計算機導航在創(chuàng)傷骨科手術中的應用進展*

陸聲榆，沙 軻，陸彩玲

(1.廣西貴港市人民醫(yī)院創(chuàng)傷運動骨科，貴港 537100；2.廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院創(chuàng)傷手外科，南寧 530021)

精準、微創(chuàng)和安全是每個創(chuàng)傷骨科醫(yī)師所追求的目標。隨著計算機及圖像信息技術的迅速發(fā)展，導航輔助手術技術應運而生，并成為外科技術研究的前沿熱點。導航系統(tǒng)能實時監(jiān)測手術器械的位置，在其輔助下進行手術會更精準和安全，該技術已在骨科手術中顯示出其他工具無法替代的優(yōu)勢。計算機導航系統(tǒng)具有精準、安全、微創(chuàng)、輻射損害輕、手術并發(fā)癥少等突出優(yōu)點，在創(chuàng)傷骨科手術中得到廣泛應用。筆者綜述計算機導航技術的工作原理、發(fā)展簡史，探討計算機導航在創(chuàng)傷骨科手術中的應用以及存在的不足，并展望計算機導航技術在創(chuàng)傷骨科手術應用中的發(fā)展趨勢，以期為廣大創(chuàng)傷骨科計算機導航手術的研究者提供借鑒和參考。

1 計算機導航在醫(yī)學中的發(fā)展簡史

1986 年Roberts 首先報告應用聲波數(shù)字化導航儀監(jiān)測手術器械的做法，開創(chuàng)了立體定向神經(jīng)外科。Kato 于1991 年報道了電磁數(shù)字化儀原理及應用，其由三維電磁數(shù)字化儀、磁場感應器、三維磁源和計算機工作站組成。1992 年,美國醫(yī)學家將全球首臺光學紅外線數(shù)字化儀導航應用于臨床。1995年，由美國卡耐基梅隆大學開發(fā)的HipNav 系統(tǒng)和KneeNav 系統(tǒng)，通過術前采集CT 等影像數(shù)據(jù)，采用光學導航，輔助術者完成膝關節(jié)置換、髖白假體置人和前交又韌帶重建等操作，取得了良好的療效。1997年，上海華山醫(yī)院將美國的光學手術導航系統(tǒng)引進國內(nèi)。1999 年深圳安科高技術股份有限公司自行生產(chǎn)了我國的第一臺手術導航系統(tǒng)“ASA-610T光學手術導航系統(tǒng)”。德國OrthoPilot 膝關節(jié)置換計算機導航系統(tǒng)于2001 年獲得了FDA 的認證。2004 年法國研制出小型化機器人，安裝于股骨上，輔助截骨。于2005 年研制出微型6 自由度并聯(lián)機器人，使假體和截骨面的配合更為準確。2004年始美國將計算機導航系統(tǒng)大量用于醫(yī)學領域，并被廣泛應用于歐美等發(fā)達國家，逐步傳播到世界各地。

2 計算機導航的工作原理及分類

計算機導航技術是計算機信息技術與醫(yī)學影像學技術的有效結合。在術前用C臂及CT、MRI等檢查方法采集影像學資料，將采集的影像學資料經(jīng)過CD－R光盤及網(wǎng)絡中傳遞于計算機，經(jīng)過處理后的圖像信息能呈現(xiàn)于顯示器上，能顯示手術器械的實時位置及手術部位的解剖關系，利于術者提前設計手術方案及預測手術效果。術中系統(tǒng)紅外線攝像頭在反射弧中可實時動態(tài)觀察患者手術部位和示蹤手術工具，多方位觀察患者手術路徑，避開危險區(qū)域，引導術者按照術前設計的手術路徑進行操作。創(chuàng)傷骨科手術操作中，由于手術者的視野及操作空間的局限性，容易損傷重要的神經(jīng)血管。微創(chuàng)內(nèi)固定手術時需反復進行X線透視，確定內(nèi)固定的位置，給手術相關人員造成大劑量輻射損害[1]。計算機導航技術的出現(xiàn)大大提高了手術的精準度，減少重要組織損傷，減少了透視次數(shù)，降低醫(yī)務人員的輻射損害。

