(yīng)用計算機導(dǎo)航技術(shù),椎弓根釘植入的失誤率只有0-4%。[2]CAOS則可以建立一個虛擬操作的三維立體界面，交互地進行仿真操作， 通過系統(tǒng)軟件可以術(shù)前復(fù)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)，預(yù)演手術(shù)操作，處理術(shù)中可能遇到的各種各樣的問題。術(shù)中通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，醫(yī)生可以通過顯示屏看到操作部位的解剖結(jié)構(gòu)，通過人工干預(yù)或者機器人按照術(shù)前制定的方案進行手術(shù)，提高了手術(shù)的質(zhì)量和安全性[34]。目前該技術(shù)已逐漸應(yīng)用于創(chuàng)傷骨科各個領(lǐng)域，特別是在骨折復(fù)位、骨盆與髖臼骨折固定、長骨干骨折髓內(nèi)釘固定、鋼板內(nèi)固定置入等手術(shù)中的應(yīng)用[3]。CAOS技術(shù)顯著提高了骨折的治療效果，使創(chuàng)傷骨科手術(shù)更微創(chuàng)、更精確、更安全，并得到越來越多骨科醫(yī)生的認可。 1 CAOS在醫(yī)學(xué)的發(fā)展歷程最早在1986年美國Roberts首先在神經(jīng)外科領(lǐng)域使用導(dǎo)航系統(tǒng)。20世紀90年代，美國醫(yī)師Steinmann等將計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)用于脊柱外科，這被認為是脊柱外科發(fā)展的里程碑。1992年著名的神經(jīng)外科醫(yī)生Kevein Foley將Stealth Station導(dǎo)航系統(tǒng)成功用于脊柱外科。1995年，來自瑞士伯爾尼大學(xué)的NoIte應(yīng)用計算機輔助微創(chuàng)導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)實施了世界第1例腰椎椎弓釘內(nèi)固定手術(shù)。1997年Saragaglia等將手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)成功用于臨床膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。1998年開始，計算機導(dǎo)航下進行的人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)被歐美廣泛使用；2001年，德國OrthoPilot膝關(guān)節(jié)置換計算機導(dǎo)航系統(tǒng)得到了FDA認證；2004年，美國將導(dǎo)航系統(tǒng)大規(guī)模用于醫(yī)學(xué)，從此該技術(shù)廣泛應(yīng)用于歐美等發(fā)達國家。計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)對人工關(guān)節(jié)置換的精確性有了極大的提高。此外，計算機輔助導(dǎo)航在人工髖關(guān)節(jié)、人工肘關(guān)節(jié)等其他關(guān)節(jié)的置換術(shù)也有了進一步的發(fā)展。[4]2 CAOS的原理 計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)是醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)與計算機的完美結(jié)合。通過影像學(xué)資料在顯示器上虛擬成形，顯示手術(shù)器械和手術(shù)部位的解剖關(guān)系，輔助術(shù)者準確完成手術(shù)預(yù)案及操作。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)是在術(shù)前對患者進行X線、CT、MRI等影像學(xué)掃描，得到患者影像學(xué)信息，通過計算機整理分析，得到三維模型影像，術(shù)者即可在相應(yīng)的操作系統(tǒng)上進行術(shù)前預(yù)案并模仿手術(shù)過程。