计算机辅助导航系统在关节外科的应用

计算机辅助导航系统在关节外科的应用

目的 讨论计算机辅助导航系统以及在关节外科的应用。方法 数据库：Pubmed数据库，维普数据库，万方数据库。标签：中文关键词为”计算机辅助导航 关节外科 关节成形术 韧带重建”；英文关键词为”computer-assisted navigation system（CANS），joint surgery， arthroplasty， ligament reconstruction”。对检索到的文献进行综述。结果 关节外科作为骨科分支，其大部分手术需要放置内置物辅助治疗，因此手术不仅要求内置物稳定，同时还要求最大限度的恢复关节功能。随着20世纪计算机及医疗检查设备的不断更新，计算机辅助导航系统进入外科领域。针对目前常见的手术，比如：髋膝关节置换、交叉韧带重建，现有研究表明，计算机辅助导航能在微创下完成手术，减少手术并发症，提高假体的安放精度，最大限度的恢复关节功能。结论 计算机辅助导航系统虽然目前普及率不高，但该系统优化了手术方式，极大的满足了临床需求，改善了临床疗效。

标签：计算机辅助导航；关节外科；关节成形术；韧带重建

计算机辅助导航系统在近几年来发展迅猛，在整个临床医学领域中起到了里程碑式的作用。由于骨外科的特殊性，在骨科手术中更是应用广泛。因其具有高精确度、高安全性及高效性的特点，使其在骨外科手术中占有很高的地位。

随着医学影像设备的快速发展，计算机辅助导航系统逐渐应用在外科手术中，尤其在骨外科手术中的应用越来越广泛和成熟。骨科手术中所需要的骨骼、关节、肌肉的信息可以被X线、CT、MRI等医学影像设备实时、清晰、快速的反映出来，其完美的满足了骨科手术中关节外科的创伤小、精度高的要求，大大提高了手术质量，减少了手术风险。

1计算机辅助导航系统的基本原理

计算机辅助导航系统（computer-assisted navigation system，CANS）是一种利用数字化扫描技术（C臂影像、CT、MRI等）进行三维定位的系统，其将扫描出的患者的信息传输到计算机工作站，通过强大的中心计算机工作站的运算，迅速的完成图像处理，重建出较为准确的三维立体影像模型。而手术导航系统是通过DICOM 标准数据接口将影像信息经图像网络系统（PACS/RIS）输入到手术导航系统工作站内，根据数字化手术导航系统提供的相关个性化导航软件（根据每个科室或某类手术特点而定），经过高速的图像处理（包括图像融合、三维重建、图像分割、增强实现等）获得患者的三维虚拟解剖结构，辅助外科医生实施术前计划和手术模拟[1]。医生通过导航显示屏观察患者术中的情况，从而避免了术中遇到突发情况或有解剖变异的情况导致的手术失误。

2计算机辅助导航系统的分类

其分类方式多种多样，按照信号传导介质，分为光学定位、磁场定位、声波定位、机械定位；按照获取影像的建立，分为基于CT的导航系统、基于X线透

视的导航系统（分为二维导航和三维导航）、基于MRI的导航系统、完全开放式导航系统（非影像依赖导航系统）；按照与人的交互方式，分为主动式导航系统、半主动式导航系统、被动式导航系统。

3导航系统的研究概况

基于CT的导航系统：CT扫描时骨三维重建的主要手段，操作相对简单，是最早应用于临床的导航系统，主要用于腰椎弓根螺钉固定。随着技术的不断发展，逐渐延伸至关节、创伤骨科手术领域。术前进行CT扫描，然后将CT图像资料传人导航图像工作站而建立三维图像，同时术前可虚拟手术过程。术中通过位置示踪器获得手术图像与解剖结构之间的位置关系，并与术前CT图像进行配准，指导术者进行手术操作，准确地确定病灶区域或在术中避开危险解剖结构。但其缺点在于需要严格的配准和参照才能获得很好的图像，且无法实时显像，图像无法更新。

基于X线透视的导航系统：又可分为二维X线透视导航系统和三维X线透视导航系统。X线透视技术之所以引入导航系统，是由于移动透视装置（C臂机）在骨科手术中的广泛应用，该系统的关键是对传统的C臂成像系统进行内部校准，常规是在C臂的影像增强器一侧安装一个均匀网格分布的校正模板，经过插值算法对荧光透视图像进行几何矫正。典型的系统有美国的Medtronic系统、瑞士的Medvi-sion系统、德国的OrthoPilot系统等[2]。手术中可实时获得X线图像解剖结构及其与手术工具、c臂机之间的位置关系，便于术者对手术工具的判断和准确操作。三维X线透视导航系统于1999年见于临床，先获得二维图像，然后对二位影像进行重建，校正后的三维图像传入导航主机，显示图像后开始导航手术。其缺点在于术中只允许有极小的移动，否则将会有明显的影像漂移。经临床实践后发现，X线的三维图像质量较CT图像差。

