计算机辅助外科手术在骨科中的应用

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【摘要】 目的 探讨与评估计算机辅助外科手术（CAS）在骨科中的具体应用情况。 方法 从CAS的应用现状、系统组成、工作模式等入手，探讨其在骨科各领域中的具体应用及发展趋势。 结果 由浅入深展开讨论，较为系统、全面地总结了CAS的优缺点。 结论 CAS将成为骨科手术中的重要工具，是一种良好的技术方法。济南军区总医院骨创伤外科王卫国

【关键字】 计算机辅助；骨科外科手术；立体定位技术

计算机技术的迅猛发展,促进了医学影像可视化技术的发展,为使外科手术医师对手术器械与患者解剖结构这两者的位置关系一目了然,使外科手术更具有精确性、安全性和方便性，人们将计算机技术、虚拟现实技术、医学成像技术、图像处理技术及机器人技术与外科手术相结合，产生了计算机辅助外科手术（computer assisted surgery,CAS）。CAS是基于计算机对大量数据信息的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为外科医生提供支援，使手术更安全、更准确的一门综合性新技术。计算机技术，空间定位技术等进行图像三维重建及融合，使医生能够在术前充分评估病人的情况，详细规划手术路径、方案、模拟手术、术中追踪手术器械，引导手术，确定手术范围，从而使外科手术更精确、安全、微创化。

CAS在骨科手术中的具体应用称为计算机辅助骨科手术（computer assisted orthopedic surgery,CAOS），它综合了当今医学领域的先进设备：计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）、数字血管减影（DSA）、超声成像（US）、以及医用机器人（MR）。它旨在利用CT、MRI、PET、DSA等的图像信息，并结合立体定位系统对人体肌肉骨骼解剖结构进行显示和定位，在骨科手术中利用计算机和机器人进行手术干预。CAOS为骨科医生提供了强有力的工具和方法，在提高手术定位精度、减少手术损伤、实施复杂骨科手术、提高手术成功率方面有卓越的表现,未来将成为外科手术的重要工具。CAOS技术从90年代初在欧洲和北美问世，虽应用时间较短，但发展十分迅速，应用日益广泛。现就其在骨科的应用情况做一介绍。

1 CAOS应用现状

医学影像技术的发展（如CT、MRI等可以显示结构复杂部位的三维结构）虽然使医生对病人的情况做出比以前更充分、精确的评估，然而这些图像特征并不适用于手术过程中，术中医生主要靠二维的X光图像，且有暴露于射线的危险。因此发展术中三维成像系统对部分骨科手术十分必要。手术导航的出现为上述问题提供了重要线索，其设计原理来自全球卫星定位技术。计算机辅助外科手术（CAS）最早起源于神经外科的立体定向技术，空间定位技术经历了机械手定位法、光学定位法、和不受光线遮挡的电磁定位法。由于空间定位技术的发展其设备对手术的影响越来越小，逐渐被应用于脊柱外科的手术。随着医学影像技术、计算机技术的快速发展，CAOS经历了初期基于术前C T图像引导（Preoperative CT-Based Image Guidanc）的需要手工注册的CAOS系统，术中CT或X光图像引导（Introperative CT-Based Image Guidanceor Fluoroscopy-Based Image Guidance）的自动注册的CAOS系统，三维C型臂（Three Dimen-sional C-Arm Fluoroscopy）的导航，未来的CAOS系统会是自动注册匹配的基于术中真实三维图像的技术。

1.1 CAOS系统的组成

CAOS系统可分为硬件和软件部分。各种导航的硬件组成大致相同：包括成像设备、导航定位工具、计算机工作站等。各种导航的定位工具也大致相同：包括动态参照基（Dynamic Reference Base, DRB）、校正装置（Calibrationfixture）、发射器（Transmitter）、接受器（Receiver）等。软件主要是指计算机的操作程序：包括图像的处理、匹配算法、工具注册、定位、角度、距离的测量等操作系统。其中图像处理涉及三维重建,图像分割,图像融合等。软件系统是CAOS技术的核心。目前，各种CAOS产品的软件互不兼容且不同的手术如膝关节置换、髋关节置换、椎弓根螺钉导航等要求不同的软件包。因此，开发兼容的软硬件可能是未来CAOS发展的方向。

