计算机辅助外科技术在矫形手术中的应用

　　［关键词］  计算机辅助设计;矫形外科学;综述

　　20世纪80年代以来，随着计算机技术与医学三维影像技术的迅猛发展并相互渗透，产生了计算机辅助外科（CAS）技术，并迅速应用于临床。在矫形外科领域，CAS技术主要用于骨关节创伤,复杂骨畸形,人工关节假体的选择，骨肿瘤位置、范围和性质的测定，这些技术极大地提高了手术的精确性和可靠性，从而使得传统的矫形外科手术发生了深刻的变革［1］。本文主要对CAS技术在矫形手术中的应用作一综述如下。

　　1  CAS技术简介

　　CAS技术产生于20世纪80年代的欧洲和北美，此后在实验研究和临床实践中显示了其良好的应用前景并获得了快速发展。目前，CAS技术是一种融医学影像技术、计算机技术于一体的高科技成果，此技术为临床外科医生提供了这样一种工作平台:基于计算机对大量医学图像信息的高速处理及控制能力，可以将诊断、先进的治疗设备和外科技术有机地结合起来，充分利用信息使病人获得安全、精确、微创的手术治疗。它涉及到机器人、图像处理、虚拟现实、电子通信以及微创手术等诸多内容，是一种能进行人机交互的系统。通过合理、定量地利用多模数据和导航系统，进行外科手术的设计、干预和评价，为外科医生辅助手术设计与手术实施提供了强有力的工具［2］。

　　CAS技术的基本组成包括成像设备、立体定位系统、计算机工作站、医用机器人等，根据各个手术系统完成任务的不同，由不同的软件支持，但其主要的工作模式相同，即数据的获取和建模、术前计划和模拟、术中导航和干预。尽管如此，图像处理质量的高低直接关系到CAS技术实际应用效果的好坏，因而成为近年来的研究热点，新的成像技术也不断被开发，如螺旋CT的多平面重建在矫形外科领域中已经得到广泛应用［3］，并且已有学者把三维CT信号与MRI、PET、DSA的信号结合起来进行新的图像重建，获得了更详细、更精确的图像，从而为CAS图像技术的发展开拓了新的研究领域。

　　2  CAS技术在矫形手术中的应用

　　当前，应用于矫形外科领域的CAS技术主要包括计算机辅助手术设计模拟系统（CADS）、计算机辅助立体定向导航手术系统（CASS）、计算机辅助制作系统（CAMS）。

　　2.1  CADS及其应用

　　CADS由VANNIER等首次应用于临床。在矫形外科领域，它基于计算机图像技术，形成手术部位的逼真的三维图像，术前在三维重建图像上复习理解局部解剖结构和相关病理改变，对病情进一步评估。在此基础上进行手术的模拟和演练，如设计好手术入路和手术方式，选择需要内固定的骨块，设计钢板放置的位置，选择钢板的种类，确定螺钉的长短、进针方向及进针位置，以及是否需要植骨、截骨的平面和假体安放的位置等等，具有立体、直观、准确、全面的特点。此外与外科手术模拟相比，计算机模拟显著缩短了实际手术时间，减少了病人经济支出，因而具有突出的优点［4］。

　　具体说来，CADS可使矫形外科医师利用计算机图像技术进行图像重建，从而可以清楚地观察复杂部位的病变。例如髋关节、膝关节结构复杂，常规X线片及普通CT图像均为二维影像，不易显示真实情况，而三维图像则弥补了上述不足，可以直观病变与周围结构的立体关系，图像显示全面、清晰。张峻等［5］利用三维CT重建图像对21例胫骨平台骨折病人进行了三维空间的分型，他们取胫骨平台俯视图，将胫骨平台面分为4个象限，根据胫骨平台劈裂或塌陷主要累及的象限，将骨折进行归类，据此采用相应的手术入路，切开复位内固定，取得良好疗效。在脊柱手术方面，CADS技术最早应用于椎弓根螺钉植入术。利用计算机形成的三维重建图像能比X线平片、常规CT、MRI更好地显示脊柱的复杂骨性结构和空间关系，可辅助放置固定螺钉。1995年NOLTE等［6］最早开始在实验室进行计算机辅助下的椎弓根螺钉植入术实验，以后许多作者报道了临床应用情况。BIMBAUM等［7］对有和无计算机辅助的手术治疗病人的椎弓根螺钉位置进行了比较，证明了计算机辅助能减少椎弓根螺钉不正确置入的发生率，可减少术后严重并发症的出现。此项技术安全、精确，可以应用于脊柱侧凸、脊柱滑脱等脊柱疾患治疗中。在全膝关节置换、交叉韧带重建手术上，此技术也显示出了很好的应用前景。