計算機導航有不同的分類方法。根據(jù)與人的交互性和自動化程度可將CAOS分為三類：（1）全自動導航，根據(jù)預設的程序自動執(zhí)行手術操作，如全髖關節(jié)置換時應用等；（2）半自動化交互式導航，如全膝關節(jié)置換等，碰到危險區(qū)域時會限制手術醫(yī)師繼續(xù)操作；（3）非自動化被動導航，如KneeNav、Hip-Nav 等，僅傳遞術者的手部動作，機器人提供定位、導向、導航等功能。按照醫(yī)學影像成像方法的不同，分為X 線透視二維導航、IsoC-3D.CT 導航、MRI 導航、超聲導航和激光導航等，各種導航系統(tǒng)都有其優(yōu)缺點[2]。

3 計算機導航在創(chuàng)傷骨科的臨床應用

傳統(tǒng)創(chuàng)傷骨科手術創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多。隨著近年來計算機導航技術的蓬勃發(fā)展，信息技術及醫(yī)學研究的不斷深入，為創(chuàng)傷骨科手術操作提供了更好的路徑和方法，導航技術在創(chuàng)傷骨科手術中的應用越來越廣泛。

3.1 計算機導航在骨盆損傷中的應用 傳統(tǒng)的骶髂關節(jié)脫位切開復位重建鋼板內(nèi)固定術，創(chuàng)傷大，恢復慢。宋世鋒等[3]研究結果顯示，經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定術治療骨盆后環(huán)損傷，具有微創(chuàng)、固定牢靠、恢復快等優(yōu)點，是比較可靠的內(nèi)固定手術方法。骶髂關節(jié)螺釘內(nèi)固定術對術者的理論和操作技術水平要求較高，充分的術前準備和手術規(guī)劃可減少損傷神經(jīng)血管和螺釘穿破骨皮質的發(fā)生。

陳紅衛(wèi)等[4]分析了經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定治療骶髂關節(jié)脫位的臨床療效，對16例患者的臨床資料進行了分析，所有患者均在透視引導下經(jīng)皮置入骶髂螺釘。結果顯示，手術時間為30～90 min，平均50.5 min。術后行X線片和CT掃描，提示螺釘均位于S1、S2 椎體內(nèi)。術中無血管神經(jīng)損傷發(fā)生，未出現(xiàn)內(nèi)固定松動，腰骶及下肢活動、感覺均正常。羅從風等[5]的研究也指出，導航下行骶髂關節(jié)螺釘固定的手術方式，可以提高手術精確度，提高手術安全性，減少術中透視時間。明確手術適應證、把握準確的入針點和方向，以及手術團隊間的密切合作是提高手術質量的重要方法。司慶華等[6]的研究指出，二維導航引導下置入骶髂螺釘，提高了置釘?shù)臏蚀_性，減少了損傷血管神經(jīng)等手術風險的發(fā)生，患者能較早進行功能鍛煉。還有學者比較了C臂透視引導下和計算機導航引導下行骨盆損傷置釘?shù)呐R床效果及技術特點。經(jīng)皮骶髂關節(jié)螺釘治療骨盆骨折骶髂關節(jié)脫位是通過體表定位，C 型臂X 線機透視下進行,往往會造成螺釘位置偏斜,長短不合適,損傷L 5、S 1 神經(jīng)根,或螺釘失效[7]。Citak等[8]通過實驗證明，在骶髂螺釘置釘準確性方面，三維導航較透視導航顯示了較大優(yōu)越性。張慶明等[9]研究表明CT 導航能準確指導骶髂螺釘置釘，安全性高,是一種可靠的方法。定位和手術路徑對手術的成敗至關重要，陳練等[10]探討CT輔助導航經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定術的定位和路徑。經(jīng)多層螺旋CT掃描圖像分析確立的體表進釘點、骶髂螺釘長度及角度，可直接引導經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定術；避免以往憑一些體表標志和經(jīng)驗來定位。只憑一些體表標志和經(jīng)驗定位方法較粗糙，給手術帶來很多麻煩，也是許多手術失敗的原因之一。孫明輝等[11]探討了CT 導航下骶髂螺釘治療骨盆環(huán)損傷的安全性及治療效果，對收治的16例骨盆后環(huán)骨折脫位患者資料進行回顧性分析，所有患者均在計算機導航系統(tǒng)輔助下采用骶髂螺釘進行治療。結果表明，骶髂螺釘內(nèi)固定技術是恢復骨盆后環(huán)穩(wěn)定性的微創(chuàng)、安全性高、準確度高的方法。Christopher等[12]研究顯示，應用O形臂導航技術輔助進行骶髂螺釘置入，能減少手術相關人員輻射損害，無神經(jīng)血管損傷等并發(fā)癥發(fā)生。Zheng等[13]應用計算機輔助熱塑性薄膜導航（CATMN）系統(tǒng)，進行骶髂螺釘置釘，結果顯示，應用CATMN系統(tǒng)治療骶髂關節(jié)脫位具有較高的準確性，為引導骶髂螺釘放置提供了一種新的可供選擇的方法。

