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手术导航的分类

导航系统主要分为主动式和被动式,目前应用最广泛的主要是被动式导航系统,包括CTMRI导航系统(CT or MRI based system)C型臂X线机导航系统(2-D3-D Fluoroscopybased system)和通过运动学或解剖学标志获取数据的非影像学导航系统(imagefree navigation)(7) ,但无论哪种导航方式,基本途径都包括对手术器械与解剖结构的实时追踪,而最常用的追踪技术是基于发射红外线的二极管(LEDs)或者反射红外线的球体的光学追踪(8)手术操作则需要依靠术者来完成。主动式的导航系统,主要是机器人辅助导航系统(robot-assisted system),主要依赖机器人来完成手术操作。

 

31  CTMRI导航系统

CT图像为基础的导航技术首先开始应用于腰椎椎弓根螺钉置入手术,随后打开了计算机辅助骨科手术的导航技术的大门(9)。这项技术主要是,术前进行CT扫描,然后通过DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)PACS(Picture Archive and Communication Systems)技术将影像学资料与导航系统进行数据交换,其优点在于CT图像质量好,特别是在颈椎,上胸椎等解剖结构比较特别的区域,并且可以进行术前计划10,然后在术中利用匹配或者注册技术,将CT图像与病人实际解剖结构相结合8(表16-1)。典型的系统有DiGioia等开发的HipNav系统、Langlotz等开发的脊柱导航系统(图16-2)。匹配或者注册技术是CT导航系统术中应用的最关键的步骤11,主要有两种最常用的技术---点匹配或者表面注册12。所有的注册方式都是依赖骨表面结构和术前影像学资料相应特征的确认8,这个过程需要术者操作计算机来进行13,而目前这种技术还存在着匹配不精确的缺陷.

   以三维MRI影像为基础的技术也是一种应用广泛且比较成熟的脊柱手术导航方法,它以三维重建数据为基础进行导航。术中MRI导航可以解决导航存在的最大弊端影像漂移问题。目前制约该系统在脊柱手术中推广的因素有:①价格昂贵,一般病人难以接受;②要求手术麻醉等所用金属器械必须防磁,必须有专用手术室,这在一般医院很难做到;③MRI限制了手术医生的操作空间,给手术带来不便;④MRI对骨性结构的显示不理想。

32  C型臂X线机导航系统

这种导航系统不需术前采集影像学资料,不需要进行术前计划14,而是术中利用c臂机获得影像学资料,通过c臂机的定标来完成注册过程,其匹配的准确性也直接影响到手术的成败(表16-2)。但是如果将这台笨重的器械在不同手术室中移动的话,这种机械性的定标错误也是在所难免的8典型的系统有瑞士Medvision系统、美国Medtronic系统、德国OrthoPilot系统等。这种技术优点在于可以提供实时导航,还可以减少手术室中全体人员接受辐射的程度15。但其缺点是在某些脊柱区域,例如上胸椎,其图像质量会受到限制10C臂机导航系统利用的是二维的影像学资料,不能提供手术器械的三维空间定位,所以就需要一种新型的、能够提供近似ct图像质量影像学资料的技术161999年,Siemens Medical Solutions (Erlangen, Germany)制造了世界上第一台移动c臂机三维影像设备,随后被命名为Siremobil ISO C3-D),(图16-3其旋转角度达到近180度,并利用一种特定的锥形束重建法则获得高分辨率的三维影像学资料,从而能够应用于从C0—S2的所有椎体水平10。但是在经过多年的临床应用之后,发现其图像质量仍然不及CT图像7.

33非影像学导航系统

这种技术也被称作以术者分辨解剖结构为基础的计算机辅助导航系统,其最先被引入是用来进行前交叉韧带移植手术17,不需要术前或者术中的影像学资料,而是术者在术中利用追踪系统来分辨各种各样的解剖结构和参考坐标,从而确立手术对象虚拟代表的关键性特征。而且这种导航系统可以进行旋转,这样就可以测定一些关节的特殊动力学特征。最近引进的非影像学导航系统,大部分都是利用一种所谓的骨形态技术([Page]Bone morphing techniques其需要高分辨的影像学资料,来产生独立解剖结构的统计学上的多样化的模型,从而对手术区域的解剖结构作真实地阐述18。这种导航系统很少会出现前两种导航潜在的问题,但是其依赖术者分辨解剖结构,在精确性方面仍存在局限。

34 机器人导航系统

机器人辅助导航系统需要将术前影像学扫描图像输入计算机,作出术前计划,并且利用感受器将病人的解剖结构与术前的影像学资料进行匹配,从而使得术者运用远程操作的机器人在病人体内进行微创性的手术操作,从而提高手术的精准度、敏捷性、稳定性和安全性19。目前应用的设备主要分为主动式、被动式或者定位、切磨设备。而骨科手术由于骨组织的独立性和稳定性,能使机器人设备被牢固的固定,而成为机器人辅助导航系统的最理想的应用领域,主要包括全髋关节、膝关节置换、创伤、脊柱手术等20。但目前的机器人辅助手术系统存在的最大的问题就是,因为是全自动化的机器,术者的经验无用武之地,手术过程中会有一定的风险。因此一种半自动的机器人辅助手术系统正在研究之中,Van Ham G21,报道了一种半自动的机器人辅助钻磨设备在全髋关节置换术中的应用,术者可以通过一种动力控制杆来操纵机器人的行动,从而使得术者和机器人共同来完成手术操作。这种技术还在初步发展阶段,但是有着极大的发展前景。