數(shù)字技術(shù)在脊柱微創(chuàng)外科中的應(yīng)用進展

徐海棟，付 強綜述，趙建寧審校

0 引 言

數(shù)字技術(shù)在脊柱微創(chuàng)外科中的應(yīng)用，是指以脊柱微創(chuàng)外科理念為基礎(chǔ)，計算機圖像處理技術(shù)為輔助工具，涉及到脊柱微創(chuàng)手術(shù)的相關(guān)解剖學(xué)、立體幾何學(xué)、生物力學(xué)、材料學(xué)、信息電子學(xué)、機械工程學(xué)多種學(xué)科知識綜合應(yīng)用，使得脊柱微創(chuàng)外科具有良好的術(shù)前設(shè)計思路、對操作醫(yī)師進行虛擬操作培訓(xùn)、術(shù)中即時的操作導(dǎo)航及手術(shù)重建過程中方案的個性化設(shè)計。其良好的三維可視性，為脊柱外科提供精準的診斷、操作指導(dǎo)，有效地降低了手術(shù)的損傷，提高醫(yī)療質(zhì)量和安全，并且為個性化手術(shù)方案制訂、療效的預(yù)測及相關(guān)基礎(chǔ)研究開拓了思路，在脊柱微創(chuàng)外科領(lǐng)域發(fā)展迅速?，F(xiàn)將其主要應(yīng)用綜述如下。

1 術(shù)前的手術(shù)評估、設(shè)計及虛擬操作

傳統(tǒng)的脊柱外科診療過程中，臨床醫(yī)師通過各種影像學(xué)圖片進行術(shù)前的評估、手術(shù)方案的設(shè)計。由于脊柱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之各種疾病造成的畸形、退變及損傷會造成結(jié)構(gòu)異?；蛘吒淖?，臨床醫(yī)師對具體患者的脊柱節(jié)段缺乏直觀的了解，只能通過經(jīng)驗進行評估。脊柱外科常規(guī)手術(shù)通過較大的暴露內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，避免對毗鄰的血管、神經(jīng)、重要組織的損傷。而脊柱微創(chuàng)外科的理念是通過較少的損傷達到解決目標節(jié)段的問題、重建穩(wěn)定性的目的［1］。減少手術(shù)暴露的創(chuàng)面，提高了手術(shù)的難度和風(fēng)險性［2］，要求臨床醫(yī)師術(shù)前對患者的三維結(jié)構(gòu)的了解更為精準。X線、CT及MRI是目前術(shù)前評估的重要參數(shù)，為臨床廣泛應(yīng)用。主要的問題是這些影像資料均為二維顯像，不能直觀表達為脊柱三維立體結(jié)構(gòu)［3］。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)圖像的三維重建，建立起二維圖像到三維立體解剖結(jié)構(gòu)之間的橋梁［4］。三維重建技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域近年來得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)成為臨床醫(yī)師檢查診斷脊柱疾病的重要輔助手段之一，開始發(fā)揮越來越重要的作用［5］。通過脊柱的影像學(xué)資料進行數(shù)字化三維重建，獲得病變脊柱的三維立體圖像，可以進行平移、旋轉(zhuǎn)操作，觀察冠狀位、軸位及矢狀位等不同截面的具體情況及測量相關(guān)數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)術(shù)前的評估和疾病的精準診斷，采用的數(shù)字化技術(shù)軟件有多種。Materialise's Interactive Medical Image Control System即Mimics交互式醫(yī)學(xué)影像學(xué)控制系統(tǒng)軟件，是基于臨床醫(yī)學(xué)影像學(xué)的逆向工程軟件和計算機輔助設(shè)計軟件，可以對各項數(shù)據(jù)進行設(shè)置參數(shù)并編輯圖像［6］。其軟件應(yīng)用的最大特點是將斷層掃描轉(zhuǎn)化為CAD/CAM機械工作軟件處理的數(shù)據(jù)格式［7］。醫(yī)學(xué)有限元分析軟件Ansys是用來作為基于CT圖像處理的骨骼重建和有限元分析軟件，可以實現(xiàn)三維重建的同時分析力學(xué)分布、內(nèi)固定后生物力學(xué)性能等功能［8－9］，故也是重要的數(shù)字化骨科技術(shù)軟件之一。其他的軟件還有Dicom醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊標準軟件、Geomagic逆向工程軟件、Unigraphics影像學(xué)邊界定位記錄軟件等，主要的目的是將影像學(xué)資料轉(zhuǎn)化為可以進行計算機內(nèi)重建模型并進行分析的數(shù)據(jù)。

