基于多模數(shù)據(jù)計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計

徐菁 趙曉琳 肖夢君 張雪紅 張東升 程運福 山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）放射學(xué)院 （山東 泰安 271016）

內(nèi)容提要： 在全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，可采用多種成像技術(shù)。應(yīng)融合不同的成像優(yōu)勢，根據(jù)臨床診斷進(jìn)行選擇，用以在術(shù)前進(jìn)行規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航以及術(shù)后隨訪。

在計算機輔助手術(shù)中，多種影像學(xué)檢查方法可廣泛應(yīng)用于對病情的前期診斷、測量力線、截骨、制作假體模型以及指導(dǎo)手術(shù)的完成。分析各數(shù)據(jù)的優(yōu)勢和局限，才能在手術(shù)中合理選擇使用。

1.計算機斷層掃描

CT檢查可用于觀察膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的區(qū)域，或用以顯示軟組織為主的病變。如需了解骨質(zhì)破壞、髓腔情況、骨內(nèi)或軟組織內(nèi)的淡薄鈣化或骨化、骨腫瘤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和腫瘤對軟組織的侵犯范圍，亦可輔以CT檢查。

CT檢查的優(yōu)勢：①成像速度快，可對一些危重患者進(jìn)行緊急檢查。②對骨骼的顯示較為清晰，有利于顯示病變的范圍及對周圍組織的侵犯程度。③可檢查體內(nèi)有鐵磁性物質(zhì)如心臟起搏器等而MRI檢查禁忌的患者。④檢查價格相對低廉。另外，通過CT掃描進(jìn)行三維重建，可以克服X射線片為二維圖像的缺點[1]。通過高分辨率CT掃描并三維重建獲得患者個體化三維骨骼模型——“截骨模板”，然后通過計算機模擬膝關(guān)節(jié)表面置換過程，預(yù)先設(shè)定截骨方位，可極大地改善通用機械對復(fù)雜病例的處理局限，提高手術(shù)精度和成功率[2]。CT的局限性主要包括：①當(dāng)病變與周圍正常組織密度差異不大時，CT檢查往往難以發(fā)現(xiàn)。②由于部分容積效應(yīng)和周圍間隙現(xiàn)象的作用，可能會漏診一些微小病變。③增強掃描使用的對比劑為碘劑，碘過敏患者不能進(jìn)行該項檢查。④對人體有一定的輻射損傷，未成年患者需做好防護(hù)準(zhǔn)備。

CT依賴型導(dǎo)航在手術(shù)中進(jìn)行采點，計算機接收人體的三維空間位置的信號后，結(jié)合其儲存的龐大數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理和分析，可形成人體的三維虛擬圖像，達(dá)到建立模型的目的。再結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)預(yù)存的數(shù)據(jù)庫中假體的資料和手術(shù)方法，提出手術(shù)方案[3]。

2.磁共振成像

MRI在肌骨系統(tǒng)的首要應(yīng)用是顯示骨髓病變，對感染、缺血、創(chuàng)傷及腫瘤等疾病均可進(jìn)行良好的成像與識別，可直接顯示滑膜、纖維軟骨、肌腱、膝關(guān)節(jié)交叉韌帶等的解剖結(jié)構(gòu)。對于CT無法診斷的隱匿性骨折、骨松質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)破壞、骨髓腔內(nèi)的病變，MRI可進(jìn)行輔助檢查。磁共振成像在肌骨系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，MRA不需對比劑即可提供惡性肌骨系統(tǒng)腫瘤患者的信息，為制定治療方案提供了支持依據(jù)；MRI關(guān)節(jié)造影有助于了解關(guān)節(jié)創(chuàng)傷及疼痛的病因；FMRI可檢查到形態(tài)未變但功能已改變的病變，從而早期診斷病變周圍是否被侵犯。

磁共振成像的優(yōu)勢：①多方位成像，可獲取橫斷、冠狀、矢狀斷面和斜位等不同體位的體層圖像，對患者膝關(guān)節(jié)的病變及周圍的解剖關(guān)系可有初步了解。②多參數(shù)成像，可獲得T1WI、T2WI、PDWI等多種加權(quán)像，通過多種成像參數(shù)獲得詳細(xì)的生理、生化信息。③對比度高，MRI是所有成像技術(shù)中軟組織對比度最高的成像方式，選擇合適的脈沖序列可使肌腱、韌帶、半月板、軟骨等清晰成像，為手術(shù)提供依據(jù)。④血管檢查無需對比劑和無輻射損傷。局限性：①體內(nèi)裝有鐵磁性物體的患者無法做該項檢查。②氫質(zhì)子成像對骨密質(zhì)的成像效果不如CT；高場強噪聲大。③檢查時間較長，不適用于急癥患者。

