· 综述 ·

    计算机辅助脊柱外科手术的应用现状及进展

    张 颖 ,袁 文

    【关键词 】 脊柱;计算机辅助外科手术;神经导航

    【中图分类号 】R 687 . 3 【文献标识码 】B 【文章编号 】1672 - 2957 (2005) 01 - 0051 - 0054 - 04

    计算机辅助手术 ( computer aided surgery, or

    computer assisted surgery, CAS) ,也称为计算机导航

    手术、 影像导航手术 ( i mage - guided surgery, IGS) ,是近十年来脊柱外科迅速发展的一个领域。随着导

    航系统软硬件技术水平的提高 ,以及临床实践的反

    复论证 ,其直观、 客观、 精准的优势日益突出 ,但由于

    其成本高、 使用复杂 ,尚未能在临床广泛应用。本文

    将就 CAS的临床应用情况和技术进展进行综述。

    1 CAS的发展历史

    计算机辅助技术早在 1986年即开始应用于神

    经外科。1990年枢法模公司推出了第一台可用于

    全身的光学导航系统后 , Foley、 Steinmann等人相继

    开始尝试将这一技术应用于脊柱手术。最初完全沿

    用颅内手术方法 ,经技术改进后开始大量应用于脊

    柱外科临床实践。早期的应用集中在腰椎椎弓根螺

    钉导航[ 1, 2 ]

    ,以后逐渐发展到脊柱各个节段及多种

    类型手术[ 3, 4 ]。目前已有多种适用于脊柱手术的导

    航系统及相应软件。

    2 技术设备和原理

    CAS主要的设备包括三部分:摄像设备、 定位系

    统和计算机工作站。摄像系统有 CT、 MR I、 C型臂 X

    线机 (以下简称 C臂 )和最新的 3D - C臂 (3DRX) ,用以获得脊柱的解剖图像。定位系统有光学、 超声、电磁等多种类型 ,最常用的是光学定位系统 ,通过在

    脊柱和手术器械上贴附发光二极管 ( lighting emitted

    di ode,LED) ,摄像机捕捉 LED发射的红外线 ,并将

    其发送给计算机工作站。计算机工作站处理摄像系

    统和定位系统发回的数据 ,最终在屏幕上显示脊柱

    图像及器械的相应位置。

    了解 CAS的基本工作原理 ,有助于医生把握系

    统误差 ,更好地利用导航信息。 依据获得的脊柱影

    作者简介:张颖 (1980 - ) ,女,硕士在读,医师

    作者单位: 200003 上海,第二军医大学附属长征医院骨科

    像的信息 ,可以将 CAS的应用分为术前摄像导航和

    术中摄像导航。

    2 . 1 术前摄像导航 (以椎弓根螺钉为例 )

    [ 5, 6 ]

    摄像 术前拍摄患者脊柱手术节段的 CT或

    MR I图像,数据输入计算机工作站。

    骨表面识别 计算机根据设定的灰度阈值 ,识

    别骨骼表面。

    术前计划 在计算机图像中选出导航标志点

    (通常为明显的解剖标志 ,如棘突尖等 ) ,计算机确

    认后将术前的影像数据调整为接近手术体位 ,并计

    算出理想的钉道。

    注册和匹配 计算机将术中脊柱位置与术前图

    像整合的过程称为注册 ( registrati on) ,这一步在术

    中通过匹配 (matching)来实现。

    在术前选定的标志点上安装定位标志物 ( dy2

    namic reference base, DRB;或 dynamic reference ar2

    ray,DRA) ,系统获得标志点位置信息后 ,与术前影

    像中相应点的位置相比较并调整图像 ,这一过程称

    为点匹配 (paired - pointed matching)。在椎体表面

    另外选取 12个以上点让计算机定位 ,这一过程被称

    为面匹配 ( surface matching)。

    影像导航下植入椎弓根螺钉 这一步有两种模

    式可以应用:实时模式和导向模式。实时模式显示

    器械在术野内移动的过程 ,手术医生自行调整螺钉

    方向、 深度;导向模式由导向手柄依据系统确定的轨

    迹 ,自动植入螺钉。

    2 . 2 术中摄像导航

    在手术室摆好体位和植入标志物后再行 CT、MR I或 C臂扫描 ,步骤相对简单 ,无需术前摄片过

    程 ,只在常规手术中加装导航系统即可。CT和 MR I

    术中摄像可以明显减少注册难度、 提高精度 ,但需要

    特殊设备和相应的手术床。麻醉、 手术站位等细节

    都需调整 ,目前只有少数医院有条件实施[ 7, 8 ]。C臂

    导航系统在术中可随时透视 ,可同时显示多个不同

    角度的图像及器械的相应位置 ,其定位系统较术前

    · 15 · 脊柱外科杂志, 2005年 2月, 第 3卷 第 1期 J Sp inal Surg, February 2005, Vol 3, No 1

    ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net摄像系统多一个 C臂校正器 ,用以向系统提供透视

    时 C臂的空间位置 ,是目前常用的术中摄像导航

    系统。

    3 导航手术的应用概况

    3 . 1 椎弓根螺钉

    在这方面有大量的报道[ 9, 10 ]

    ,均认为导航技术

    可显著提高椎弓根螺钉的准确性。Braun等[ 11 ]

    总结

    75例此类手术 ,上颈椎所有螺钉导航下植入正确 ,但在腰椎仅有 84%的螺钉位置可靠。Ebmeier等[ 4 ]

    行 112例胸椎椎弓根螺钉手术 , 6 . 3%螺钉错位 , 11 .

    5%观察到微小的皮质穿孔 ,无神经、 血管和肺损伤。

    Kotani等[ 12 ]

    对颈椎椎弓根螺钉导航手术的对照研

    究中 ,导航组无神经、 血管损伤;而在常规手术中神

    经血管损伤发生率为 2%。但也有人置疑在临床研

    究中被认为“失准 (miss) ” 的螺钉与手术并发症的

    关系 ,认为考虑到应用导航技术的费用高、 技术性复

    杂 ,一味追求精确性意义不大[ 13 ]。

    3 . 2 上颈椎手术

    上颈椎手术解剖复杂 ,手术难度大 ,引入导航技

    术可降低手术风险。Fl orian等[ 5 ]

    总结对 115例寰

    齿关节半脱位患者的治疗经验 ,认为导航下行经关

    节螺钉较传统手术精度高 ,手术时间无明显延长。

    Veres等[ 14 ]

    利用 HALO固定架固定 C1, 2 ,借助 CT神

    经外科导航系统完成了 3例经口齿状突切除术。

    Vougi oukas等[ 15 ]

    在导航下成功切除了 2例枕颈交

    界处脊索瘤。

    3 . 3 其他手术

    Ohmori等人[ 16 ]

    报道了 3例胸腰段爆裂性骨折

    经导航系统行前路椎体切除术的成功个案。Woo2

    dard等[ 7 ]

    在 MR I辅助下行颈椎、 腰椎的多种手术 ,包括髓核摘除、 椎体切除、 椎间孔扩大、 椎板切除 ,认

    为提高了手术精度,MR I导航还可帮助术者掌握减

    压程度。Haberland等[ 17 ]

    应用 CT导航行 11例胸腰

    椎肿瘤手术 ,术后 8周随访卡氏评分由 63%升高到

    72%。Saghir等[ 18 ]

    将导航技术用于治疗类风湿性

    脊柱畸形 ......