良好的術(shù)前計算機內(nèi)病變脊柱節(jié)段三維重建的實現(xiàn)，為精確診斷、術(shù)前評估提供了有利的數(shù)據(jù)資料，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗醫(yī)學(xué)術(shù)前評估方式。并且可以利用三維重建圖像進行手術(shù)操作設(shè)計及術(shù)前虛擬練習(xí)。計算機輔助設(shè)計手術(shù)操作設(shè)計可以獲得患者的三維數(shù)字模型，對其進行各個方位的測量、觀察、放大以及進行各種虛擬操作過程，選擇數(shù)據(jù)庫內(nèi)各種植入物數(shù)據(jù)參數(shù)帶入，制訂最佳的手術(shù)方案［10］。對于飛速發(fā)展的脊柱微創(chuàng)外科，注重的是操作的微創(chuàng)性和精準性，有著良好術(shù)前三維重建資料的數(shù)字技術(shù)后，提高了手術(shù)的安全性和術(shù)前評估價值。脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)的另一個重要的特點就是其具有一定的手術(shù)適應(yīng)證，通過術(shù)前精準評估，可以使得操作者對能否進行微創(chuàng)手術(shù)、手術(shù)過程中的注意點及術(shù)后損傷重建有預(yù)先評估，降低了手術(shù)的不確定性因素、手術(shù)的風(fēng)險性，同時提高術(shù)者操作的熟練性，適當(dāng)擴展了微創(chuàng)技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用［11－12］。

術(shù)前虛擬操作對于脊柱微創(chuàng)外科來說意義也是非常重大的，因為通過術(shù)前虛擬操作，提高了手術(shù)操作者對操作空間內(nèi)結(jié)構(gòu)的熟悉程度，減少手術(shù)的并發(fā)癥及風(fēng)險。脊柱微創(chuàng)手術(shù)主要是通過腔鏡或管道技術(shù)進行脊柱目標節(jié)段的相關(guān)操作［13－14］，不同于常規(guī)開放手術(shù)的直視下操作，其學(xué)習(xí)曲線較為陡峭［15］。通過術(shù)前虛擬操作，也是訓(xùn)練手術(shù)醫(yī)師操作的過程。目前進行虛擬脊柱外科操作的軟件有ASKyphoplan 軟件、Spine View 軟件等［16－17］?？梢酝ㄟ^多種軟件技術(shù)，虛擬在脊柱目標節(jié)段或部位進行相關(guān)的減壓、截骨、內(nèi)固定、融合等手術(shù)操作，提高術(shù)者操作過程中對于解剖結(jié)構(gòu)、目標節(jié)段部位、主要操作過程的熟悉，避免由于脊柱微創(chuàng)手術(shù)操作中解剖結(jié)構(gòu)不熟悉、部位不準確及操作過程引起過多的損傷等問題。從而提高了手術(shù)的精準性、安全性和微創(chuàng)性［18－20］。在三維模型上對患者進行尺寸、面積和體積測量，確定手術(shù)的路徑、組織的切除和移位、確定組織與器械間的位置關(guān)系，再進行虛擬操作，使醫(yī)師熟悉手術(shù)的路徑與過程［21］。

2 術(shù)中操作即時導(dǎo)航技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)

手術(shù)操作過程中的即時導(dǎo)航技術(shù)是指在手術(shù)過程中，通過計算機技術(shù)模型建立的靶向性實體工具或計算機屏幕，操作過程具有精準的方向性［22］。該技術(shù)又分為快速成型模塊匹配靶向性工具和計算機導(dǎo)航技術(shù)2種不同的方式。

快速成型模塊匹配靶向性工具是基于快速成型技術(shù)基礎(chǔ)上的術(shù)中即時導(dǎo)航輔助工具。通過前期數(shù)字化模型的建立，采用CAD-RP數(shù)字工程轉(zhuǎn)化，將加工材料層層固化、堆積，經(jīng)激光處理，構(gòu)建實物三維CAD模型，俗稱快速成型技術(shù)。將虛擬在計算機內(nèi)的三維圖像實體化呈現(xiàn)在臨床醫(yī)師面前，便于醫(yī)師熟悉解剖結(jié)構(gòu)和操作過程。進一步發(fā)展為術(shù)中置釘操作過程的匹配靶向性工具，將傳統(tǒng)的眼-手配合經(jīng)驗置釘過程轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳识ㄎ徊僮鬟^程［23－24］，減少了手術(shù)操作的風(fēng)險性和損傷性，符合脊柱微創(chuàng)外科理念。當(dāng)然脊柱微創(chuàng)外科技術(shù)并非僅僅是為了內(nèi)固定物的植入精準性提高這個方面，還涉及到其他的操作過程。但是作為操作過程的重要環(huán)節(jié)內(nèi)固定物的植入是需要關(guān)注的術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)的核心與重點之一。