1.2 CAOS工作方式

术前采集图像，即病人术前有关的X线片、CT、MRI的图像信息输入CAOS系统的电脑，通过软件包的处理进行三维构建，根据病人的解剖信息医生可以制定术前计划和模拟手术，确定内植物的大小，植入的路径，精确位置。进入手术室后在C型臂的影像增强器上安装校正装置，C臂的视频光缆连接导航，在病人身上固定发射器，连接发射器，接受器于导航系统。调节C臂与病人手术部位的距离，获得图像信息，配准图像，注册工具，计算机经过运算进行定位，追踪器械，显示图像，证实工具指示的位置与导航图像上的位置相同后开始手术。不同的导航具体的操作不同，但大致程序相似。术中导航系统跟踪手术器械，并实时显示多维图像指导手术。由于CAOS的引入，骨科医生可以更完美地解决解剖比较隐蔽、晦涩、复杂的手术。

2 CAOS在脊柱外科的应用

CAOS最早应用于椎弓根螺钉技术，从腰椎、下胸椎应用椎弓根螺钉固定到上胸椎和颈椎，在脊柱侧弯畸形矫正、颈椎侧块螺钉技术、脊柱前路内固定系统及椎体切除等广泛推广应用，技术日趋成熟。由于在脊柱畸形矫正、脊柱骨折等手术中解剖变异大，个体差异明显，椎弓根螺钉植入解剖学标志不明显，CAOS技术可将螺钉位置不当的发生率降至最低，因此应用CAOS系统比传统螺钉植入技术更精确、安全，手术人员和病人术中暴露射线量明显减少，手术更趋微创化。

2.1 腰椎

传统的腰椎弓根螺钉技术螺钉位置不当的发生率较高，Foley等应用导航技术在6具尸体上从T11～S1植入椎弓根螺钉没有一例穿破皮质。Kalfas等临床应用导航在30名病人腰椎上共植入150枚螺钉，149枚螺钉位置都良好。

2.2 胸椎

由于胸廓的存在，胸椎椎弓根较小，术中X光透视受胸廓的影响使椎弓根螺钉植入的准确性降低，实验室和临床调查研究显示胸椎应用传统技术椎弓根的穿孔率为15.9％～54.7％。Merloz等报道在胸段脊柱侧弯矫正手术中应用CAOS只有6.6％的螺钉位置不良。

2.3 颈椎

颈椎解剖复杂，与神经、椎动脉毗邻紧密，且椎动脉变异较大，手术要求更精确，难度大。临床研究显示下颈椎侧块螺钉固定技术达1 4％的误植率，5％的人有明显的神经根损伤症状，而应用C A O S系统则显著提高了手术的安全性和准确性。Bloch等应用CAOS系统在17具尸体上行C1～C2侧块螺钉固定有6％的标本不能接受螺钉固定，传统的X光和解剖学标志有23％的标本不能运用螺钉固定。Welch等利用导航行经口齿突切除，肿瘤切除，取得了理想的效果。Kotani等报道应用CAOS行颈椎椎弓根螺钉植入的穿孔率明显低于传统手术组，螺钉的位置更精确、理想。随着CAOS系统的发展颈椎椎弓根螺钉固定不再是一项技术挑战，而会更精确、安全。另外，CAOS系统也被应用于经皮腰椎弓根螺钉固定、脊柱内窥镜、颈、胸、腰椎前路椎体、肿瘤切除减压手术，运用导航可以追踪的特殊咬骨钳，椎体、肿瘤切除更安全，降低了血管神经损伤的危险性。CAOS经过将近10年的临床应用，在椎弓根螺钉手术中的优势是明显的。从循证医学的角度来看，应用CAOS系统可能会成为行椎弓根螺钉固定手术的一项金标准。

3 CAOS技术在关节外科的应用

3.1 全髋置换

应用CAOS系统行全髋置换，髋臼假体外展角度的变异减少，假体与人体更匹配，安装过程也更精确，手术质量明显提高，对避免术后一些并发症有着重要意义。Teenders等报道了一项随机对照前瞻性研究，通过对150例全髋关节置换病人进行随机分为CAOS手术组和传统手术组，测量术后髋臼假体外展角度发现两组之间有着统计学意义，另外DiGioia等报道应用导航行全髋置换可以使手术切口减少50％，并且由于髋臼假体的正确放置术后功能也有所提高。

