導(dǎo)航技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展

李 豐 綜述 王爾松 審校

(復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 201508)

·文獻(xiàn)綜述·

導(dǎo)航技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展

李 豐 綜述 王爾松*審校

(復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 201508)

本文簡(jiǎn)要綜述導(dǎo)航技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用，對(duì)比目前應(yīng)用的導(dǎo)航設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，指出脊柱導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向。

導(dǎo)航技術(shù)； 脊柱外科

1986年，美國(guó)Roberts率先將計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(computer aided surgery navigation system，CASNS)應(yīng)用于神經(jīng)外科臨床。20世紀(jì)90年代早期，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解決了實(shí)時(shí)圖像處理和儀器追蹤的技術(shù)問題，開辟了精確脊柱外科的新思路[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋脊柱各個(gè)節(jié)段的手術(shù)治療，包括脊柱螺釘固定手術(shù)、脊柱脊髓腫瘤手術(shù)等。導(dǎo)航設(shè)備逐步成為脊柱外科的有力助手，在脊柱外科包括脊柱神經(jīng)外科得到重視和應(yīng)用。本文就導(dǎo)航技術(shù)在脊柱外科中應(yīng)用的進(jìn)展做一簡(jiǎn)要綜述。

1 傳統(tǒng)的脊柱外科導(dǎo)航設(shè)備及局限性

傳統(tǒng)的脊柱外科導(dǎo)航包括X線平片和C形臂X線機(jī)。雖然這些設(shè)備在通常情況下可以滿足臨床基本需要，但它們有明顯的局限性：導(dǎo)航過程中對(duì)操作人員的依賴性；限制于二維圖像信息；C形臂X線機(jī)頻繁移入和移出手術(shù)區(qū)域增加感染幾率；患者和手術(shù)室工作人員暴露在電離輻射下[2]。

2 脊柱外科導(dǎo)航設(shè)備及應(yīng)用

2.1 術(shù)前CT導(dǎo)航

1995年，Nolte等[3]首次報(bào)道術(shù)前CT導(dǎo)航系統(tǒng)在腰椎椎弓根螺釘固定的臨床應(yīng)用。術(shù)前CT導(dǎo)航的主要設(shè)備包括三部分：攝像設(shè)備、定位系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)工作站。臨床應(yīng)用最廣泛的是安裝有紅外線發(fā)光二極管(lighting emitted diode，LED)的光電導(dǎo)航系統(tǒng)，基本原理是在手術(shù)部位和器械上貼附LED，攝像機(jī)捕捉LED發(fā)射的紅外線，并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)工作站，計(jì)算機(jī)工作站處理攝像和定位系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)，最終在屏幕上顯示手術(shù)部位圖像及器械的相應(yīng)位置。術(shù)前CT導(dǎo)航的主要優(yōu)點(diǎn)包括：圖像清晰，具有三維成像能力，利于術(shù)前設(shè)計(jì)；定位較為精確，減少手術(shù)創(chuàng)傷。缺點(diǎn)包括：術(shù)前CT掃描數(shù)據(jù)用于術(shù)中參照點(diǎn)進(jìn)行注冊(cè)，由于患者體位的不同可能造成脊柱移位或變形，容易產(chǎn)生注冊(cè)誤差；為減少注冊(cè)誤差，常需要對(duì)每個(gè)椎體進(jìn)行單獨(dú)注冊(cè)，增加手術(shù)時(shí)間[4]。目前術(shù)前CT導(dǎo)航應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是胸腰椎螺釘固定手術(shù)，Wu等[5]將42例胸椎骨折患者隨機(jī)分為2組，共植入176枚胸椎椎弓根螺釘，其中22例92枚螺釘進(jìn)行術(shù)前CT導(dǎo)航植入，20例84枚螺釘進(jìn)行傳統(tǒng)螺釘固定技術(shù)植入。結(jié)果顯示，術(shù)前CT導(dǎo)航組92枚螺釘中，88枚(95.7%)準(zhǔn)確度為Ⅰ級(jí)(無皮質(zhì)破裂)，4枚(4.3%)Ⅱ級(jí)(螺釘超過椎弓根≤2 mm)，0枚(0%)Ⅲ級(jí)(螺釘超過椎弓根>2 mm)；傳統(tǒng)螺釘固定組84枚螺釘中，70枚(83.3%)準(zhǔn)確度為Ⅰ級(jí)，11枚(13.1%)Ⅱ級(jí)，3枚(3.6%)Ⅲ級(jí)(P<0.001)，研究認(rèn)為術(shù)前CT導(dǎo)航提高了胸椎螺釘固定準(zhǔn)確率。術(shù)前CT導(dǎo)航在脊柱腫瘤手術(shù)中應(yīng)用的報(bào)道并不多[6]。