　　另一方面，CADS借助逼真的三维图像有助于对现有的骨折分型方法进行一些新的补充，从而完善了现有的骨折治疗方法。例如，Pilon骨折往往伴有下胫腓联合韧带的损伤，术前通过下胫腓关节切线位三维图像的观察，可以评估有无下胫腓关节间距的增宽，分析有无下胫腓关节损伤。这种并发下胫腓关节损伤的Pilon骨折，其治疗和预后各不相同，所以理应作为Ruedi分型的一种补充。

　　2.2  CASS及其应用

　　20世纪80年代后期，CT和三维影像技术的发展使颅脑重要解剖结构及相互关系得以清晰显示，其立体定向导航手术的潜力亦被逐步开发，并且较多地应用到涉及颅骨的神经外科手术中，从而导致了外科手术模式的深刻变革。近年来随着导航系统软、硬件设施的不断发展和改进，目前，根据各个手术系统功能的不同可分为三种导航方式：图像依赖导航［8］、X线导航［9］、非图像依赖导航［10］。

　　近来，此项技术在矫形外科领域中的发展非常迅速，在脊柱外科，髋、膝关节置换，骨盆骨折等方面开始应用，显示出其强大的术中实时导航能力，从而对矫形外科的发展产生了深远影响。例如，在全膝关节置换术中，最关键的是确定假体的位置和轴线，否则会增加假体的磨损以致发生假体松动，出现功能障碍等。术中应用此技术可以计算髋、膝、踝关节中心的位置移动，确定股骨、胫骨的力学轴线，在显示屏上显示截骨平面和截骨导引器械，术者可以准确地进行操作。现以最新的CASS为例简述其在髋臼骨折内固定手术中应用的大体步骤和方法［11］。

　　2.2.1  原始资料的获取  术前以标准方法获取原始CT数据资料，经网络传输至三维图像工作站。

　　2.2.2  资料的加工处理  计算机输入原始资料后，导航软件对这些资料进行记录、标识、分析，形成冠状位、矢状位的重建图像和骨盆的三维重建图像。且导航软件具有这样的特点，操作者可以任意取舍重建图像中的某一部分，这就使得医生可以方便地舍弃图像中那些不需关心的部分，如股骨近端、肠管和膀胱的交叠图像，甚至正常的半骨盆图像，这对于观察髋臼的骨折类型和骨折块相对于周围正常解剖结构的空间位置是非常有用的。

　　2.2.3  术中实时立体定向导航  CASS的硬件包含一个双头的光学摄像机、显示器和无菌“Y”形探头。术前先行导航模拟，明确手术器械进入髋臼的路径并显示其与CT或MRI等虚拟影像中解剖结构的关系；术中这些虚拟影像实时覆盖于头端相机所摄取术区实况影像上并显示于术者头端显示器上，随着导引器械的进入，反复调整配准计算机虚拟影像引导螺钉抵达预定标记的盆壁结构，对破裂髋臼进行准确复位、可靠的内固定，在术中有效地克服了因髋臼部位结构复杂、暴露困难而给医师带来的一系列难题，并明显减少了螺钉穿透骨盆壁等并发症的发生，顺利安全地完成手术。

