计算机辅助骨科手术在创伤骨科中的应用

1、计算机辅助骨科手术在创伤骨科中的应用    计算机辅助骨科手术 (computer- assisted orthopaedicsurgery, CAOS) 是利用计算机对数字化医学影像的高速处理及控制能力, 通过虚拟手术环境为骨科医生从技术上提供支援, 使手术更微创、更安全、更准确的一门新技术。正因为这是一项基于术中图像, 应用相应定位手段, 对手术部位及术中的手术器械进行实时跟踪、显示、引导而进行手术的技术,其工作原理犹如在航空、航海中为飞机和舰船进行导航一样, 所以也有很多学者把 CAOS 称为影像辅助导航手术(im-age guidance flu

2、oroscopic navigation surgery, IGFNS)。CAOS 应用的是以计算机图像处理工作站及影像跟踪设备为核心的手术系统, 此系统的基本功能是将医学影像设备提供的图像进行信息化处理, 并结合立体定位系统(stereotactic localiza-tion system) 对真正的人体肌肉、骨骼解剖结构进行显示和定位, 借助计算机和医用机器人进行手术。骨骼及其周围的肌肉等软组织构成了人体最重要和复杂的运动系统。在手术中, 如何避开错综复杂的神经、血管, 以最小的手术侵袭, 准确地固定和修复骨骼一直是创伤骨科医生的梦想和面临的挑战。CAOS 的出现使这种梦想变为可能。近年

3、来, 伴随CAOS 技术和设备的不断发展, 越来越多的骨科医生开始在临床工作中应用 CAOS, 并作为开展创伤骨科微创手术的主要技术和手段。由于 CAOS 综合了计算机、医学图像处理、精密机械制造和医用机器人技术, 是多学科智慧的结晶, 使其在很多方面具有传统骨科手术无法比拟的技术优势, 极大促进了骨科手术向真正意义的外科微创化、智能化目标发展。一、CAOS 发展的简单历史回顾计算机辅助手术(computer assisted surgery, CAS) 的临床应用已有 20 余年的历史, 从 CAS 转向 CAOS 是从 20 世纪90 年代初开始的。当时神经外科领域的脑立体定向导航手术,

4、使脑组织的解剖结构能够直观、立体地被计算机三维重建, 利用最初的定位导航框架, 能够对深部的脑组织实施精确、微创的手术, 此技术在应用于神经外科领域的脊柱手术时被骨科医生所关注, 发现了其在骨科应用的重大价值。CAOS 技术真正应用于创伤骨科是 Nolte 等(1995 年) 应用计算机辅助微创导航手术系统在赫尔新基实施了世界第一例腰椎椎弓根螺钉内固定术。自此, CAOS 在骨科手术中的优势逐渐显现。所以 CAOS 是在 CAS 技术已经相对初具规模的基础之上发展起来的。近十年来, 随着医学影像设备的不断完善、计算机技术的高速发展、全球 Internet 技术的普及, 更加速了 CAOS 的发

5、展, 可以说 CAOS 是在一个高技术平台上起步的。计算机辅助手术的关键技术是计算机对医学影像的处理和术中的定位导航, 这些核心技术经历了解剖部位体表标记定位、有框架标记定位、无框架标记定位到目前的主动式跟踪红外定位、被动式跟踪红外定位阶段, CAOS 的发展也大致经历了以上阶段, 只不过是发展得更快 。由于骨科手术所涉及的骨骼、关节及其周围软组织最容易被医学影像设备反映清楚, 所以 CAOS 在骨科手术领域的应用也最为广泛和活跃。骨骼和关节在物理学上被认为是刚体(rigid structure) , 在手术操作过程中不会因为器械的移动和体位的变化而变形,手术中内固定材料、人工假体的植入特别依

6、赖骨骼表面标志和术中医学影像, CAOS 能够为骨科手术提供精确术前、术中定位, 在计算机图像处理工作站上可以进行术前模拟操作、手术路径规划, 在术中可以进行实时跟踪、监测, 并显示手术器械、病灶及周边组织、内固定物、人工假体的相关位置。CAOS 不断发展的过程也是骨科医生不断探索、不墨守成规、不断吸收新技术、勇于迎接挑战的过程。二、CAOS 在创伤骨科手术中应用的基本工作原理CAOS 是应用不同的跟踪定位手段对经过计算机处理过的手术部位及手术器械进行导航, 目前的跟踪定位手段有光学定位、超声波定位、机器人定位、电磁定位, 这些方法各有优缺点, 但结合创伤骨科的手术特点, 目前的 CAOS 技

7、术主要应用光学定位方法中的红外光学定位技术。创伤骨科的影像学特点是移位骨折复位前后的影像变化很大, 这就决定跟踪定位的图像是不断变化的, 需要影像设备能够随时提供给计算机伴随治疗过程不断变化的术中影像, 在创伤骨科, 一般应用“C”型臂 X 线透视机进行术中影像的实时采集。CAOS在创伤骨科手术中应用的基本工作原理就是在手术室中建立一系列带有红外线发射与接收装置的可跟踪系统, 再应用能够识别这些光学信号的摄像机将每个带有光学信号的手术部位( 解剖部位) 、手术器械、“C”型臂透视影像进行手术空间的位置跟踪。计算机图像处理工作站能够把摄像机记录的每个跟踪目标的空间位置进行空间坐标的数字化测算,