3.2 膝关节置换

膝关节置换手术恢复下肢负重力线十分重要，术后关节内外翻角度小于±3°对膝关节置换的远期效果有重要影响。Bathis等报道应用CAOS系统与传统技术行膝关节置换比较，术后膝内外翻角度小于±3°CAOS组达96％，传统组为78％。CAOS系统下膝关节置换下肢力线的准确性较传统手术高，对远期膝关节功能有重要意义。通过CAOS技术手术可以规范、一致化，从而使影响关节置换术后疗效的各种复杂原因与手术原因分开成为可能，这对于评估关节置换手术的疗效有着重要意义。

3.3 关节镜及其他方面

Picard等在体外模拟应用导航系统（KneeNav-ACL系统）与传统关节镜下行膝关节前交叉韧带重建术进行随机对照实验分析，通过对术前设定的理想位置点与实际手术骨孔之间的距离测量显示：导航系统比传统关节镜手术更精确，两组间有统计学差异。另外，Langlotz等应用CAOS进行骨盆髋臼周围截骨，在实验性研究中可使手术精确至0.5 mm左右，临床上手术截骨精度可达2 mm左右。CAOS在术前帮助医生模拟截骨，精确计算截骨的多少、髋臼的角度，术中跟踪器械即时显示图像，使医生的手术更精确，避免医源性损伤，而且有助于培训髋臼周围截骨手术经验较少的医生。

4 CAOS技术在创伤骨科的应用

CAOS在创伤骨科的应用面临的主要问题是开发有关骨折复位的软件，并在手术过程中监视骨折复位的情况，因为CAOS系统是基于术前或术中虚拟图像技术，术中骨折复位、骨折块移位、参照基的移位等都会造成CAOS系统产生较大的误差，指导手术的准确性大大降低。Hufner等开发新的CAOS软件系统应用于骨盆环骨折复位内固定手术，与直视下对骨折块复位比较，两组在残余错位程度和旋转角度差异不大（平均1 mm和0.7°左右），无统计学意义。Kahler等研究应用CAOS对髋臼骨折螺钉内固定，有95％的螺钉与目标的差异小于5 mm，且90％的螺钉可以经皮植入。Jacob等报道了CAOS技术辅助骶髂螺钉植入的临床应用，效果理想；Slomczykowaki等报道行股骨骨折带锁髓内钉内固定术应用CAOS系统全部锁钉一次锁准，而且缩短了手术时间，术中射线的暴露明显减少。目前CAOS系统在骨折复位内固定手术应用方面是一个开发重点，且市场需求很大，如果在骨折复位软件开发有大的突破，应用前景十分诱人。

5 CAOS存在的问题和发展趋势

CAOS系统的不断完善有力地推动了骨科学的发展：通过对手术器械的追踪、显示提高了手术的精确度和器械的可信性；促使手术器械向更精确的方向发展；可为每一具体病人度身订做手术方案；使内植物向更精确、完美的方向发展；减少了手术的暴露，使手术更精确、安全、微创；CAOS的出现也给骨科带来了一个全新的领域，使骨科的发展更趋向智能化、微创化、标准化。然而，CAOS技术尚处于发展阶段，高额的成本费用；工具还相当原始；笨重的设备；烦琐的操作；掌握CAOS技术需要有一段学习时间；术前图像配准可能产生误差、术中注册过程可能产生错误、动态参照环术中可能移位、导航本身有自己的精度、术者本人可能发生错误等影响其准确性；其成本与效益有待进一步评估；但随着科学技术的进步，CAOS系统将会不断的改进与完善，其在骨科的应用也会越来越广泛。

总之,CAS技术是一个全新的领域,将有利于外科手术技术的发展,使手术过程更方便,更直观,但它仅是一个诊断与治疗疾病的辅助手段,必须在外科医师严格而专业化的监控下工作,如有差错,及时纠正,而不至发生不必要的结果。辅助手术系统不仅取代了常规复杂的手术,减少了病人和医护人员的常规手术的X线辐射量,而且简化手术操作，缩短手术和麻醉时间，极大地减轻患者肉体上的痛苦，缩短患者住院时间，降低医疗费用，使患者早日回归社会。因而比传统外科手术更经济、安全、准确、方便。

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