3D 導航在骨盆損傷的治療中也發(fā)揮了重要作用，Zwingmann等[14]研究表明，3D較CT導航的根本優(yōu)勢在于其適用于大多數(shù)骨盆損傷傷情，并能夠適應更加復雜的手術要求，特別是需要進行術中旋轉牽引復位或附加使用額外的固定方式時更為有效。陳龍等[15]在三維計算機導航引導下行前柱通道和骶髂螺釘治療Tile 分型B2、B3 型骨盆骨折，取得了滿意的近期療效，其具有微創(chuàng)、手術耗時短、出血量少、恢復快等優(yōu)點。三維計算機導航技術解決了骨盆損傷置入螺釘準確度不高、手術風險大、并發(fā)癥多的問題，使骶髂關節(jié)螺釘置釘更加安全。王小陣等[16]探討3D 導航技術下經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定治療骶髂關節(jié)復合體損傷的臨床療效，在三維計算機導航系引導下共置入骶髂螺釘36 枚。結果每枚螺釘置入所需時間為28～40 min(平均33.2 min)。骨折復位質量采用Matta 評分標準評價，優(yōu)良率較高。術后影像學提示螺釘位置佳。最后一次復診采用Majeed 評分標準評價骨盆功能，優(yōu)良率較高，達83.3%。劉曦明等[17]研究表明，3D導航下微創(chuàng)空心螺釘內(nèi)固定治療中老年Tilt 骨盆骨折，患者一次置釘成功率較高，避免了反復修正釘?shù)?，減少了骨量丟失。老年人骨質疏松，臨床操作中還存在較多值得思考的問題。王小陣等[18]的研究表明，三維導航下置釘具有精準性和安全性，但對于骨質疏松的老年患者，在置入螺釘時應在導航+透視監(jiān)測下進行，避免盲目追求螺釘長度，偏信對中青年患者適用的、加壓到位的“手感”，從而出現(xiàn)螺釘和墊圈穿透骨皮質，造成螺釘固定失效或螺釘尖部穿出S1椎體前骨皮質損傷神經(jīng)、血管。骨盆骨折較佳的復位是置釘?shù)那疤幔邝诀年P節(jié)脫位或骶骨骨折未復位或復位不良之前，禁止行三維圖像導航下骶髂螺釘內(nèi)固定術。骨盆后環(huán)解剖結構復雜、骶骨上段變異。賈帥軍等[19]認為傳統(tǒng)X線透視下骶髂螺釘置入技術常因為患者肥胖、腸道氣體、糞塊、骨盆發(fā)育不良、圖像質量欠佳等原因難以獲取滿意的術中指導影像，導致螺釘置入位置不佳、置入過程中需多次修正釘?shù)?、術中血管神經(jīng)損傷等不良反應，因而多種計算機導航技術被引入到該項手術中，以提高螺釘置入的安全性、減少放射線暴露時間并減少并發(fā)癥的發(fā)生。Lu等[20]應用“O”型臂導航系統(tǒng)治療骨盆后環(huán)損傷，研究結果顯示：其能有效地提高骶髂螺釘置釘?shù)臏蚀_性和安全性，縮短手術時間。

骨盆骨折閉合復位內(nèi)固定的前提是，置釘前必須有良好復位。但閉合復位后較難維持骨折復位，有些骨折類型閉合復位較難，特別是移位較大的骨折，國內(nèi)已有學者應用骨盆復位架聯(lián)合導航治療骨盆骨折，取得較好的效果。胡居正等[21]應用Starr復位架聯(lián)合“O”型臂導航系統(tǒng)治療骨盆骨折，結果顯示，提高了術中骶髂關節(jié)螺釘、前柱螺釘置入的準確性和安全性，同時降低了術者和患者的輻射劑量和次數(shù)，縮短了手術時間，提高療效。王剛等[22]應用骨科機器人聯(lián)合骨盆解鎖復位架輔助下經(jīng)皮螺釘固定治療骨盆骨折的相關研究，提示骨科機器人聯(lián)合骨盆解鎖復位架輔助下，經(jīng)皮螺釘固定治療骨盆骨折療效良好，且能縮短手術時間，降低手術風險。

