计算机导航在骨科手术中的应用与进展.pdf
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参见附件(228kb)。
文章编号: 1008- 5572(2005) 05- 0432- 04
计算机导航在骨科手术中的应用与进展
刘 巍, 尹芸生
(山西医科大学第二医院骨科, 山西 太原 030001)
中图分类号: R687. 3 文献标志码:B
计算机辅助骨科手术(Computer assisted o r thopedics
surgery, CAO S) 即利用各种影像设备如 CT、 MR I、 PET、DSA、 U S 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[ 1 ]。最早应用于神经外科领域的立体定
位, 肿瘤切除化疗等[ 2 ]。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, 使骨科手术变得更安全、更准确、更微创[ 3 ]。
1 基本概念
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3 种分类[ 2 ]
: a) SO ( surgical object)。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;
b)VO (vir tual object)成像设备。现在常用的CT、 X 线、 MR I、PET、 DSA 等影像设备, 可以实时准确地提供图像及数据; c)
NAV (navigato r)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。
除了以上3 种基本设备还必须有以下3 个条件: a)校准
(calibrat ion)。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, 是提高图像配准精度及定位精度的
第一步; b)配准( regist rat ion)。其目的是在VO 和术前图像的
基础上对手术器械定位, 提供相对应的定位显象; c) 参照
( reference)。动态参照系统(dynam ic 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。
2 工作模式
医生通过术前或术中X 线? CT? MR I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
在光学跟踪器的实时控制之下, 跟踪器能够精确地给出术中
解剖部位与多维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[ 4 ]。
3 基本类型
3. 1 CT 依赖的导航 CT 依赖的导航系统最早应用于神经
外科[ 5 ]
, 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D iGio ia 等[ 1 ]
开发的
H ipnav 系统,L anglo tz 等[ 7 ]
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入计算机中; 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[ 8 ]
和现在的面
匹配[ 9 ]。该导航最大的优点是可以获得良好的三维图像, 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
能获得更好的图像, 而且无法实时显像, 图像无法更新。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。
3. 2 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像, 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(L EDS) ,通过显示屏来配准[ 10 ]。其配准过程包括X 线的建模和补偿
由于C 臂转动带来的图像变形。示踪器安放在C 臂上, 可以
计算控制功能参数, 最先被Hofstet ter 使用[ 11 ]。通过C 臂的
转动获得图像, 是一对多维的图像, 相当于使用了多个C 臂,这是二维显像的一个优势。另一个优势是图像可以更新, 随
时可以获得最新的图像, 有利于复杂骨折的复位。现在二维
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。
3. 3 三维X 线依赖的导航 1999 年, 三维依赖的导航开始
应用于临床(德国西门子公司)
[ 12 ]。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像。大约
可以旋转190° , 可以达到CT 一样的显像效果。每一次旋转可
以获得50~ 200 套二维图像。把骨骼放在C 臂中心, 通过图像
数据综合, 来获得高分解的三维图像数据[ 13 ]
, 其中容量扫描
的准确性是成功的关键。三维X 线依赖的导航还可以实时显
像, 所以前景非常广阔, 是计算机导航的发展方向。
3. 4 非图像依赖的导航 这种导航没有具体的图像, 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
· 234 · Journal of P ract icalO r thopaedicsVo l . 11,No. 5,O ct . 2005 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[ 14 ]。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像、数据参数、表面形态和尸体模型。在术中通过各解剖区的点
数据对应来达到导航作用。要作到微创很难, 必须借助二维
和三维图像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[ 15 ]
于1995 年最早应用
于交叉韧带重建。
4 临床应用
4. 1 脊柱外科 CAO S 在脊柱外科应用最广泛, 而且发展
最快, 1994 年正式用于临床[ 16 ]。No lte
[ 6 ]
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: a)依赖
CT 的导航。如椎弓根螺钉的置入[ 17 ]
, 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3~
6 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 良好的三维图像, 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, C1、 2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[ 18 ];
b)依赖X 线的导航。术中通过X 线获得图像, 然后通过计算
机工作中心设计引导下置入椎弓根螺钉。不需要术前模拟,而且术中图像可以更新, 但是无法得到良好的三维图像。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。
4. 2 微创骨科 随着微创的要求变高和X 线的局限性, 计
算机导航在创伤骨科的应用将更加广泛, 主要集中在骨盆骨
折[ 19 ]
和长骨骨折 ......
