计算机辅助导航技术在骨盆髋臼骨折手术中的应用

摘要：随着微创外科技术，精准医疗及信息科学和生命科学的发展，计算机辅助导航技术引起了人们的广泛关注，为骨科技术的发展开辟了一个崭新的领域。计算机辅助导航技术（CAOS）凭着智能、微创、精准等基本特性，在骨科领域展现出巨大的应用价值。提高了手术的精准性，减少了手术时间、手术创伤及辐射量。CAOS是利用现代数字影像技术如CT、MRI、PET所得到图像数据，通过计算机处理和分析，同时结合空间定位导航系统，实现术中实时三维可视定位，从而进行手术导航，使骨科手术更趋于精确和微创。加之骨盆髋臼复杂的解剖结构，为了钢板放置及螺钉的置入更加精准。本文回顾既往文献并结合相应临床经验，就导航技术原理、机制、目前应用情况及今后发展方向作一综述。 鄂尔多斯市中心医院骨科高锋

关键词：精准医疗；计算机辅助导航技术；骨盆骨折；髋臼骨折

现代医疗水平的进步及治疗理念的更新，随着计算机及图像技术的迅猛发展，使骨折治疗逐渐趋向规范化、精细化、微创化方向发展。计算机辅助骨科导航技术 (Computer Assisted Orthopaedic Surgery,CAOS )[1] 应运而生，由于在手术过程中能示踪手术工具等，帮助术者更精确、更安全地进行多种复杂手术，CAOS已经在骨科各个方面具有许多不可替代的优越性。因其精确性、安全性、低辐射等特点使其在临床实践中逐渐得到广泛应用。

骨科医生对人体的骨骼解剖十分熟悉，但仅仅靠眼、手难以感知立体的解剖结构，特别是骨盆及髋臼的解剖结构，而且这与每位医生的经验有关。然而，即使是非常有经验的骨科医生，用传统方法进行较精确定位的手术，也有出现偏差的可能性。临床和实验研究已经显示，用传统定位方法行腰椎椎弓根钉值入的失误率为20%～30%。然而，如果应用计算机导航技术,椎弓根钉植入的失误率只有0-4%。[2]CAOS则可以建立一个虚拟操作的三维立体界面，交互地进行仿真操作，     通过系统软件可以术前复习解剖结构，预演手术操作，处理术中可能遇到的各种各样的问题。术中通过虚拟现实技术，医生可以通过显示屏看到操作部位的解剖结构，通过人工干预或者机器人按照术前制定的方案进行手术，提高了手术的质量和安全性[34]。目前该技术已逐渐应用于创伤骨科各个领域，特别是在骨折复位、骨盆与髋臼骨折固定、长骨干骨折髓内钉固定、钢板内固定置入等手术中的应用[3]。CAOS技术显著提高了骨折的治疗效果，使创伤骨科手术更微创、更精确、更安全，并得到越来越多骨科医生的认可。

1 CAOS在医学的发展历程

最早在1986年美国Roberts首先在神经外科领域使用导航系统。20世纪90年代，美国医师Steinmann等将计算机辅助手术导航系统用于脊柱外科，这被认为是脊柱外科发展的里程碑。1992年著名的神经外科医生Kevein Foley将Stealth Station导航系统成功用于脊柱外科。1995年，来自瑞士伯尔尼大学的NoIte应用计算机辅助微创导航手术系统实施了世界第1例腰椎椎弓钉内固定手术。1997年Saragaglia等将手术导航系统成功用于临床膝关节置换术。1998年开始，计算机导航下进行的人工全膝关节置换术被欧美广泛使用；2001年，德国OrthoPilot膝关节置换计算机导航系统得到了FDA认证；2004年，美国将导航系统大规模用于医学，从此该技术广泛应用于欧美等发达国家。计算机辅助导航系统对人工关节置换的精确性有了极大的提高。此外，计算机辅助导航在人工髋关节、人工肘关节等其他关节的置换术也有了进一步的发展。[4]

2 CAOS的原理

计算机辅助导航技术是医学影像学技术与计算机的完美结合。通过影像学资料在显示器上虚拟成形，显示手术器械和手术部位的解剖关系，辅助术者准确完成手术预案及操作。计算机辅助导航技术是在术前对患者进行X线、CT、MRI等影像学扫描，得到患者影像学信息，通过计算机整理分析，得到三维模型影像，术者即可在相应的操作系统上进行术前预案并模仿手术过程。术中的示踪系统可以动态观察手术器械对应的患者解剖结构的位置，将信息以三维的方式显示在计算机上，可动态地从多平面解剖位置观察路径深度及相应的角度，避开危险区域，缩短手术时间，减少出血量、手术伤口及并发症，达成微创手术。