基于MRI的导航也是在三维重建的基础上进行手术导航，但在目前的应用相对少见，主要原因是：该系统要求专用的手术室，且术中所用器械必须防磁，绝大部分医院都无法满足这两个条件。该系统虽然对软组织显示特别清晰，但对骨皮质的显影并不理想，这也在一定程度上限制了其在骨科的应用。但MRI下的导航能解决现有的红外线光学手术导航的影像漂移问题，这也是其一大优势。

非影像依赖的导航系统：对于解剖结构暴露充分的手术，可采用此导航系统，即在手术范围附近位置恒定的解剖标记上安装动态参考坐标系，利用标记点的空间运算确定解剖结构的空间位置，從而进行手术。

4计算机辅助导航系统在关节外科的临床应用

关节外科手术除了要求稳定的固定外，还需要术后良好的关节功能，若想最大限度的恢复关节功能，术中就要求极高的精确度。关节置换是关节外科中的常见手术，假体安放位置有着非常高的要求，在全膝关节置换中，下肢的力线是决定假体使用寿命的重要因素[3-5]。Kevin C.Anderson[6]等人，对比了116例在Stryker Orthopedics导航系统下完成全膝关节置换的病人和51例在传统器械定位

下完成全膝关节置换的病人的术后下肢力线偏离情况，偏离3°以内的比例分别是95%和84%，证实了手术导航系统能有效提高假体安置准确率。R P Pitto[7]等人，用英国利兹联DePuy公司Ci-CAS系统和美国佛罗里达州FARO-Arm这款坐标测量装置，用膝关骨模型进行实验，结果显示膝关节导航下测量的各项角度与坐标测量装置测量的角度发生偏差的度数<1°，在0.23°～0.77°波动，指出了导航下的测量与实际的数据偏差没有统计学意义。虽然有学者发现两种术式安放的假体在术后复片显示各个轴线没有明显差异，但同时也证明导航组下的各个轴线变异更小[8-9]。自微創全髋关节置换术开展以来，其手术创伤小、出血少、术后恢复快等优点使该手术方式使用越来越普遍，但该术式手术视野小，解剖标志不易判断，增加了假体放置偏差的风险，而导航的应用可以减少该风险的发生。WidmeT[10]认为髓臼假体安放于倾斜角30°～50°和前倾角5°～25°是人工髋臼位置的安全区域。郭晓忠[11]对比了47例53髋采用传统微创全髋关节置换术和40例53髋采用Soryker公司V-Xp型髋关节导航系统1.1版本软件辅助下行微创全髋关节置换术的结果，传统组术后髋臼倾斜角为28°～70°，平均（44.2±8.7）°，导航组术后髋臼倾斜角30°～54°，平均（40.6±5.1）°，仅1髋为54°，其余52髋均在30°～50°范围内。

前交叉韧带（ACL）作为膝关节的重要组成部分，伴随着运动损伤，ACL的损伤呈上升趋势，对其修复极其重要。ACL重建失败的因素包括：移植物的选择不当、韧带张力的不称、错误的固定方式、不良的功能锻炼，其中移植物放置不当是其中最重要的因素[12-14]。即使是经验丰富的关节外科医生，也会有超过30%ACL重建有超过3mm的偏差[15]，H.Hiraoka[16]等人对17人19膝采用美国美敦力Steslth Station ion计算机辅助导航对ACL重建，对照组15人15膝则采用非导航辅助的ACL重建，发现导航组的胫骨隧道与Blumensaat线的夹角更小，重建后的ACL更接近于生理解剖。

5讨论

一项新技术的诞生必然面临许多困难和挑战，不仅需要成千上万次的基础实验证明其安全性，还需要证明其广泛的临床应用价值。计算机辅助导航系统最早应用于神经外科[17]，20世纪90年代首次被引进骨科[18]。经历了近20年的发展，其优势显而易见，但在临床实践中，外科医生所关注的很重要的一点是计算机辅助导航的精度。导航精度的影响因素主要包括两点，其一为系统误差，是由于系统和仪器本身特性造成的，它们不依赖于操作者，是操作者无法控制的。而另外一些误差属于偶然误差，主要是由不正确的系统操作所引 起[19]。导航的应用目前尚未达到广泛的程度，尤其基层医院的应用很少，甚至在一些发达地区的医院也没有完全普及，究其原因主要为：①计算机辅助导航系统价格昂贵，基层医院无力负担；②该种术式技术含量较高，需要外科医生有较好的基础，且学习时间较长；③设备本身较复杂，操作步骤繁琐，且各个公司的产品有一定差异，尚无统一标准[20]；④目前该系统尚不能针对所有手术，更多的利用导航的手术方式处于研究及摸索阶段；⑤部分术者在术中不能及时正确的判断导航系统的误差，影响其进一步推广。伴随着现代科技的进步，关节外科与计算机的联系越来越紧密，不论是术前的诊断，还是手术过程，该数字化技术都能辅助外科医生精确的、及时的全方位了解疾病，以最短的时间、最小的创伤对疾病进行诊疗。

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