術(shù)中的示蹤系統(tǒng)可以動態(tài)觀察手術(shù)器械對應(yīng)的患者解剖結(jié)構(gòu)的位置，將信息以三維的方式顯示在計算機上，可動態(tài)地從多平面解剖位置觀察路徑深度及相應(yīng)的角度，避開危險區(qū)域，縮短手術(shù)時間，減少出血量、手術(shù)傷口及并發(fā)癥，達成微創(chuàng)手術(shù)。3 CAOS的組成及分類計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)構(gòu)成有以下4部分：⑴手術(shù)導(dǎo)航工具：通過發(fā)射或反射光信號，從而確定手術(shù)工具的位置；⑵位置跟蹤儀：用于接收光電信號,從而監(jiān)測及追蹤手術(shù)器械的位置；⑶導(dǎo)航系統(tǒng)顯示屏：術(shù)中實時反映手術(shù)器械的位置及患者的影響數(shù)據(jù)；⑷工作站：將虛擬坐標系與實際坐標系通過計算匹配。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)分類方式多種多樣。按照信號傳導(dǎo)介質(zhì)，分為光學(xué)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(dǎo)航系統(tǒng)、基于X線透視的導(dǎo)航系統(tǒng)(分為二維導(dǎo)航和三維導(dǎo)航)、基于MRI的導(dǎo)航系統(tǒng)、完全開放式導(dǎo)航系統(tǒng) (非影像依賴導(dǎo)航系統(tǒng))；按照與人的交互方式，分為主動式導(dǎo)航系統(tǒng)、半主動式導(dǎo)航系統(tǒng)、被動式導(dǎo)航系統(tǒng)。 4 計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)在骨盆及髖臼骨折的臨床應(yīng)用 伴隨著工業(yè)化進程、現(xiàn)代化進程的高速發(fā)展，尤其建筑業(yè)以及交通工具的飛躍，以往較少發(fā)生的高能量、嚴重暴力損傷時至今日已不再少見，儼然成為危及人們身體健康的重要因素。骨盆及髖臼骨折常繼發(fā)于車禍、高處墜落等高能量創(chuàng)傷，治療較為復(fù)雜，預(yù)后一般較差，其治療方式的選擇一直以來是創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域研究的熱點。[5]利用計算機圖像處理技術(shù)對患者的圖像信息(術(shù)前x線片、CT、MRI資料)進行分析和處理，通過三維重建、圖像配準、圖像融合等技術(shù)重建出患者的三維模型影像并建立虛擬坐標空間。[6]在術(shù)前，醫(yī)師可以漫游手術(shù)部位的三維重構(gòu)圖像，從而對手術(shù)部位及鄰近區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)有一個明確的認識，然后確定手術(shù)規(guī)劃及手術(shù)方案，使手術(shù)方案構(gòu)思比較客觀、可定量。規(guī)劃完成后，醫(yī)師可以在三維圖像上進行手術(shù)模擬操作，以驗證手術(shù)方案的正確性。特別是在創(chuàng)傷骨科最具有挑戰(zhàn)性的骨盆及髖臼骨折治療中，采用CAOS輔助醫(yī)師熟悉局部解剖和制定術(shù)前規(guī)劃，對最終提高手術(shù)效果具有重要作用[7-8]。Cimerman等[9]利用患者的CT影像信息重建骨折的三維影像模型，對26例髖臼骨折患者進行術(shù)前計劃及手術(shù)模擬。結(jié)果表明，26例中24例實施了原規(guī)劃手術(shù)人路；在內(nèi)固定置人上，26例中l(wèi)4例完全按原計劃置人內(nèi)固定，11例部分依從了原規(guī)劃內(nèi)固定。因此采用CAOS行術(shù)前計劃及手術(shù)模擬，具有很好的臨床應(yīng)用價值，而且也適合于作為教學(xué)工具用于低年資醫(yī)師和研究生培訓(xùn)[10]。 骨盆及髖臼骨折的常規(guī)治療方法包括切開復(fù)位鋼板置入內(nèi)固定等 [11-12]，但在術(shù)野限制無法看到關(guān)節(jié)內(nèi)情況，螺釘就可能會進入關(guān)節(jié)內(nèi)[13-14], 亦可能發(fā)生損傷盆腔內(nèi)重要血管或神經(jīng)等嚴重并發(fā)癥[15-16]。為預(yù)防上述并發(fā)癥的發(fā)生，必須對骨盆及髖臼區(qū)的解剖結(jié)構(gòu)非常熟悉[17-18]。