 3 CAOS的组成及分类

计算机辅助导航技术构成有以下4部分：⑴手术导航工具：通过发射或反射光信号，从而确定手术工具的位置；⑵位置跟踪仪：用于接收光电信号,从而监测及追踪手术器械的位置；⑶导航系统显示屏：术中实时反映手术器械的位置及患者的影响数据；⑷工作站：将虚拟坐标系与实际坐标系通过计算匹配。计算机辅助导航技术分类方式多种多样。按照信号传导介质，分为光学定位、磁场定位、声波定位、机械定位；按照获取影像的建立，分为基于CT的导航系统、基于X线透视的导航系统(分为二维导航和三维导航)、基于MRI的导航系统、完全开放式导航系统 (非影像依赖导航系统)；按照与人的交互方式，分为主动式导航系统、半主动式导航系统、被动式导航系统。

4 计算机辅助导航技术在骨盆及髋臼骨折的临床应用

伴随着工业化进程、现代化进程的高速发展，尤其建筑业以及交通工具的飞跃，以往较少发生的高能量、严重暴力损伤时至今日已不再少见，俨然成为危及人们身体健康的重要因素。骨盆及髋臼骨折常继发于车祸、高处坠落等高能量创伤，治疗较为复杂，预后一般较差，其治疗方式的选择一直以来是创伤骨科领域研究的热点。[5]

利用计算机图像处理技术对患者的图像信息(术前x线片、CT、MRI资料)进行分析和处理，通过三维重建、图像配准、图像融合等技术重建出患者的三维模型影像并建立虚拟坐标空间。[6]在术前，医师可以漫游手术部位的三维重构图像，从而对手术部位及邻近区域的解剖结构有一个明确的认识，然后确定手术规划及手术方案，使手术方案构思比较客观、可定量。规划完成后，医师可以在三维图像上进行手术模拟操作，以验证手术方案的正确性。特别是在创伤骨科最具有挑战性的骨盆及髋臼骨折治疗中，采用CAOS辅助医师熟悉局部解剖和制定术前规划，对最终提高手术效果具有重要作用[7-8]。Cimerman等[9]利用患者的CT影像信息重建骨折的三维影像模型，对26例髋臼骨折患者进行术前计划及手术模拟。结果表明，26例中24例实施了原规划手术人路；在内固定置人上，26例中l4例完全按原计划置人内固定，11例部分依从了原规划内固定。因此采用CAOS行术前计划及手术模拟，具有很好的临床应用价值，而且也适合于作为教学工具用于低年资医师和研究生培训[10]。

骨盆及髋臼骨折的常规治疗方法包括切开复位钢板置入内固定等 [11-12]，但在术野限制无法看到关节内情况，螺钉就可能会进入关节内[13-14], 亦可能发生损伤盆腔内重要血管或神经等严重并发症[15-16]。为预防上述并发症的发生，必须对骨盆及髋臼区的解剖结构非常熟悉[17-18]。由于骨盆及髋臼骨折解剖位置较深且周围解剖结构复杂，涉及周围重要的神经、血管等组织，采用传统的手术方式通常需要广泛的手术暴露，手术创伤大、术中出血多、透视时间长，易合并神经血管损伤、感染、骨折不愈合等并发症。因此，在手术中如何有效避开周围重要神经、血管，避免螺钉进入关节内，把医源性损伤降到最低水平，然后安全、准确、便捷地完成骨折复位固定，成为骨科医师面临的挑战与难题。目前,计算机导航在骨盆及髋臼骨折中的应用较其他部位少，原因主要包括骨盆及髋臼骨折相对其他部位较为复杂以及导航本身具有一定缺陷。计算机辅助导航技术的引人为骨盆及髋臼骨折手术的治疗提供了有力工具。Wong等[19]研究表明,在导航辅助下治疗骨盆及髋臼骨折可以精确地进行经皮螺钉内固定。罗从风等[20]采用x线透视导航系统行骨盆及髋臼骨折内固定术22例，结果表明，在透视导航下可以更加精确、安全有效治疗骨盆骨折，手术时间和x线暴露时间明显减少,术中每枚空心钉放置平均时间为2.7min，X线图像采集平均20.2s，且术后未发生感染及内固定失败等并发症。Zwingmann等[21]对比了传统方法置入骶髂螺钉与计算机辅助导航技术下置人骶髂螺钉的差异发现与对照组相比，虽然导航组手术操作时间降低并不明显，但却明显降低了患者和术者接受x线的辐射剂量，而且导航组的螺钉置入位置更加准确。因此，采用计算机导航辅助下微创内固定骨盆与髋臼骨折，手术创伤小，手术精确度高，有利于减少术中出血及透视时间，降低术后并发症发生率，也有利于患者术后早期功能锻炼，是早期治疗骨盆、髋臼骨折的有效方法之一 。