8、并将数据存储在计算机中; 计算机还能够把“C”型臂透视影像与真正的手术部位进行空间位置的准确叠加与对映, 使术者能够在计算机上看到手术器械与手术部位及透视图像之间的实时位置( 图 1) 。根据不同的创伤骨科手术步骤, 应用与之相应的手术软件, 就能够让医生按照计算机的操作界面提示进行精确的手术操作。CAOS 的关键技术就是影像对映技术及空间定位技术, 直接影响导航手术的精确性。骨科医生应该对上述工作原理有正确的认识, 才能够把自己的临床思维与计算机的导航界面进行很好的结合, 从而完成手术。三、CAOS 的系统组成及基本设备( 一) 系统组成·骨科教程·计算机辅助骨科手术在创

9、伤骨科中的应用王满宜 王军强作者单位: 100035 北京积水潭医院创伤骨科主处理系统可完成三大功能: (1) 数据获取及建模, 包括图像数据的获取、定位参考坐标系统的定义、数学模型的建立及医用机器人的校正。(2) 术前处理, 包括多模图像的配准(registration) 、组织器官的三维显示、手术方案和手术途径的制定、术前手术模型的建立等。(3) 术中处理, 包括术中数据获取, 如多模图像数据、机器人参数、定位系统的定位坐标、组织器官的位置等; 组织器官、机器人、手术器械的术中显示; 术中配准及定位, 包括多模图像配准、图像与定位系统的配准、手术器械和机器人的配准。术中导航主要是引导手术的

10、进行; 机器人控制主要是指令机器人按一定的要求进行手术干预。2.成像设备系统, 用来提供人体组织器官的解剖结构信息和功能信息。3.立体定位系统, 用来对人体组织器官、机器人和手术器械进行定位。4.操作系统或医用机器人, 用来进行手术操作。    ( 二) 基本设备及功能在 CAOS 系统中, 除“C”型臂 X 线机等常规医学设备外,还需要一些必要的定位、导航设备和相关的计算机硬件和软件。1.定位摄像机(localizer camera, 位置侦察仪), 接收并跟踪光学信号( 图 2) 。2.工作站(workstation), 处理显示图像资料和数据、计算

11、手术工具的位置, 并将手术工具的位置在患者术前或术中影像资料上显示出来( 图 3) 。3.追踪器(tracker), 安装在患者的解剖结构上, 用于追踪手术过程中解剖结构的位置改变( 图 4) 。4.导航工具(navigation smart tool), 可安装追踪器的手术器械( 定位套筒、电钻、改锥等) , 能够把追踪器与手术器械组装的连接装置( 图 5) 。5.校准靶(C- arm tracker), 安装于“C”型臂 X 线机影像增强器, 用于记录扫描影像时“C”型臂 X 线机与患者解剖结构之间的相对位置( 图 6) 。6.操作系统和巡航软件(navigation software),

12、 提示医生进行手术。四、CAOS 系统的应用特点和优势CAOS 的手术步骤同传统手术相比有很多不同, 有其自身的应用特点。首先要做术前的导航系统建立, 包括将“C”型臂 X 线机与导航工作站进行视频连接, 将手术中所跟踪的导航目标置于定位摄像机跟踪系统内, 把导航手术工具进行计算机的定位识别; 其次, 术中操作要依从导航软件界面进行,而不是按照原有的操作步骤, 完全由骨科医生自己完成。CAOS 的优点: (1) 完成术前及部分术中的“C”型臂 X 线机透视获取图像后, 就可以完全依靠计算机工作站的导航图像进行手术, 这会大大减少术中医患人员在 X 线下暴露的时间。(2)“C”型臂 X 线机只能

13、依靠不断变换患者体位及旋转“C”型臂的角度来获取图像, 但无法同时提供 2 幅以上的透视图像, 而导航手术界面可以同时提供 4 幅透视图像, 从多平面、多角度提供术中定位影像支持。(3) 导航操作软件可以让医生在计算机上进行规划、测量, 对内植物进行精确的选择, 减少手术时间。(4) 计算机辅助手术有固定的操作程序,会减少术中的人为因素和误操作, 可帮助手术经验相对少的医生开展手术。(5)CAOS 的大部分手术操作有专用导航定位工具, 所以手术方案都具有微创手术的特点, 可以减少手术图 1 CAOS 系统示意图 图 2 定位摄像机 图 3 计算机工作站 图 4 追踪器 图 5 导航工具 图 6

