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【摘要】 [目的]精确的下肢力线和假体的摆放位置是全膝关节置换成功的关键。计算机导航辅助全膝关节置换的出现使之成为可能，并得到了不断改进和发展，获得了令人满意的治疗效果。导航新技术不断开发使计算机的运行环境和操作界面更加友好，为广大学者普遍接受。随着这一技术的进一步完善，计算机辅助手术必将成为全膝关节置换标准方式。未来的研究重点是，开发更小创伤的示踪器固定系统、电子平衡测量仪和智能化截骨锯等。并通过开发影像依从和非影像依从两种方法联合的影像加强导航系统，架起从现有技术向机器人智能化转变的桥梁，以实现完全通过机器人来完成手术操作的最终目标。
【关键词】 关节置换; 膝关节; 计算机辅助手术; 手术技术
Current concept and overview of the technique of computerassisted surgery(CAS) for total knee arthroplasty∥LI Xiaohui.Center of Joint Surgery, Tianjin Hospital, Tianjin 300211,China
Abstract：Accurate alignment of knee implants is essential for the success of total knee replacemem.Recently, computeraided navigation systems have become available, and the results showed more accurate and consistent installation of knee implants. The technology has evolved rapidly with widespread and continue to be developed.The current computer environmem and graphical user interface will become more user friendly and thus gain more widespread acceptance among experienced surgeons With this technology growing and systems evolving,computerized navigation will become the standard of care in knee reconstructive surgery. The key of future studies is to evove less invasive tracker anchoring systems, electronic balancers and computerized saws. A hybrid technique between imagebased and imagefree methods may develop to produce imageenhanced navigation. It should be an intermediary step between current technology and a fully robotic system.
Key words：arthroplasty; knee joint; computerassisted surgery; surgical technique
人工膝关节置换开始于20世纪60[1,2]年代末期至70年代中期，经过不断地改进和完善，已逐步发展成为膝关节晚期病损的经典手术方法。但临床上仍存在着假体位置不佳，软组织平衡和髌骨轨迹不良等情况[3～6]。由于膝关节的特殊性，尤其是严重内外翻畸形及关节失稳等，给精确的定位、截骨、假体的选择和置入带来了一定的难度。计算机辅助人工膝关节置换手术系统的出现，突破了传统术式的局限性，在下肢力线的正确重建、假体的准确置入、屈伸间隙和韧带平衡等方面获得了传统手术难以达到的效果[7]。短短的几年内，这一技术便得到了不断的改进和发展，同时不断开发新的硬件和软件系统，使得这一技术运用于膝关节置换的整个手术过程中。成为现代骨科一种重要的辅助工具。
1 历 史
自1906年[8]，神经外科首次报道应用立体定位技术以来。大约一个世纪后，脑外科医生发明了导航技术，用于术中辅助大脑肿瘤的切除。该技术的出现是外科医生、工程师和计算机科学家合作的产物。其后，随着这一技术的不断成熟，以解剖为基础的注册、术中光学传感以及辅助定位技术的应用，使其在骨外科领域得到了推广[9]。