3.正電子發(fā)射斷層掃描

PET是目前唯一用解剖形態(tài)方式進(jìn)行功能、代謝和受體顯像的設(shè)備，被稱為“受檢者生化代謝顯像”設(shè)備，可對骨轉(zhuǎn)移瘤、原發(fā)性骨腫瘤、急性骨髓炎等多種骨性疾病進(jìn)行早期診斷，提前發(fā)現(xiàn)病變。在人工關(guān)節(jié)術(shù)后3～9個月，若人工關(guān)節(jié)周圍的骨質(zhì)出現(xiàn)顯像劑異常聚集，表明人工關(guān)節(jié)有松動或感染，可以進(jìn)行標(biāo)記白細(xì)胞顯像等進(jìn)一步檢查，以鑒別松動和感染。血流相、血池相和延遲相骨顯像是判斷骨移植是否成活更為敏感和特異的檢測方法。影像學(xué)PET和CT相結(jié)合，增加了正電子顯像技術(shù)在臨床的應(yīng)用，具備同機圖像融合的功能，利用X射線對核醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行衰減校正，進(jìn)行PET和CT圖像的精確定位，可同時獲得病變部位的功能代謝狀況和精確解剖結(jié)構(gòu)的定位信息。骨的膝關(guān)節(jié)SPECT顯像對多種損傷引起的膝關(guān)節(jié)痛有篩查作用，不僅無創(chuàng)且有較高的靈敏度。此外，該技術(shù)還對膝關(guān)節(jié)鏡的檢查有導(dǎo)向作用。

4.數(shù)字血管剪影和超聲成像

DSA是診斷血管疾病的金標(biāo)準(zhǔn)，對血管畸形、狹窄、栓塞、動脈夾層等都有較好的顯示，還可了解腫瘤疾病的血供及進(jìn)行介入治療和治療后的隨訪等。但是DSA為有創(chuàng)性檢查，危險性相較之間檢查技術(shù)高，故對前期準(zhǔn)備的要求比較嚴(yán)格。

超聲檢查可以自由、實時地對受檢部位進(jìn)行多切面掃查，且無輻射危害，可做肌腱、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨、滑囊、外周神經(jīng)等多部位檢查。超聲內(nèi)鏡將超聲和內(nèi)鏡結(jié)合在一起，可進(jìn)入人體進(jìn)行掃查，獲得的影像信息更準(zhǔn)確。在超聲引導(dǎo)下的穿刺也在臨床中廣泛應(yīng)用，優(yōu)勢在于引導(dǎo)準(zhǔn)確、簡單方便、安全可靠和費用低廉。術(shù)中超聲直接在臟器表面進(jìn)行掃查，圖像更清晰、分辨率更高，可發(fā)現(xiàn)術(shù)前檢查無法顯示的一些微小病變，實時了解血流動力學(xué)信息。術(shù)中引導(dǎo)操作，無放射性，操作方便。

目前，融合X射線照片、CT掃描、MRI、PET、超聲數(shù)據(jù)，從不同角度探討髕骨關(guān)節(jié)的影像學(xué)診斷是評價髕骨關(guān)節(jié)排列價效比最高的檢查方法。髕骨關(guān)節(jié)力線對稱性的改變就是髕骨關(guān)節(jié)疼痛的重要原因[4]。通過對計算機斷層掃描、磁共振成像、正電子發(fā)射斷層掃描、數(shù)字血管減影、超聲成像等多橫醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，融合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、計算機技術(shù)和空間示蹤技術(shù)的計算機輔助系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃能夠?qū)θ梭w骨骼解剖結(jié)構(gòu)的是示和立體定位，有效減少在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中出現(xiàn)的失誤與手術(shù)風(fēng)險。

5.小結(jié)

計算機輔助骨科手術(shù)設(shè)計融合計算機斷層掃描、磁共振成像、正電子發(fā)射斷層掃描、數(shù)字血管剪影、超聲成像等多種醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，在計算機的整合處理下，對人體骨骼關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位和三維重建，且協(xié)助制定術(shù)前規(guī)劃，在術(shù)中進(jìn)行導(dǎo)航，不僅為臨床醫(yī)生提供了詳盡準(zhǔn)確的信息，也提高了手術(shù)的精確性，減少了對患者不必要的傷害，大大降低了術(shù)后并發(fā)癥的概率。隨著技術(shù)的完善和推廣，計算機導(dǎo)航系統(tǒng)會逐漸普及，價格也會相應(yīng)降低[5]。通過多模醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，可有效克服原有置換術(shù)等骨科手術(shù)的不確定、猜測性和無法精準(zhǔn)定位等缺點，使不同水平的操作者提高手術(shù)成功率，是骨科醫(yī)師強有力的工具和有效的手術(shù)方法。