　　另外，此技术在矫形外科领域中的应用不仅在于手术准确定位，最大限度地减轻手术病人身体上的痛苦，而且由于计算机控制的手术器械或机器人的参与，为矫形外科医生提供了第三只眼睛和手，从而促进了微创治疗的发展。例如，在新近开展的骨折的微创治疗中，经皮骶髂关节内固定［12］、经皮骨盆骨折内固定［13］、长骨干骨折的复位和固定，一般都是通过“C”形臂或者CT进行导航的。利用此技术复位骨折，术中可以不用直视而取得和直视下相同的复位效果。

　　2.3  CAMS及其应用

　　CAM是CAS应用的主要技术之一，其主要方法大致分为3种：①直接制作法；②间接制作法；③激光立体制版法［3］。文献报道了利用数控技术根据CT所获信息定制股骨假体，BIANCHI等［14］把髋关节实体与根据3D CT制作的模型比较，发现其空间错误率为0.2%～8.5%，在几何学上变形较小，从此此项技术得到了快速发展，并在矫形外科中应用开来。20世纪，特别是近年来图像工作站和软件技术的不断改进，国际上不少矫形外科中心已将计算机辅助设计构建成的三维蓝图作为人工假体制作的主要依据。

　　目前在矫形外科领域，此技术较多地应用于骨盆、髋、膝关节等部位人工假体的制作中。对于人工髋关节假体而言，股骨上段髓腔形态结构与股骨假体柄的形态是否匹配及匹配程度是假体柄使用寿命的关键，良好的匹配可以起到早期稳定的作用，更是长期稳定的基础，而且有利于骨长入，减少磨屑的形成和磨屑的流动，阻止假膜形成和减少骨溶解，延长股骨假体的使用寿命［15］。普通的非骨水泥假体髓腔占有率低，不能与髓腔良好匹配；解剖型假体是根据大多数人髓腔大体基本形态设计的假体，在横截面上相差很大，不是真正的解剖型假体，不能完全适合每个个体的髓腔，因而传统假体的精确度偏低。但是，如果采用计算机辅助的CAD/CAM技术，可以再现病人的髋关节，做出定制型的更符合病人自身解剖结构关系的人工髋关节［16］，极大地减少了误差。在微动、匹配和髓腔占有率方面，CAD/CAM个体化假体都优于其他两个类型假体。从理论上讲，CAD/CAM个体化假体是最理想的生物固定假体。WAIDE等［16］指出，采用CAD/CAM技术制造定制型全髋关节假体，可有效提高假体骨结合面的匹配度，使股骨近端负荷传递、应力分布接近正常，并能有效地控制垂直和旋转微动，提高假体的长期稳定性。此技术在骨盆假体的设计制作中也有非常广泛的应用，并积累了丰富的经验。徐卫东等［17］在髋关节计算机三维重建的基础上，通过此技术研制出了新一代人工半骨盆，并首先提出椎弓根螺钉固定半骨盆具有较好的稳定性。应用CAD/CAM技术定制的人工髋臼则能符合不同病情的需要，可重建髋臼窝和周缘的完整性，防止植骨块移位或塌陷，使手术难度减小［18］。

　　3  CAS技术的应用前景

　　总而言之，计算机技术和医学三维影像技术的迅猛发展以及在矫形外科的应用，开创了矫形外科电子交互式模拟现实技术的新时代，这必将极大地促进矫形外科的发展，而矫形外科自身的发展也将对CAS技术提出更高的要求。为此，今后一方面应对现有的计算机软硬件设施加以改进，例如系统的精确性、机器人的安全性以及人机交互等问题。另一方面，CAS技术需要与诸如通信技术、工程技术等其他技术的交叉和融合，例如，如果CAS技术与通信技术相融合，将可通过虚拟医院，对生存人口稀少的边远地区、海底及宇宙空间的病人进行远距离手术。相信随着科学技术的发展，计算机辅助外科技术在矫形外科领域中的应用前景将更加广阔。

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　　（本文编辑厉建强）

　　（潍坊医学院整形外科医院外科，山东 潍坊  261042）