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1、计算机导航在骨科手术中的应用,一.基本概念,CAOS即利用各种影象设备如CT、MRI、PET、DSA、US等结合导航系统，对人体骨骼解剖结构及手术器械进行显示和定位，通过计算机制订手术计划，在术中进行操作干预的一项技术。最早应用于神经外科领域的立体定位，肿瘤切除化疗等。其最大的优势是：简化了手术操作，缩短了手术时间，减少了手术创伤，减弱了术中放射线的照射，使骨科手术变的更安全、更准确、更微创。,Image,Action,Navigation,Basic principle,基本设备:,不同的导航系统有不同的设备，但其中最基本的设备是一致的。大概有以下三种分类：（1）SO（surgical ob
2、ject）:手术操作实体，在骨科领域，主要是骨骼及相关联的组织结构。（2）VO（virtual object）成像设备。现在常用的CT，X线，MRI，PET，DSA 等影象设备，可以实时准确地提供图象及数据。（3）NAV（navigator）：导航仪。即在SO 和VO 之间的连接装置。获取操作器械在人体的定位和方向。,Tool Set Spine,4 chisels Pelvis Fragment Calibration Pointer VK,Simultaneoustracking of9 tools!,Tool Set Pelvis,Tool Set Hip Prosthetics,Sur
3、giGATE Components,easy setup,mobile,only 80 x 80 cm each,Shield,Infrared,Camera,LED,Surgical instruments are tracked by a camera,High precision long and compact tools Many objects tracked multiple tools and bones Large Field of View(FOV)needed for C-Arm and other applications,Best tracking technolog
4、y,三个条件：,1校准（calibration）：对于描述骨骼的几何形状校准是必需的。即在操作器械上安装跟踪器，是提高图象配准精度及定位精度的第一步。2配准(registration)：其目的是在VO和术前图象的基础上对手术器械定位，提供相对应的定位显象。3参照(reference)：动态参照系统（dynamic reference bases,DRB）可以弥补由于导航仪和骨骼位置的移动带来的误差。,Automatic compensation of patient and camera motion.,Reference coordinate system is attached anywh
5、ere on patient.,Referencing,Define Landmark in Image,Find Landmark on Patient,Matching,The transformation between the patient world and the CT image world is found,Methods:Paired-Point Matching Surface Matching,Digitization of points,Matching methods,Image,Patient,Surgical Navigation,二.工作模式,医生通过术前或术
6、中x线CTMRI对人体手术部位进行显示，定位，然后规划模拟，术中手持装有跟踪器的操作器械对患者实施操作，手术工具的空间立体定位及瞄准过程均在跟踪器的实时控制之下，跟踪器能够精确地给出术中解剖部位与多模图像之间的位置关系，经过相应坐标转换(平移、旋转等)的配准过程控制手术器械到达要求的部位，从而实施相应的手术操作。,Reference coordinate system is attached anywhere on patient.,Step 1:Placement of the Reference Base,Step 2:Shoot images,Image stored in the co
7、mputer,Action,Image,Step 3:Navigate,OR Setup,三基本类型,(一)CT依赖的导航系统 最早应用于神经外科，目前在骨科应用比较广泛，最早应用于脊柱椎弓根螺钉固定系统（6）。目前典型的系统有DiGioia(7)等开发的Hipnav系统，Langlotz(8)等开发的脊柱导航系统。术前将获得CT扫描图像，并将患者的模拟仿真数据导人计算机中；术中，通过定位跟踪器获得手术工具与解剖结构之间的空间位置关系，并与术前的CT图像进行配准，在计算机中实时显示手术工具在仿真模型中的位置关系，以指导医生实施手术操作。配准是其最关键的技术，有过去的点匹配（9）和现在的面匹配（