3.2 計算機導航在髖部損傷中的應用 文良元等[23]的研究指出，二維導航引導內(nèi)固定治療髖部骨折能明顯提高手術效率，保證內(nèi)固定的準確性，減少手術放射性損害。然而，髖部骨折手術的成功和良好的治療效果更依賴于基本的手術，尤其是骨折的準確復位和手術指征的正確把握。對于移位較小、手術部位皮膚條件較差、基礎疾病較多的累及前柱的髖臼骨折，有學者主張采用經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定治療[24]。該技術具有創(chuàng)傷小、并發(fā)癥少等優(yōu)勢，但其操作難度較高，存在螺釘穿出骨皮質或誤入髖關節(jié)損傷神經(jīng)血管的風險。聶玉琪等[25]的研究表明，三維數(shù)字化規(guī)劃聯(lián)合導航系統(tǒng)可減少髖臼前柱螺釘?shù)闹萌霑r間、術中透視次數(shù)，是一種有效的輔助手段。國內(nèi)黃波等[26]應用雙平面機器人導航輔助下行股骨頸骨折閉合置釘，結果顯示：雙平面機器人導航可明顯提高手術的精準度，減少輻射損害及手術時間。陸聲榆等[27]應用O臂導航輔助下空心釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折，結果顯示，O臂導航輔助可提高置釘?shù)木_度，減少術中X 線透視次數(shù)，減少空心釘置入時間。

3.3 計算機導航在髓內(nèi)釘內(nèi)固定中的應用 髓內(nèi)釘遠端鎖釘?shù)闹萌氤Ｐ璺磸屯敢?，耗時長。在髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術中，遠端鎖釘在計算機導航的輔助下能更加快速、精確地置入。申劍[28]探討計算機導航輔助技術在四肢長骨髓內(nèi)釘遠端鎖釘鎖定中運用的可行性及優(yōu)點，結果顯示計算機導航輔助髓內(nèi)釘遠端鎖釘鎖定在手術時間、術中透視次數(shù)及鎖定成功率均比常規(guī)“盲打”有明顯優(yōu)勢。俞超等[29]報道了計算機導航技術應用于交鎖髓內(nèi)釘遠端交鎖螺釘固定效果，6例股骨、4例脛腓骨骨折,交鎖髓內(nèi)釘置入后,只需要一次透視,在計算機導航下完成遠端交鎖螺釘?shù)墓潭?，結果表明，計算機導航手術用于交鎖髓內(nèi)釘?shù)倪h端固定十分有效,可避免機械引導器的誤差。

3.4 計算機導航結合機器人在手術中的應用 進行準確、微創(chuàng)手術時需正確定位，準確導航，并且避免術者手抖動。以上問題可以通過醫(yī)用機器人系統(tǒng)得以克服[30]。蘇永剛等[31]針對骶髂關節(jié)螺釘手術，設計手術導航機器人系統(tǒng)，完成空間定位和路徑導航，開展精度測試實驗，檢測系統(tǒng)定位的位置誤差和角度誤差。開發(fā)的手術導航機器人可提高手術精度，增加置釘安全性，并減少術中透視的使用。系統(tǒng)的平均誤差能夠滿足骶髂關節(jié)手術的要求，但誤差的標準差較大，需在后續(xù)研究中通過算法和系統(tǒng)優(yōu)化來改善。機器人系統(tǒng)體積小，成本相對較低，操作簡單，適應國內(nèi)現(xiàn)有的手術室條件，不受周圍環(huán)境、光線影響；既克服了人手操作的不穩(wěn)定、視覺偏差和易疲勞等缺點，又具備普通光學導航優(yōu)點。黃波等[26]的研究指出，雙平面機器人導航輔助下空心釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折可明顯提高手術的精確度，并且在降低術中X線損害及縮短空心釘置入時間、減少術中損傷方面具有一定優(yōu)勢。楊成志等[32]作骨科手術機器人與“O”型臂導航輔助骨盆骨折經(jīng)皮內(nèi)固定術的比較，結果提示：兩者輔助下經(jīng)皮空心螺釘內(nèi)固定治療骨盆后環(huán)損傷，手術精準、安全、微創(chuàng)，降低對患者及術者的輻射損害，臨床效果均滿意，是微創(chuàng)治療骨盆骨折的理想新方法；天璣骨科機器人手術操作程序化，標準化，更為穩(wěn)定，學習曲線短。洪石等[33]應用骨科導航機器人輔助下行骨盆與髖臼骨折經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定，精準、安全、透視次數(shù)少。韓巍等[34]應用天璣骨科手術機器人輔助經(jīng)皮固定骶髂螺釘治療不穩(wěn)定骨盆后環(huán)骨折，結果提示：在其輔助下置入S2 骶髂螺釘治療不穩(wěn)定的骨盆后環(huán)骨折比透視下徒手操作成功率更高。