計算機導(dǎo)航技術(shù)是指計算機輔助脊柱外科手術(shù)過程中利用X線裝置、CT及MRI提供的即時圖像與術(shù)前建立起的三維模型進行匹配，通過術(shù)中先進的定位系統(tǒng)，進行配準、定位、導(dǎo)航過程。醫(yī)師通過計算機屏幕上的指導(dǎo)進行預(yù)先計劃的過程操作，可以看到常規(guī)手術(shù)不能看見的周邊組織和深層組織，按照術(shù)前確定的切割路徑和工具位置，精準施行手術(shù)過程，實現(xiàn)手術(shù)的精確化和微創(chuàng)化目的［25－26］。術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)為脊柱外科醫(yī)師手術(shù)操作過程帶來了即時動態(tài)的術(shù)中情況反饋、提供了微創(chuàng)操作的便利性，手術(shù)操作過程更為精準，使得操作過程向預(yù)定、完美、微創(chuàng)方向發(fā)展。

另一個數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用是脊柱微創(chuàng)外科操作過程中的監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測和術(shù)中超聲監(jiān)測技術(shù)都是使用儀器的數(shù)字化技術(shù)，輔助脊柱微創(chuàng)操作過程。術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測的目的是保證脊柱微創(chuàng)手術(shù)操作過程中對脊髓神經(jīng)的保護性監(jiān)測，并提示減壓性操作的有效性，降低術(shù)者和患者術(shù)中過程在透視下的過度暴露［27－28］。術(shù)中超聲監(jiān)測是更為簡單的評估椎弓根螺釘置釘方法，具有省時省力的特點，能夠準確有效評估手術(shù)操作過程，尤其適合于脊柱穩(wěn)定性重建的脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)操作過程［29－30］。近年來興起的電磁導(dǎo)航監(jiān)測技術(shù)可以為脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)操作提供高精確度的三維空間導(dǎo)航，減少手術(shù)時間、透視次數(shù)及手術(shù)損傷［31］。

3 骨科專用機器人系統(tǒng)在術(shù)中應(yīng)用

骨科專用手術(shù)機器人目前主要在關(guān)節(jié)外科、創(chuàng)傷外科等領(lǐng)域應(yīng)用，脊柱外科手術(shù)機器人研發(fā)采用的是Spine Assist系統(tǒng)為支持的機器人操作系統(tǒng)，尚處于起步階段［32－33］;國內(nèi)也研發(fā)了相關(guān)的 Spine Bull's-Eye系統(tǒng)［34］。具體應(yīng)用起來可以通過靈活的多方向操作臂改善人手操作的精準性和安全性，存在的問題是價格昂貴不適宜推廣。機器人輔助脊柱外科技術(shù)可以完成目前少數(shù)專家才能完成的多種復(fù)雜手術(shù)操作，降低術(shù)中術(shù)者和患者的透視暴露，提高手術(shù)精準性的同時減少手術(shù)操作的創(chuàng)傷性，更加符合脊柱微創(chuàng)外科的理念。

4 脊柱微創(chuàng)外科個性化手術(shù)設(shè)計及內(nèi)植入物設(shè)計

脊柱微創(chuàng)外科在前期的數(shù)字化技術(shù)支持的條件下，完全可以實現(xiàn)個性化的手術(shù)設(shè)計和內(nèi)植入物設(shè)計。數(shù)字技術(shù)可以對患者術(shù)前進行精準的建模，提供快速成型的實體模型，借助計算機技術(shù)和逆向工程技術(shù)選擇合適的手術(shù)入路、操作方式及內(nèi)固定物的植入。隨著患者對術(shù)后康復(fù)水平要求的提高，個體化手術(shù)方案的設(shè)計及重建脊柱穩(wěn)定性內(nèi)植入物的個性化設(shè)計成為以后脊柱外科發(fā)展的重點［35－36］。精準的導(dǎo)航計算機模塊或?qū)嶓w匹配工具，便于和術(shù)中相關(guān)的解剖部位獲得精準匹配，降低了手術(shù)的風(fēng)險和操作過程的難度。對于個性化設(shè)計的內(nèi)植入物可以為患者提供良好的個性化重建脊柱穩(wěn)定性材料，避免工廠化生產(chǎn)產(chǎn)品特異性不足的缺點。而適當(dāng)?shù)膬?nèi)固定物選擇和設(shè)計可以在計算機三維模型中進行相關(guān)的有限元生物力學(xué)分析，或者采用個性化設(shè)計的內(nèi)植入物，均確?；颊吆笃陬A(yù)后良好。通過計算生物力學(xué)應(yīng)力承載和分布，減少由于力學(xué)承載問題導(dǎo)致的脊柱穩(wěn)定重建失敗的發(fā)生及內(nèi)固定物斷裂松動的風(fēng)險，改善患者的預(yù)后［37］。

綜上所述，脊柱微創(chuàng)外科在數(shù)字技術(shù)的輔助下將會獲得更好的精準性、微創(chuàng)性、個體性及操作的便利性優(yōu)勢。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，尤其是整合多種數(shù)字技術(shù)的脊柱外科手術(shù)機器人的研發(fā)和推廣以及個體化手術(shù)方案的制訂，不斷完善著臨床醫(yī)學(xué)存在的未解難題，對基礎(chǔ)研究和臨床實踐產(chǎn)生重大深遠的影響。

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