2.2 電磁導(dǎo)航

1991年，Kato等[7]描述了一個(gè)利用磁場(chǎng)代替框架或機(jī)械臂的空間定位系統(tǒng)，并使其在CT或MR圖像上動(dòng)態(tài)顯示手術(shù)操作過程。2000年，Amiot等[8]使用電磁場(chǎng)技術(shù)結(jié)合CT圖像進(jìn)行注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)椎弓根螺釘植入的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。電磁導(dǎo)航的工作原理是通過安放在人體上的電磁發(fā)射器發(fā)射相當(dāng)于1/3地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的電磁波，位于手術(shù)器械末端的電磁接收器捕捉電磁波，與手術(shù)器械相連的導(dǎo)航工作站根據(jù)不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度確定不同的空間位置。電磁導(dǎo)航的主要優(yōu)點(diǎn)包括：實(shí)時(shí)顯示手術(shù)部位和器械的關(guān)系；信號(hào)不受光線干擾，手術(shù)操作者活動(dòng)自如，不影響導(dǎo)航。缺點(diǎn)包括：容易受到帶磁性物體的干擾，需要特殊的無磁性器械[9]；禁用于有電子設(shè)備直接連接到心臟、腦部或神經(jīng)系統(tǒng)的患者。Hahn等[10]利用電磁導(dǎo)航結(jié)合術(shù)前CT掃描圖像在尸體上進(jìn)行腰椎螺釘固定術(shù)，認(rèn)為電磁導(dǎo)航下腰椎螺釘固定的準(zhǔn)確率和術(shù)前CT導(dǎo)航相一致，同時(shí)使用也方便。von Jako等[11]對(duì)電磁導(dǎo)航和傳統(tǒng)X線透視導(dǎo)航在微創(chuàng)入路經(jīng)皮椎弓根螺釘植入準(zhǔn)確率以及輻射量方面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示電磁導(dǎo)航較傳統(tǒng)X線透視導(dǎo)航更容易獲得理想的螺釘植入軌跡(62.7% vs. 40%,P=0.01)，而且電磁導(dǎo)航下螺釘植入導(dǎo)致的腰椎椎弓根破裂率顯著低于傳統(tǒng)X線透視導(dǎo)航(16.2% vs. 42.5%,P=0.01)。相對(duì)于傳統(tǒng)X線透視導(dǎo)航而言，利用電磁導(dǎo)航進(jìn)行螺釘植入可以將X線照射時(shí)間降低77%(每椎體平面22 s vs. 5 s,P<0.0001)。電磁導(dǎo)航的應(yīng)用主要在脊柱螺釘固定手術(shù)方面，在脊柱腫瘤以及其他手術(shù)中應(yīng)用的報(bào)道較少。手術(shù)室環(huán)境下大量金屬物體可能影響電磁導(dǎo)航的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，限制了電磁導(dǎo)航的廣泛應(yīng)用[12]。