4 計算機輔助導航技術的不足

計算機導航技術在創(chuàng)傷骨科領域有許多不可替代的優(yōu)越性：精確、安全、輻射損害輕、手術安全性高、并發(fā)癥少。盡管計算機導航技術有很多優(yōu)勢,但也有不足之處：（1）O-arm導航系統(tǒng)三維掃描的輻射量高于普通X 線透視的輻射量。為了盡量減少使用O-arm 系統(tǒng)患者的輻射接受劑量，Su 等[35]提出選擇O-arm的兒科透視劑量可以使輻射劑量降低到正常的1/4，圖片質量仍然能夠指導螺釘植入，而且對置釘準確度沒有明顯影響。也有學者提出[36]，在置釘結束后經(jīng)椎弓根螺釘誘發(fā)肌電圖來判斷螺釘位置，如果肌電圖無異常表現(xiàn)，完成置釘后無需進行O-arm三維掃描。（2）系統(tǒng)注冊后參考架與骨折復位的位置必須始終保持穩(wěn)定不變,術中一旦松動或發(fā)生移動,需要重新注冊，否則會導致手術失敗，從而增加手術時間；導航參考架放置位置要科學，否則會導致注冊困難；計算機導航提供的術中圖像是由計算機合成的高度精確的虛擬圖像，注冊后應用導航鉆套在術區(qū)內(nèi)明顯的骨性標志，驗證導航導針的準確性；導航手術時，光學元件與示蹤器的空間較易被相關人員遮擋，常導致無法確定手術器械的實時位置，增加調(diào)整時間[37]。（3）導航套筒需要操作者固定，術者置入導針時，如果鉆套固定不牢，術者手抖及用力不均，也會出現(xiàn)導針偏離方向，從而需要重新置入。骨科手術機器人輔助下手術，可減少因術者手抖動而引起導針置入位置誤差。（4）導航手術前常需閉合復位，不能直視下復位，對于移位較大的骨折，閉合復位效果常理想，導航微創(chuàng)手術以以實施，常需要切開復位內(nèi)固定[38]。（5）目前“O”型臂導航系統(tǒng)價格昂貴，且需要有完備的配套設施，這使得計算機導航的推廣應用受到限制，較難在基層醫(yī)院開展[39]。

5 展 望

在創(chuàng)傷骨科方面，計算機導航技術比傳統(tǒng)技術更為精確、安全、微創(chuàng)、低輻射，手術并發(fā)癥更少。

計算機導航技術與3D 打印技術、機器人技術的結合實現(xiàn)數(shù)字骨科，首先3D 打印技術可以打印出實物模型,能更直觀地了解骨折及其周圍的解剖特點,有助于有效的醫(yī)患溝通，便于術者提前設計手術方案及預測手術效果，并可以在3D 打印模型上進行手術的預演,增加手術的熟練度,明顯縮短手術所需的時間,減少醫(yī)生和患者在放射線下的暴露時間和輻射劑量,還可以提前預彎鋼板、制作一些個體化的手術器械,幫助快速完成手術[40]。精準醫(yī)療是微創(chuàng)外科的基石，是未來醫(yī)學發(fā)展的趨勢和主要方向。隨著近年來計算機導航技術的不斷提高,信息技術及醫(yī)學研究的不斷深入，數(shù)字骨科將會幫助醫(yī)生完成更多創(chuàng)傷骨科的疑難復雜手術，應用前景將越來越廣，不斷深入。