William Barger于1989年首次应用机器人系统辅助全髋关节置换。DrDiGioia[10]应用影像依从性导航系统进行全髋置换时髋臼假体的定位。计算机导航辅助假体定位技术在骨科领域中的应用，加快了骨科计算机化的进程，具有广阔的发展前途。
导航辅助膝关节置换的初次应用，是作为膝关节运动学和软组织松解的研究工具时开始的。在尸体实验成功的基础上，进行了改良，并应用于患者膝关节置换。1998年Delp等[11]，1999年Krackow等[12]报道了非影像依从膝关节导航系统的应用，将运动学模型应用于全膝关节置换中，取得了满意的治疗效果。
计算机辅助导航系统的开发应用基于两种概念：即影像依从或非影像依从。这两种不同理念的差别是，影像依从性导航的注册过程是通过影像资料(CT或X线透视)，而非影像依从性系统则直接对解剖结构进行数字化处理。对于膝关节置换来说，非影像依从系统因其经济、便捷和准确的特点，更具有适用价值[13]。2001年美国FDA批准了膝关节导航在人体的应用以来，计算机导航的种类和数量都发生了翻天覆地的变化，其应用数量成指数增长。这一技术的功效也明显高于传统膝关节置换技术[1,2,12,14]。
近年来，计算机辅助导航系统硬件和软件的开发得到了飞速发展，导航硬件不断改进，导航软件版本不断升级。除了辅助截骨模具，截骨平面和假体的配准基本目标外，软件开发的重点集中于人机互动及屈伸间隙平衡等方面。
2 分类及特点
计算机辅助人工膝关节置换手术系统，按是否应用机器人及其自动化程度分为：(1)全自动系统：术前由术者设计好手术计划，术中在术者的监视下由机器人自动地完成手术操作;(2)半自动系统(如控制性动力臂)：在术者的参与下，由系统按术者的预定计划完成手术操作：(3)从动系统：操作由术者来完成，系统为术者提供可视性信息，进行导航和监控。从动系统按是否采用术前CT等影像资料又分为影像依从系统和非影像依从系统。影像依从系统的注册过程是通过CT或X线透视等影像资料来实现。非影像依从系统直接对解剖结构进行注册和数字化处理。本文重点介绍非影像依从系统的特点，其在定位方式、人机互动、数据传输和软件的兼容性等方面存在实质性的差别。
2.1 定位方式
定位方式是计算机在手术过程中识别和跟踪的方法。定位包括从动和主动定位两种方法。从动系统由摄像设备发射红外线光束，通过固定在胫骨、股骨定位器上的反射装置，被动地反射回摄像设备上。该系统容易受回声表面血液、水的干扰。相反，主动定位系统定位器的发光二极管发射红外线，通过摄像仪直接接受数据。该系统更为可靠，而且不容易受到干扰。第三种为电磁定位器，但其在金属仪器和内植物存在时受到明显干扰。
2.2 人机互动方式
有的系统使用触屏，这种方法因为需要另一个助手操作计算机，对术者来说不很实用。使用脚踏开关也不实际，因为在膝关节置换时术者要常常变换体位。无线手动指示器是导航系统另一种人机互动方式，该方法允许术者在任何无菌位置操作计算机，就如无线计算机鼠标一样，因此更为方便。
2.3 数据传输
数据传输是无菌手术野与仪器设备数据交换的方法。包括有线和无线两方法。有线系统很不方便，而且要考虑无菌问题。相比之下，无线系统更为理想，导航设备在手术野中容易组装，而且固定胫骨、股骨定位仪的锚定装置具有固定可靠、使用方便、产生应力骨折的风险低等特点。
2.4 软件兼容性
导航软件可以是闭合操作平台，也可以是开放平台。闭合平台指软件的应用限制于单一特征的膝关节假体。而开放平台，指应用系统可以用于任何一种膝关节假体。大多数医院使用的是开放平台软件。
3 基本原理
计算机技术特点是通过个体化的设计和实时导航，给术者提供用来确定假体位置和下肢力线的相关信息。对截骨、软组织张力、下肢对线等数据进行量化。并根据术中具体情况确定是否存在信息误差进行及时修正[14～19]。操作步骤包括三步，分别称为注册、术中导航及实时监控、术中结果确认。必须注意解剖标志的准确录入，该数据是计算患肢标准生物力学轴线的依据，录入不准确可致误差，甚至使导航手术无法正常进行。
3.1 注册
除了电磁跟踪和萤光透视跟踪系统外，目前最常用的是光学跟踪系统。其中从动系统的红外线光束由计算机产生并照在被动回声标记器上，再反射回计算机;主动系统由发光二极管产生光束，由计算机接收。通过三角测量方法为计算机提供骨结构和位置的相关信息。注册过程分为三步：(1)确定下肢力线，通过髋关节全范围活动确定髋关节中心。然后注册膝关节中心，计算股骨的轴线。并通过对内外踝和前交叉韧带止点的注册来确定踝关节中心和胫骨机械轴线。系统分析下肢力线;(2)采集表面解剖信息，轴线确定后，对膝关节的表面解剖进行注册，采集信息，综合分析。确定假体的大小和安放位置，决定截骨的厚度;(3)生成手术计划，最后，计算机把注册时所获取的相关信息进行综合，自动生成患者的手术计划。这一计划适应性特别强，术中可根据术者的意志进行实时调整。包括假体的尺寸和安放位置，及截骨厚度等。