2.3 術(shù)中超聲

1978年，Reid[13]首次將超聲應(yīng)用于脊髓頸段囊性星型細(xì)胞瘤手術(shù)治療中。當(dāng)時(shí)的超聲技術(shù)只能提供二維圖像，并且無法在手術(shù)視野中定位手術(shù)器械[14]。2005年Bonsanto等[15]報(bào)道了3D超聲在脊髓手術(shù)中的應(yīng)用。其原理是在感興趣的部位利用探頭平移得到100～200張二維圖像，將這些二維圖像整合成一個(gè)三維圖像并自動(dòng)傳輸?shù)綄?dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航可直接進(jìn)行而不需要任何注冊(cè)程序，病變的定位可用普通的導(dǎo)航指針來完成。由于超聲分辨率無法與CT相比，并且其分辨率和穿透力成反比，所以限制了它在脊柱螺釘固定手術(shù)中的應(yīng)用[16]。術(shù)中超聲在脊膜瘤和神經(jīng)鞘瘤等髓外腫瘤手術(shù)中可以保證更好的腫瘤切除范圍，而對(duì)髓內(nèi)腫瘤應(yīng)用術(shù)中超聲監(jiān)控取得腫瘤全切除是比較困難的[14]。Naruse等[17]回顧性分析101例頸椎椎板擴(kuò)大成形術(shù)治療頸髓病變患者的影像資料和臨床治療效果，認(rèn)為術(shù)中超聲測(cè)定脊髓浮動(dòng)參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)頸椎椎板擴(kuò)大成形術(shù)臨床治療效果的價(jià)值比術(shù)后MRI更高。術(shù)中超聲在確定脊髓海綿狀血管瘤切除邊緣及脊髓穿刺病理組織活檢等方面也有較好的應(yīng)用。

2.4 術(shù)中CT

2000年，Hum等[18]報(bào)道術(shù)中CT系統(tǒng)成功應(yīng)用于脊柱外科臨床。2006年，O形臂成像系統(tǒng)(Medtronic)成為市場(chǎng)上首個(gè)術(shù)中360°旋轉(zhuǎn)CT，由于它結(jié)合自動(dòng)注冊(cè)和CT顯示骨組織的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)時(shí)在脊柱外科中為數(shù)不多的真正具有顛覆性的技術(shù)之一[19]。術(shù)中CT優(yōu)點(diǎn)包括：機(jī)械性控制定位系統(tǒng)和集成的允許自動(dòng)注冊(cè)的LED跟蹤裝置，大大簡(jiǎn)化了手術(shù)醫(yī)生的注冊(cè)程序[20,21]；利用手術(shù)體位獲得的CT數(shù)據(jù)并進(jìn)行更新，減少潛在的導(dǎo)航誤差；減少對(duì)手術(shù)醫(yī)生的輻射，掃描時(shí)讓手術(shù)醫(yī)生離開手術(shù)室可使輻射降到零[22]。缺點(diǎn)包括：較術(shù)前CT導(dǎo)航占用更多的空間；需要額外的人員來控制操作；需要可穿透X線的手術(shù)床[23]；雖然可以減少手術(shù)醫(yī)生的輻射，但對(duì)患者的輻射卻有所增加。2014年，Kotani等[4]對(duì)術(shù)中CT和術(shù)前CT導(dǎo)航在脊柱側(cè)凸畸形螺釘固定準(zhǔn)確率方面進(jìn)行對(duì)比，術(shù)中CT導(dǎo)航下獲得無皮質(zhì)破裂螺釘固定率為84.4%，術(shù)前CT導(dǎo)航為84.7%，結(jié)果顯示兩者的準(zhǔn)確率一致。另外，包括螺釘注冊(cè)所需時(shí)間在內(nèi)，術(shù)前CT導(dǎo)航下固定每一枚螺釘需要的時(shí)間為(10.9±3.2)min，而術(shù)中CT導(dǎo)航為(5.4±1.1)min，認(rèn)為術(shù)中CT可以顯著減少螺釘固定時(shí)間。術(shù)中CT可以在矢狀位、冠狀位以及垂直平面形象地顯示螺釘?shù)闹踩胲壽E，并可以決定植入螺釘?shù)拈L(zhǎng)度和直徑[24]。Kim等[25]利用術(shù)中CT結(jié)合微創(chuàng)手術(shù)路徑進(jìn)行椎弓根螺釘固定，準(zhǔn)確率達(dá)96.6%，而且和傳統(tǒng)X線透視導(dǎo)航相比，術(shù)中CT可以大大降低術(shù)后再次進(jìn)行CT掃描確認(rèn)螺釘位置的必要性。術(shù)中CT在觀察骨組織病灶結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢(shì)，在骨腫瘤切除手術(shù)中可提供骨腫瘤切除邊緣的更新信息，引導(dǎo)更加徹底的骨腫瘤切除[18]。在復(fù)雜解剖條件(椎弓根狹窄、脊柱側(cè)凸、外傷性脊柱畸形)下，二維成像不能清晰顯示手術(shù)區(qū)域時(shí)，術(shù)中CT可以提高手術(shù)路徑的準(zhǔn)確性。