由于骨盆及髖臼骨折解剖位置較深且周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及周圍重要的神經(jīng)、血管等組織，采用傳統(tǒng)的手術(shù)方式通常需要廣泛的手術(shù)暴露，手術(shù)創(chuàng)傷大、術(shù)中出血多、透視時間長，易合并神經(jīng)血管損傷、感染、骨折不愈合等并發(fā)癥。因此，在手術(shù)中如何有效避開周圍重要神經(jīng)、血管，避免螺釘進入關(guān)節(jié)內(nèi)，把醫(yī)源性損傷降到最低水平，然后安全、準確、便捷地完成骨折復(fù)位固定，成為骨科醫(yī)師面臨的挑戰(zhàn)與難題。目前,計算機導(dǎo)航在骨盆及髖臼骨折中的應(yīng)用較其他部位少，原因主要包括骨盆及髖臼骨折相對其他部位較為復(fù)雜以及導(dǎo)航本身具有一定缺陷。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)的引人為骨盆及髖臼骨折手術(shù)的治療提供了有力工具。Wong等[19]研究表明,在導(dǎo)航輔助下治療骨盆及髖臼骨折可以精確地進行經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定。羅從風(fēng)等[20]采用x線透視導(dǎo)航系統(tǒng)行骨盆及髖臼骨折內(nèi)固定術(shù)22例，結(jié)果表明，在透視導(dǎo)航下可以更加精確、安全有效治療骨盆骨折，手術(shù)時間和x線暴露時間明顯減少,術(shù)中每枚空心釘放置平均時間為2.7min，X線圖像采集平均20.2s，且術(shù)后未發(fā)生感染及內(nèi)固定失敗等并發(fā)癥。Zwingmann等[21]對比了傳統(tǒng)方法置入骶髂螺釘與計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)下置人骶髂螺釘?shù)牟町惏l(fā)現(xiàn)與對照組相比，雖然導(dǎo)航組手術(shù)操作時間降低并不明顯，但卻明顯降低了患者和術(shù)者接受x線的輻射劑量，而且導(dǎo)航組的螺釘置入位置更加準確。因此，采用計算機導(dǎo)航輔助下微創(chuàng)內(nèi)固定骨盆與髖臼骨折，手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)精確度高，有利于減少術(shù)中出血及透視時間，降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，也有利于患者術(shù)后早期功能鍛煉，是早期治療骨盆、髖臼骨折的有效方法之一 。目前導(dǎo)航下骨盆和髖臼手術(shù)主要應(yīng)用于骶骨骨折、骶髂關(guān)節(jié)分離的后骨盆環(huán)損傷、恥骨支骨折、髖臼骨折 (包括前柱、后柱骨折)及髂骨翼骨折。導(dǎo)航下骨盆內(nèi)固定術(shù)的絕對指征仍有待研究。梁國穗等[22]研究認為，導(dǎo)航下手術(shù)方式只適用于閉合條件下的骨折復(fù)位。Mosheif等[23]則認為，目前導(dǎo)航手術(shù)的指征：⑴無移位或僅有微小移位的骨盆和髖臼骨折；⑵有移位的骨盆及髖臼骨折，但可先期行閉合復(fù)位，且復(fù)位良好；⑶全身多處骨折，術(shù)前可復(fù)位且結(jié)果滿意。Arand等[24]提出，單側(cè)不穩(wěn)定型骨折、穩(wěn)定骨折前無法完全復(fù)位、雙后側(cè)骨盆骨折患者不適合采用導(dǎo)航下手術(shù)治療。許多臨床結(jié)果已證實X線透視導(dǎo)航技術(shù)在骨盆和髖臼骨折內(nèi)固定治療中的優(yōu)勢。Kahler等[25]的實驗研究結(jié)果表明，在導(dǎo)航系統(tǒng)輔助下，螺釘每鉆入100mm相差最多7mm。Mosheif等[23]最早報道臨床導(dǎo)航手術(shù)的結(jié)果，共置入45枚螺釘(包括骶髂關(guān)節(jié)、恥骨支、髖臼)，術(shù)后與真實圖像相比，螺釘長度偏差<2mm，角度偏差<5°。arand等< span="">[24]置入的22枚骶髂關(guān)節(jié)螺釘，有21枚位置準確。鄧寧等[26]道香港威爾斯親王醫(yī)院創(chuàng)傷骨折導(dǎo)航手術(shù)(截止2005年2月)，骨盆骨折手術(shù)8例的成功率為100％，髖臼骨折手術(shù)12例的成功率為91.6％。