8、10）。该导航最大的优点是可以获得良好的三维图象，有利于术前计划和模拟。其缺点是，需要严格的配准和参照才能获得更好的图象，而且无法实时显象，图象无法更新。，现在已经广泛应用于全髋置换和全膝置换，DHS，锁式髓针，十字韧带重建等。,(二)二维X线依赖的导航,C臂现在已经成为骨科手术的基本设备。其最大的特点是实时迅速的显象，无须术前模拟。在手术器械上和传感器上安装两套光发射二级管（LEDS）通过显示屏来配准（11）。其配准过程包括X线的建模和补偿由于C臂转动带来的图象变形。示踪器安放在C臂上，可以计算控制功能参数，最先被ofsteterr使用（2）。通过C臂的转动获得图象，是一对多的图象，相当于使
9、用了多个C臂，这是2维显象的一个优势。另一个优势是图象可以更新，随时可以获得最新的图象，有利于复杂骨折的复位。现在2维依赖的导航已经广泛应用于关节置换、锁式髓针，DHS，十字韧带重建中。,(三)三维X线依赖的导航,1999年，3维依赖的导航开始应用于临床（德国西门子公司）。其配置了特殊的发动机和旋转程序来实现高清晰的围绕骨骼旋转轨迹的图象。大约可以旋转190度。可以达到CT一样的显象效果。每一次旋转可以获得50200套2维图象。把骨骼放在C臂中心，通过图象数据综合，来获得高分解的3维图象数据，其中容量扫描的准确性是成功的关键。3维X线依赖的导航还可以实时显象，所以前景非常广阔，是计算机导航的发
10、展方向。,(四)非图象依赖的导航,这种导航没有具体的图象，而是通过示踪系统作用于不同的骨性结构和参照标记建立起来的。最早应用于前交叉韧带的重建。其最大的特色是旋转程序，严格的人体机械定位和数据优化来计算运动参数，决定特殊关节的运动特征。最大的优点是骨骼变形技术。必须建立骨骼解剖模型数据库，需要大量的高分解的容积图象、数据参数和表面形态，以及尸体模型。在术中通过个解剖区的点数据对应来达到导航作用。要作到微创很难，必须借助2维和3维图象来获得所有必要的解剖标记。因此适合于那些解剖结构暴露比较充分的手术，典型的如ACL重建，全膝关节置换，全髋关节置换等。Dessenne等于1995年最早应用于交叉韧
11、带重建。,三临床应用,1脊柱外科：最早在实验室应用于椎弓根螺钉系统，由于设备技术的限制，以前仅限于腰椎的应用，现已拓展到颈椎和胸椎。最常用的导航是（1）依赖CT的导航。如椎弓根螺钉的置入，术前通过CT对手术部位脊柱进行三维重建，制定手术方案，然后在脊柱上确定36个术中可分辨的标记点。术中通过带有动态参考系统的操作器械进行点对点匹配。当二者完全匹配时再钻孔置入螺钉。由于CT良好的三维图象，最常用于颈椎和胸椎上段。在计算机导航系统引导下的颈椎离体实验中，C12经关节螺钉与经椎弓螺钉的使用都是安全的,而且有很高的精确性（2）以依赖X 线的导航：术中通过X线获得图象，然后通过计算机工作中心设计引导下置
12、入椎弓根螺钉。不需要术前模拟，而且术中图象可以更新，但是无法得到良好的三维图象。所以更广泛应用于腰椎和下胸椎，不过也有人开始应用于颈椎和上胸椎。目前的脊柱外科的研究热点是如何进行经皮螺钉植入和脊柱内窥镜技术。,Advanced pre-op planning,Current positionTarget position,Guidance,Future penetrationsCurrent position,Realtime Trajectory,2创伤骨科,随着微创的要求变高和X线的局限性，计算机导航在在创伤骨科的应用将更加广泛，主要集中在骨盆骨折(20)和长骨骨折。（1）骨盆骨折有些位置
13、比较深而且移位比较小，X片不容易发现，而且手术入路比较困难，很难达到坚强固定。用以CT依赖的导航则变的简单方便，将参考架固定于病人骨折肢体表面，术前进行CT扫描，手术模拟入路位置术中导航仪帮助引导，配准，经皮即可到达理想部位，达到坚强准确固定骨折。（2）锁式髓钉的应用。主要应用与远端锁钉的固定，关键有两步（21）：首先准确的控制锁钉入孔，在髓针进入髓腔以后，远端的锁钉必须准确。其次术中钻孔需要跟踪实时显象（3）DHS的应用。首先复位用克氏针临时固定，然后将动态参考系统固定在斯氏针上插入股骨近端。C臂照射，将图象传到投射计算机工作站，通过设计轨迹和引导进行螺钉置入。,Insertion of I
14、M Nails Fragment Reduction K-Wire Placement Near Joint Surgery Distal Locking of IM Nails,ApplicationsTrauma,骨 盆,Hip,Realtime mode,Fragment motion,3ACL 的重建,膝关节交叉韧带的重建关键在于股骨远端和胫骨近端的两个移植交叉韧带骨孔位置的确定.通过术前模拟来确定合适的钻孔点位置和方向。术中进行图象配准来完成交叉韧带的重建。而且计算机辅助还可以确定交叉韧带合适的张力；JameS等利用kneeNav-ACL系统进行了初步临床研究，这个系统特点是术中导航