目前导航下骨盆和髋臼手术主要应用于骶骨骨折、骶髂关节分离的后骨盆环损伤、耻骨支骨折、髋臼骨折 (包括前柱、后柱骨折)及髂骨翼骨折。导航下骨盆内固定术的绝对指征仍有待研究。梁国穗等[22]研究认为，导航下手术方式只适用于闭合条件下的骨折复位。Mosheif等[23]则认为，目前导航手术的指征：⑴无移位或仅有微小移位的骨盆和髋臼骨折；⑵有移位的骨盆及髋臼骨折，但可先期行闭合复位，且复位良好；⑶全身多处骨折，术前可复位且结果满意。Arand等[24]提出，单侧不稳定型骨折、稳定骨折前无法完全复位、双后侧骨盆骨折患者不适合采用导航下手术治疗。许多临床结果已证实X线透视导航技术在骨盆和髋臼骨折内固定治疗中的优势。Kahler等[25]的实验研究结果表明，在导航系统辅助下，螺钉每钻入100mm相差最多7mm。Mosheif等[23]最早报道临床导航手术的结果，共置入45枚螺钉(包括骶髂关节、耻骨支、髋臼)，术后与真实图像相比，螺钉长度偏差<2mm，角度偏差<5°。arand等< span="">[24]置入的22枚骶髂关节螺钉，有21枚位置准确。邓宁等[26]道香港威尔斯亲王医院创伤骨折导航手术(截止2005年2月)，骨盆骨折手术8例的成功率为100％，髋臼骨折手术12例的成功率为91.6％。梁国穗等[22]报道显示，18例手术中有17例成功，且术中无并发症，75螺钉置入位置理想。Stockle等[27]统计表明，平均每个螺钉的透视时间为15分钟。Crowl等[28]的报道显示，手术常规透视时间低于45秒。目前一些学者已开始导航下骨盆和髋臼骨折闭合复位的研究。Crowl等[28]报道，采用经皮空心钉固定的23例髋臼前柱骨折患者平均术前和术后移位分别为8.9mm和2.4mm,在骨折愈合期间无一例发生再移位。Hufner 等[29]的体外实验表明,导航下复位比直视下复位的残留移位大,但两者差异很小，骨折平均残留移位为平移lmm，旋转0.7°；认为导航下还是能比较准确地复位关节内骨折，该技术经进一步改善后即可应用于临床。

5 CAOS存在的问题   

目前CAOS已经运用到了骨科的各个方面，其有如下优点:⑴减少患者及医务人员的辐射暴露[30-31]；⑵增加了手术的安全性，减少手术的风险。尽管计算机导航有很好的优势，但是其仍然存在着如下问题：⑴参考架要固定牢靠,术中一但松动或发生移动，需要重新注册。导航工具的注册及数据采集过程复杂，术中需要额外5～7 min。⑵术中患者体位的移动可以导致导航虚拟图像与解剖结构的差异，出现图像漂移现象。⑶手术适应症的相对狭小。⑷目前导航系统摄像器覆盖范围较小，易出现遮挡等问题，需专门人员在手术台下配合调整，增加了手术人数。⑸导航技术的学习需要严格的训练，学习曲线长。⑹导航设备采购费用高，可能增加了患者的手术费用。[32]

6 展望

CAOS的出现给骨科发展注入了新的活力。它将计算机图像处理、立体定位导航、精密机械、医用机器人等多种高科技手段引入骨科手术中，使医师能够更充分利用尖端技术和设备带来的信息便利，发挥医师的主动性和灵活性，给医患双 方都带来极大的益处。虽然当今计算机辅助导航技术在骨科许多手术方面运用, 但是其运用范围不是很广。就国内而言，仅仅是少数医院拥有计算机导航的相关设备。尽管如此，随着骨科医生对计算机辅助导航技术的进一步了解及熟悉，计算机辅助导航技术应用前景将越来越广。

综上所述，计算机辅助导航技术已经使骨科手术迅速、安全、准确。随着计算机和电脑图像处理系统的不断完善及发展，远程医疗机器人手术系统、智能化骨折复位固定系统、模块化便携式CAOS统、基于多模态图像的导航系统等将会辅助医生完成更多骨科疑难与复杂手术。计算机辅助导航技术的发展必将日益高科技化，应用领域也将多样化，导航手术的规范化、标准化，促使骨科治疗技术出现新的飞跃式发展。[6-33]

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