2.5 術(shù)中MRI

1995年首次出現(xiàn)0.5 T術(shù)中MRI的應(yīng)用[26]，這是第一個(gè)完全融合手術(shù)室和磁共振掃描的系統(tǒng)，提供直徑30 cm的球形顯示圖像和56 cm寬的間隙用于術(shù)者和第一助手進(jìn)行操作。優(yōu)點(diǎn)是：手術(shù)過程中患者和磁場(chǎng)無需移動(dòng)，整個(gè)手術(shù)在同一手術(shù)室進(jìn)行；提供接近實(shí)時(shí)的圖像。缺點(diǎn)是：圖像質(zhì)量不高；有限的空間影響外科醫(yī)生的操作；相對(duì)較弱的磁場(chǎng)無法應(yīng)用MRI功能成像(fMRI)和MR波譜圖像。1997年出現(xiàn)1.5 T術(shù)中MRI系統(tǒng)[27]，其優(yōu)點(diǎn)是：擁有更好的圖像質(zhì)量；能提供fMRI和MR波譜圖像。缺點(diǎn)是：需要一個(gè)專用的獨(dú)立空間；需要將患者移入或者移出磁場(chǎng)；只能通過一個(gè)狹小的孔隙進(jìn)行操作。2010年出現(xiàn)3.0 T術(shù)中磁共振系統(tǒng)[28]，其核心部分由一個(gè)3.0 T吊頂式可移動(dòng)磁場(chǎng)和70 cm寬的工作間隔組成。優(yōu)點(diǎn)是：吊頂式可移動(dòng)磁場(chǎng)允許掃描儀移入或移出手術(shù)室，取代移動(dòng)手術(shù)臺(tái)；更好的軟組織分辨率提高腫瘤全切除率。缺點(diǎn)是增加手術(shù)時(shí)間和治療費(fèi)用。雖然MRI相對(duì)于CT、X線平片以及超聲具有更好的軟組織分辨率，但骨組織分辨力較差，限制了它在脊柱螺釘固定手術(shù)中的應(yīng)用。Takahashi等[29]使用術(shù)中MRI對(duì)脊髓終室囊腫進(jìn)行經(jīng)皮細(xì)針穿刺抽吸治療，指出術(shù)中MRI導(dǎo)航下經(jīng)皮細(xì)針穿刺抽吸是治療脊髓囊腫的首選方法。Dhaliwal等[30]利用術(shù)中MRI對(duì)20例進(jìn)行經(jīng)口咽入路顱頸交界腹側(cè)損傷切除術(shù)，結(jié)果顯示在術(shù)后平均1.8年的隨訪過程中，92%的患者表現(xiàn)出神經(jīng)功能恢復(fù)，表明術(shù)中MRI允許核實(shí)解剖部位和確認(rèn)切除程度，是術(shù)中有用的輔助工具。

3 展望

導(dǎo)航技術(shù)通過對(duì)病變位置的準(zhǔn)確定位和手術(shù)的實(shí)時(shí)模擬，降低手術(shù)創(chuàng)傷，提高手術(shù)成功率[31]。20年來，導(dǎo)航技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用取得了大量的技術(shù)成就，使得導(dǎo)航技術(shù)在脊柱外科(包括脊柱神經(jīng)外科)中的應(yīng)用逐步受到重視，臨床應(yīng)用也逐漸增多。將來，脊柱導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展在關(guān)注減少費(fèi)用和輻射的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步提高其易用性。我們期待導(dǎo)航技術(shù)在脊柱外科中應(yīng)用的更深入發(fā)展。

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(修回日期：2016-07-08)

(責(zé)任編輯：王惠群)

Progress of Application of Navigation Technology in Spinal Surgery

LiFeng,WangErsong.

DepartmentofNeurosurgery,JinshanHospitalofFudanUniversity,Shanghai201508,China

WangErsong,E-mail:wersong@aliyun.com

Navigation technology; Spinal surgery

*通訊作者,E-mail:wersong@aliyun.com

A

1009-6604(2016)10-0946-04

10.3969/j.issn.1009-6604.2016.10.021

2016-01-11)

【Summary】 This article briefly reviewed the application of advanced navigation technology in spinal surgery. By comparing advantages and disadvantages of the current application of navigation equipment, we pointed out the development direction of spinal navigation technology.