3.2 术中导航及实时监控
在导航引导下，按照手术计划进行截骨。电脑屏幕上显示出每一步的结果及其偏差情况，可根据术中具体情况实时调整手术方案，从而取得预期的手术目的。计算机可以实时反映患者解剖及截骨情况，医生通过屏幕实时获得信息支持，实现人机互动，为手术计划的实施和及时调整提供方便。这是传统手术方式无法达到的。联合使用张力测量仪，计算机还可以帮助医生顺利完成软组织松解和韧带平衡。
3.3 术中结果确认
计算机对假体的位置，软组织平衡等进行评估。并在屏幕上显示出来。下肢对线、假体位置、内外软组织平衡、屈伸间隙等以数值方式或图形方式记录。这些信息可以存储下来，用于和临床及X线结果进行比较。
4 技术特点
目前，非影像依从导航技术具有经济、快捷及准确的特点，更常用于膝关节置换，是20世纪70年代后期Insall的传统屈伸间隙平衡技术和20世纪80年代中期Hungerford and Krackow[20]截骨技术和计算机导航技术的结合。该系统通过平衡/张力装置来实现对软组织张力的测量，其测量屈伸间隙的精确度达1 mm，侧副韧带平衡以度计算。力线和软组织平衡在整个手术过程中都可以实时调整。
导航仪的置放位置不同的系统稍有差别，一般情况下置于患者对侧，摄像设备与膝关节呈45°。计算机屏幕最佳的位置是在患者头的上方，这样既方便，又不影响术者的视野。用来固定发光二极管的导航示踪器通过锚定针经皮固定于股骨下段皮质。髋关节中心通过髋关节的全范围三维活动来确定。显露膝关节后，用数字化的指示器录入解剖标志，包括上髁连线轴、Whitesides线、股骨及胫骨中心、胫骨旋转轴、内外踝。并采集股骨和胫骨的表面解剖信息，提供膝关节外形资料，并进行数字化处理。整个过程包括初始化、数据录入、及数字化处理三个过程。
精确复杂的术中数据分析是通过导航软件来实现的。屏幕上显示膝关节的初始运动轴，术者可以观察患者整个活动范围的畸形变化。初始运动数值可通过表格或图形方式显示。这有助于医生评估畸形的特点和程度，从而确定恰当的软组织松解和截骨水平。一般情况下先行胫骨近端截骨。其优点为，胫骨截骨线与机械轴垂直，得到水平基线，这样在伸直和屈曲90°时都可测量屈伸间隙和侧副韧带张力。因为间隙的不平衡将会影响截骨水平。如：当伸直间隙大于屈曲间隙时，应减少股骨远端的截骨量。
截骨通过截骨模板的导航实现。将示踪器连接在截骨模板上。股骨远端截骨时，截骨模板置于远端股骨的内侧。然后，通过导航仪确定股骨旋转和前后位置，其与旋转和前后位置有很好的适应性。医生可以轻轻调整股骨假体位置来获得良好的软组织平衡。截骨完成后，平面测量器平放于截骨面上再次测量截骨的精确性。如果有必要，还可以使用骨锉，以进一步矫正(0.5～1°)。
应用平衡/张力装置测量屈伸和内外侧间隙。必要时进一步松解软组织。当间隙和侧副韧带平衡满意后，安装试模，测量膝关节运动学数据和曲线(试模运动曲线)。该曲线对评价内外侧间室软组织松弛具有重要作用。最理想的曲线是，在完全活动范围内，曲线相对平行一致。运动学数据对评价任何残留的屈曲挛缩也同样有用，如肥胖病人，如果没有导航，残存的屈曲挛缩是特别难观察到的，在应用骨水泥固定假体过程中，导航还可调整股骨的力线。常规骨水泥固定股骨假体时，因为使用骨水泥不当，或压力不平衡而致的股骨远端内外侧骨水泥厚度不一致，可以存在达到3°的偏差。因此在骨水泥固定过程中，应用导航监测可以避免不必要的力线改变。
总之，在每一个关键步骤，都可通过非影像依从性导航技术来达到良好的和精确的骨与软组织调整。由于增加了术中对线、间隙张力、运动学调整数据的及时和量化能力。术者才可以达到预期的手术目标。
5 优 势
膝关节置换后患者的满意度也是一个不容忽视的问题。与髋关节置换不同，患者对膝关节置换后的满意度一般不高。文献报道有1/3膝关节置换的病人不满意，这与医生的客观评价结果存在不一致。这是因为他们关心和侧重点不同。提高手术技术，从基础和应用两方面着手，多学科多领域共同协作，攻克这一重大难关，取得更为满意的治疗效果，离不开广大同道的长期努力。导航技术在膝关节置换术中所表现出来的优势，使这一愿望存在可能。
5.1 精确的下肢对线和良好的软组织平衡
影响人工膝关节置换临床疗效的主要因素包括准确定位截骨与假体植入、等距伸屈间隙及软组织平衡和稳定。正确的下肢力线是减少远期磨损、骨吸收、假体松动发生的关键因素。计算机膝关节导航系统的解剖定位及力学轴线的计算精度极高，定位误差<1 mm，力学轴线误差<1°[7]。在截骨前、假体试模安装和假体固定后三个时间点，进行膝关节全范围内的被动屈伸活动，同步记录并显示膝关节活动过程中内、外侧间隙及股骨与胫骨相对位置的变化数据。必要时进一步松解软组织。当间隙和侧副韧带平衡后，置放试模。并测量膝关节运动学数据值和试模运动曲线。在骨水泥固定过程中也可进行导航监视，避免不必要的力线偏差。