梁國穗等[22]報道顯示，18例手術(shù)中有17例成功，且術(shù)中無并發(fā)癥，75螺釘置入位置理想。Stockle等[27]統(tǒng)計表明，平均每個螺釘?shù)耐敢晻r間為15分鐘。Crowl等[28]的報道顯示，手術(shù)常規(guī)透視時間低于45秒。目前一些學(xué)者已開始導(dǎo)航下骨盆和髖臼骨折閉合復(fù)位的研究。Crowl等[28]報道，采用經(jīng)皮空心釘固定的23例髖臼前柱骨折患者平均術(shù)前和術(shù)后移位分別為8.9mm和2.4mm,在骨折愈合期間無一例發(fā)生再移位。Hufner 等[29]的體外實驗表明,導(dǎo)航下復(fù)位比直視下復(fù)位的殘留移位大,但兩者差異很小，骨折平均殘留移位為平移lmm，旋轉(zhuǎn)0.7°；認為導(dǎo)航下還是能比較準確地復(fù)位關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，該技術(shù)經(jīng)進一步改善后即可應(yīng)用于臨床。 5 CAOS存在的問題 目前CAOS已經(jīng)運用到了骨科的各個方面，其有如下優(yōu)點:⑴減少患者及醫(yī)務(wù)人員的輻射暴露[30-31]；⑵增加了手術(shù)的安全性，減少手術(shù)的風(fēng)險。盡管計算機導(dǎo)航有很好的優(yōu)勢，但是其仍然存在著如下問題：⑴參考架要固定牢靠,術(shù)中一但松動或發(fā)生移動，需要重新注冊。導(dǎo)航工具的注冊及數(shù)據(jù)采集過程復(fù)雜，術(shù)中需要額外5～7 min。⑵術(shù)中患者體位的移動可以導(dǎo)致導(dǎo)航虛擬圖像與解剖結(jié)構(gòu)的差異，出現(xiàn)圖像漂移現(xiàn)象。⑶手術(shù)適應(yīng)癥的相對狹小。⑷目前導(dǎo)航系統(tǒng)攝像器覆蓋范圍較小，易出現(xiàn)遮擋等問題，需專門人員在手術(shù)臺下配合調(diào)整，增加了手術(shù)人數(shù)。⑸導(dǎo)航技術(shù)的學(xué)習(xí)需要嚴格的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)曲線長。⑹導(dǎo)航設(shè)備采購費用高，可能增加了患者的手術(shù)費用。[32]6 展望 CAOS的出現(xiàn)給骨科發(fā)展注入了新的活力。它將計算機圖像處理、立體定位導(dǎo)航、精密機械、醫(yī)用機器人等多種高科技手段引入骨科手術(shù)中，使醫(yī)師能夠更充分利用尖端技術(shù)和設(shè)備帶來的信息便利，發(fā)揮醫(yī)師的主動性和靈活性，給醫(yī)患雙 方都帶來極大的益處。雖然當(dāng)今計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)在骨科許多手術(shù)方面運用, 但是其運用范圍不是很廣。就國內(nèi)而言，僅僅是少數(shù)醫(yī)院擁有計算機導(dǎo)航的相關(guān)設(shè)備。盡管如此，隨著骨科醫(yī)生對計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)的進一步了解及熟悉，計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用前景將越來越廣。 綜上所述，計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)使骨科手術(shù)迅速、安全、準確。隨著計算機和電腦圖像處理系統(tǒng)的不斷完善及發(fā)展，遠程醫(yī)療機器人手術(shù)系統(tǒng)、智能化骨折復(fù)位固定系統(tǒng)、模塊化便攜式CAOS統(tǒng)、基于多模態(tài)圖像的導(dǎo)航系統(tǒng)等將會輔助醫(yī)生完成更多骨科疑難與復(fù)雜手術(shù)。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展必將日益高科技化，應(yīng)用領(lǐng)域也將多樣化，導(dǎo)航手術(shù)的規(guī)范化、標準化，促使骨科治療技術(shù)出現(xiàn)新的飛躍式發(fā)展。[6-33][參考文獻] 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