计算机导航在骨科手术中的应用与进展
刘 巍, 尹芸生
(山西医科大学第二医院骨科, 山西 太原 030001)
中图分类号: R687. 3 文献标志码:B
计算机辅助骨科手术(Computer assisted o r thopedics
surgery, CAO S) 即利用各种影像设备如 CT、 MR I、 PET、DSA、 U S 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[ 1 ]。最早应用于神经外科领域的立体定
位, 肿瘤切除化疗等[ 2 ]。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, 使骨科手术变得更安全、更准确、更微创[ 3 ]。
1 基本概念
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3 种分类[ 2 ]
: a) SO ( surgical object)。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;
b)VO (vir tual object)成像设备。现在常用的CT、 X 线、 MR I、PET、 DSA 等影像设备, 可以实时准确地提供图像及数据; c)
NAV (navigato r)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。
除了以上3 种基本设备还必须有以下3 个条件: a)校准
(calibrat ion)。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, 是提高图像配准精度及定位精度的
第一步; b)配准( regist rat ion)。其目的是在VO 和术前图像的
基础上对手术器械定位, 提供相对应的定位显象; c) 参照
( reference)。动态参照系统(dynam ic 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。
2 工作模式
医生通过术前或术中X 线? CT? MR I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
在光学跟踪器的实时控制之下, 跟踪器能够精确地给出术中
解剖部位与多维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[ 4 ]。
3 基本类型
3. 1 CT 依赖的导航 CT 依赖的导航系统最早应用于神经
外科[ 5 ]
, 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D iGio ia 等[ 1 ]
开发的
H ipnav 系统,L anglo tz 等[ 7 ]
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入计算机中; 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[ 8 ]
和现在的面
匹配[ 9 ]。该导航最大的优点是可以获得良好的三维图像, 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
能获得更好的图像, 而且无法实时显像, 图像无法更新。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。
3. 2 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像, 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(L EDS) ,通过显示屏来配准[ 10 ]。其配准过程包括X 线的建模和补偿
由于C 臂转动带来的图像变形。示踪器安放在C 臂上, 可以
计算控制功能参数, 最先被Hofstet ter 使用[ 11 ]。通过C 臂的
转动获得图像, 是一对多维的图像, 相当于使用了多个C 臂,这是二维显像的一个优势。另一个优势是图像可以更新, 随
时可以获得最新的图像, 有利于复杂骨折的复位。现在二维
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。
3. 3 三维X 线依赖的导航 1999 年, 三维依赖的导航开始
应用于临床(德国西门子公司)
[ 12 ]。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像。大约
可以旋转190° , 可以达到CT 一样的显像效果。每一次旋转可
以获得50~ 200 套二维图像。把骨骼放在C 臂中心, 通过图像
数据综合, 来获得高分解的三维图像数据[ 13 ]
, 其中容量扫描
的准确性是成功的关键。三维X 线依赖的导航还可以实时显
像, 所以前景非常广阔, 是计算机导航的发展方向。
3. 4 非图像依赖的导航 这种导航没有具体的图像, 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
· 234 · Journal of P ract icalO r thopaedicsVo l . 11,No. 5,O ct . 2005 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[ 14 ]。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像、数据参数、表面形态和尸体模型。在术中通过各解剖区的点
数据对应来达到导航作用。要作到微创很难, 必须借助二维
和三维图像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[ 15 ]
于1995 年最早应用
于交叉韧带重建。
4 临床应用
4. 1 脊柱外科 CAO S 在脊柱外科应用最广泛, 而且发展
最快, 1994 年正式用于临床[ 16 ]。No lte
[ 6 ]
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: a)依赖
CT 的导航。如椎弓根螺钉的置入[ 17 ]
, 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3~
6 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 良好的三维图像, 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, C1、 2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[ 18 ];
b)依赖X 线的导航。术中通过X 线获得图像, 然后通过计算
机工作中心设计引导下置入椎弓根螺钉。不需要术前模拟,而且术中图像可以更新, 但是无法得到良好的三维图像。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。
4. 2 微创骨科 随着微创的要求变高和X 线的局限性, 计
算机导航在创伤骨科的应用将更加广泛, 主要集中在骨盆骨
折[ 19 ]
和长骨骨折 ......
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