14、 校准靶( 透视追踪器)·图 7 建立系统连接 图 8 追踪器安放到 C 型臂、患者 图 9 组装导航工具、校准 图 10 获取术中影像 图 11, 12 在导航界面提示下进行手术( 以髓内钉远端锁定导航为例)损伤。(6) 导航手术的数据化指令可以传递给手术机器人, 辅助医生完成徒手不能很好完成的手术。五、CAOS 在创伤骨科应用的适应证同任何新技术一样, CAOS 无法解决所有的骨科手术, 只是对原有骨科手术技术提供有益的补充和发展, 而决不是完全取代。目前 CAOS 特别适用于需要术中精确定位和微创操作的手术, 其适应证只是相对的, 取决于 CAOS 的功能特点和使用者对系统功能

15、的理解和掌握程度。随着 CAOS 技术的不断完善和发展, 其应用的适应证也会不断变化。现综合已有的文献及我们的经验, 目前比较认同的适宜应用于 CAOS 的临床手术有: (1) 骨盆后环骨折及骶髂螺钉内固定; (2) 骨盆前环和髂骨骨折; (3) 髋臼骨折; (4) 股骨颈及转子间骨折; (5) 髓内钉手术; (6) 长骨及骨盆截骨术; (7)股骨骺滑脱; (8) 前十字韧带重建手术; (9) 脊柱骨折椎弓根螺钉内固定手术。上述手术可以充分利用 CAOS 精确的术中空间定位优势, 并可以明显的减少术中 X 线下的暴露时间,辅以机械臂进行操作, 可以保证手术的成功率。由于 CAOS改变了很多传统

16、骨科手术的操作习惯, 所以对于使用经验较少的医生, 一定要给予必须的培训, 在初期病例中, 必然存在耗费时间、操作重复等问题, 应该对此有正确的认识。六、CAOS 的操作步骤因为创伤骨科的手术种类较多, 每种类型导航手术都有其自身的特点, 所以不可能有一个非常标准的操作步骤适用于所有的 CAOS 病例。现结合 CAOS 的工作流程, 概述 CAOS的操作步骤, 骨科医生应该严格遵循此操作程序, 才能确保CAOS 手术的精确性和安全性。但对于具体每一例手术, 应该结合自身的经验和所用系统的功能特点, 开展手术。( 一) 建立系统连接, 摆放好患者的手术体位后, 就应该结合手术特点, 明确并放置好

17、“C”型臂 X 线机、导航手术工作站及手术区域的位置, 因为定位摄像机的跟踪范围及导航工具的工作长度是在一定范围内的( 每个导航产品都有自己的工作范围) , 一定要确保导航手术空间的合理布局, 既便于术中操作, 又不能对导航定位有遮挡。一般应该把导航系统置于患者脚端,“C”型臂 X 线机置于术者对侧, 术区的导航工具要直接与跟踪摄像机相对, 中间不能有任何遮挡, 要与麻醉设备及输液通道相隔离, 确保无菌铺单时能够很好地将上述设备分隔排列( 图 7) 。( 二) 把透视追踪器与视频电缆安装并连接到“C”型臂 X线机, 把导航系统放在患者脚端, 探测定位器摄像机对着操作区域, 距离 1.5 m。校

18、准监视器, 以便医生能够看清。并且在对准需要的视野时, 指示 X 射线技术人员观察监视器, 使用“C”型臂 X 线机引导系统。把透视追踪器安装到“C”型臂 X线机上, 激活透视追踪器( 图 8) 。( 三) 组装导航工具, 激活患者追踪器, 把追踪器安放固定于患者术区, 患者追踪器的任务是让导航系统在手术过程中追踪患者的活动。获取的透视影像对患者追踪器起参考作用, 所以患者追踪器必须稳固地安装在需进行治疗的骨骼上, 或者虽不需治疗但一起移动的骨骼上( 图 8) 。( 四) 组装导航工具并进行校准, 在工具追踪器上放入电池, 按激活钮(activation) 激活, 进行校准( 图 9) 。软件

19、确认校准成功会发出提示音。( 五) 获取术中影像后, 软件自动将影像传送到导航显示屏, 进行影像失真校正。软件确认影像获取成功时, 发出成功的提示音。获取第一幅画面后, 医生可以根据手术需要的解剖学视角对图像进行旋转和缩放( 图 10) 。为此, 软件提供了不同的影像处理功能, 按相关键执行各自功能。软件会自动记忆处理过程, 并适用于后面的图像。( 六) 所有器械已经激活, 并且探测定位器摄像机已经调整到最佳位置, 医生就可以面对导航手术系统的显示屏, 利用可跟踪的导航手术器械进行手术, 此时的操作步骤与常规手术大致相同, 只不过原来手术是在“C”型臂 X 线机透视图像引导下进行, 而 CAOS 是在导航界面提示下进行手术( 图11, 12)。    在这些操作过程中, 定位探测器摄像机必须校准, 以便所有设备在定位探测器摄像机工作范围内恰当放置。这个过程由软件支持, 软件会呈现出各种设备的真实位置。如果必要的话, 重新调整探测定位器摄像机, 以便所有的设备都聚集在探测定位器摄像机的工作范围内