5.2 并发症发生率低
术中不需要髓内定位，不必打开髓腔，减少了术中出血和脂肪栓塞发生的风险。手术后的感染率、引流量并无明显变化，康复时间和过程亦无影响。研究表明导航止血带时间平均增加11 min，这是可以接受的，并不会增加相关并发症的发生率[12]。导航手术的相关危险是，在安放示踪器固定针时损伤血管神经或引起假体周围骨折。锚定针穿过过度，特别是在股骨，要特别注意股动脉近侧肢的损伤。到目前为止还没有关于血管损伤并发症发生和报道。唯一有关膝关节导航并发症的报道是股骨应力骨折[22,23]。
5.3 中远期结果更好
研究表明依赖CT的导航组膝关节评分明显高于传统手术。X线观察，在冠状面胫骨对线、冠状面股骨对线、矢状面股骨对线等方面，导航组比非导航组的偏差小，力线偏差在3°以内者导航组84%，非导航组95%[18]。另一方面，不论是影像依从导航还是非影像依从导航都可以取得良好的假体位置和合理的手术时间。但非影像依从系统节省了CT费用及手术时间。因此应用前景更好。非影像依从导航与传统技术相比，临床结果好、切口小、假体移位率低。除了改善下肢力线和假体对线外，失血量明显减少[24]，血栓形成明显下降[25]。这主要是因为不使用髓内定位，不扩髓，截骨对线改进后软组织松解不过度。近年来计算机辅助导航的潜在成本效率也进行了阐述，因导航所增加的成本与远期翻修率下降的潜在价值相比，其成效是完全可以相抵的[2]。
5.4 适用于微创及全膝关节翻修
计算机辅助技术还可以应用于微创技术，影像上达到精确对线，促进早期功能恢复[1]。同时，这一技术也适用于翻修术中确定正确的截骨厚度和角度。在这种情况下，注册时要以松动假体的表面为参照。计算机生成手术计划后，取出松动的假体，再确定取出假体后的骨表面。然后在计算机导航辅助下截骨，对间隙进行量化，避免了屈伸不对称和髌骨的过高和过低等。如肥胖和其他股骨或胫骨明显畸形， 为机械定位系统的禁忌证，而导航系统却显示出其特有的优越性。
6 不足与展望
计算机辅助全膝关节置换是一个新兴的和不断发展的学科，作为一种初期的技术，具有潜在的优势。目前的导航系统可能会被电磁跟踪或其他种类的注册和跟踪系统所取代。计算机环境和用户界面将会更加友好，并为大多数学者普遍接受。术前计划的改进、术中数据的采集、术后确认和临床结果都有待进一步改进。
随着计算机导航技术的进一步完善，手术工具和假体的设计亦需要改进。技术开发首先要克服注册和图像接口的难关。而且，对于初学者来说，还需要克服学习曲线的难关。导航技术需要标准化，更多的资料都要忠实于设计要求。一方面，通过改进示踪器锚定系统以减少创伤，如减少应力骨折的发生。另一方面，使计算机导航系统硬件(如骨锯和骨钻等)智能化，并没定这种硬件的界面标准。这样，骨锯在接触周围软组织结构时会自动停止工作。随着这一技术的更加完善和医生经验的不断成熟，还有可能把这些工作交给机器人。使得膝关节置换速度更快，而且使用工具会更少。有可能的情况下，还可以改进张力/平衡装置，使其计算机化，这将会测量完全范围活动过程中软组织的张力和接触应力。最后，我们还应强调，数据的录入可以通过MRI影像资料。通过影像依从和非影像依从方法的混合，开发影像加强导航系统。这是一种潜在的中间过程，起到与现有技术与完全机器人系统的桥梁作用。膝关节置换从机械方法到完全计算机化的不断转变，将会刺激新的技术和设备仪器的发展，加快膝关节置换设计的革新周期。同时也必须注意，计算机不可能独立思考，对医生术中作出的重要决定也不负任何责任。膝关节导航可以增加医生的视野，但永远也不能取而代之。
计算机辅助技术的真正价值有赖于医生对解剖标志的准确注册，并完全理解支持这一导航系统的软件工作原理。切记“错误的信息就等于错误的结果”。此外，导航技术还适用于微创手术，和较困难的初次置换手术及翻修患者。对于简单置换来说，由于存在配准耗时问题，使手术时间延长，而对于畸形严重者， 导航反而会因软组织平衡时间的明显减少而缩短手术时间。膝关节置换的目的是使膝关节的接触应力平均分布，并同时获得良好的膝关节功能。目前，对下肢力线、假体安放位置、侧副韧带平衡、等距屈伸间隙等方面的报道较多。而对假体旋转对线和矢状面假体力线等方面的研究较少，尚缺乏足够的证据资料。因此膝关节假体旋转和矢状面对线问题是需要进一步研究的新领域。笔者相信，随着该技术应用经验的不断积累和导航系统的改进，作为一种术中辅助工具，其必将成为膝关节重建手术的标准方法。
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作者单位：天津市天津医院关节外科中心，300211