15、和图像重叠技术的融合，外科医生可以在术中清楚看到模拟的膝关节，准确确定交叉韧带的位置，在监控下完成钻孔，并通过模拟膝关节的运动确定交叉韧带的张力。,Digitise anatomical structures,Prediction of Impingement Prediction of Anisometry Incorporate biomechanics,Place and test virtual ligament,4关节置换,包括髋关节置换（TKA）和膝关节置换(THA)。髋关节置换的应用比较早。最主要的问题是确定假体的位置和轴线。计算机辅助骨科技术系统可以在术前用CT或X线对关节进行
16、扫描及三维重建，设计假体的位置、大小，通过计算机计算出力学轴线和截骨平面，模拟匹配，模拟关节活动。术中通过导航系统指导医生在合适的位置安放假体。Leenders的一项临床随机研究表明CAOS对于假体安放位置要优于传统手术。减少了全髋置换中由于位置不合适而造成的假体脱位。,optimal implantoptimal placement,Cup Planning,Execution Phase,Execution Phase,5肿瘤,如何能够精确的切除靶区肿瘤组织，进行化疗和放疗，这是医学界的一大难题。计算机导航在此方面优势明显。CAOS通过CT定位系统能够对高度不规则肿瘤制订精确的三维立体显象
17、，提供肿瘤的实际形状，能够严格的区分肿瘤与周围的正常组织。以达到准确切除和最佳照射角度和放射野来避开重要组织器官，并使放射计划的剂量分布更为精确合理。它不仅对放射治疗的计划设计和照射质量的提高有明显作用，而且将显著提高存某些肿瘤的控制率和病人生存率.,四计算机导航的研究进展,在过去的十年，计算机辅助骨科手术发展非常迅速，应用范围大大扩大，准确性也得到了提高，其前景十分广阔。复位是计算机辅助骨科手术中最关键的步骤之一。但是利用计算机辅助复位和植入还处于一个探索的阶段。手术器械的发展非常迅猛，必将把微创和准确性提高到一个新水平。这些研究正在进行当中。著名的有瑞士伯尔尼的米勒骨科研究中心和达沃斯的A
18、O发展组织等机构。,其进展主要有以下五方面:,1.虚拟植入物：目前CAOS经常简化了植入物的形状，尤其是以X线依赖的导航，无法达到现实模拟，给手术准确性带来不便。为了能够术前模拟手术操作，植入物的数据库建立是必要的（30），其中包括各种形状的植入物，尤其是特殊形状的植入物。而且包括操作器械及导航信息。医生可以在术前进行浏览，获得相关信息，而且还可以模拟术中操作，大大提高手术了的准确性。植入物通过计算机辅助设计和常规设计结合，把市场上所有的内植物三维显示储存。,2.X线依赖的导航系统,现在的X线依赖的导航主要应用于螺钉植入，远端锁钉的固定，但还未常规应用在复杂长骨骨折，这是研究方向。过去使用彩色
19、线条来标记骨长轴，后来在此基础上通过先分割图象，然后在不同的平面进行综合，可以看到真正骨折端的移动方向。为了能够更好的显象，描绘出骨骼轮廓，在这方面做了许多工作。首先通过灰度纠正和直方图等化，再过滤去除一些周围图象的干扰，然后进行描绘，重建解剖结构。这种重建后的图象提供各角度更清晰的图象,3.CT依赖的导航系统,CT图象已经成为脊柱疾病，骨盆骨折诊断的金标准。加强发展术前模拟和术中显象是以CT依赖导航的发展方向。通过使用鼠标移动来获得不同的画面，空间球控制骨折端移动，可以更好的描绘骨骼轮廓，类似于内窥镜，大大简化了复位程序。而且CT导航可以进行断层显象来加强画面效果。术中配准是以CT依赖导航的
20、另一个问题，如何更好地在术中配准是需要解决的问题，一些应用软件正在诞生。,4.新型手术器械,目前使用的器械体积较大，不适合微创手术，而且接触面较小，操作不方便，经皮复位受到限制。Scahanz钉由于在高压力下容易变形，而且没有旋转力。因此需要新型器械（1）适合微创手术，体积越小越好。（2）不影响骨连接（3）具有钳子功能（4）不透X线（5）可应用于不同类型的骨折。目前正在研究中的有三种（1）两螺钉杆（2）三螺钉杆（4）三交叉斯氏针和压力环。各有利弊，螺钉杆有较大复位力主要应用于，而交叉斯氏针主要应用于微创手术。如何解决好微创和大的复位力之间的矛盾，还需要进一步研究。,5.经皮配准,配准是CAOS
21、中最关键的一步。CT导航中最常用PM（点匹配）和SM（表面匹配）。不过这种匹配仅适用于两节段的匹配，而且必须通过接触骨表面才能配准，一旦遇到多节段匹配就需要新型工具。可以分割，而且无需参考系统的示踪器的配准。而且骨盆骨折髋臼骨折需要经皮配准。超声在这方面应用前景广阔。只要骨表面软组织在一定厚度范围内，超声波就可显示骨组织。ULM医院使用“rainfall”,瑞士伯尔尼医院使用“stock exchange”来去除超声图象中的人为因素干扰，来重建骨结构。一旦这项技术成熟，必将提供高质量的重建图象，大大提高配准率.,五存在问题和发展方向,经过10余年的前瞻性研究和术后随访，计算机导航在骨科手术中的应用发展非常迅猛，而且显示了巨大的作用和发展潜力，但还有很多技术未得到实质性进展。包括系统的精确性和安全性，任何一个环节出现错误都将给患者带来不可估量的后果。而且计算机导航的费用非常昂贵。目前的研究主要集中在两大领域：1.医用机器人的应用。即如何在术中进行机器人干预。2.可视化技术。即如何获得清晰实时的影象学技术。包括功能的四维图象显示和无框架导航的应用。术中组织移位问题也仍然没有得到很好的解决。这是计算机导航需要进一步研究的方面。,
