硬组织外科临床数字技术系统研究

2010-09-26王成焘

中国骨科临床与基础研究杂志 2010年2期

关键词：植入物导板手术室

王成焘

硬组织外科临床数字技术系统研究

王成焘

骨和骨组织；外科；数字技术；系统

1 概述

随着现代科学和新技术革命的迅猛发展，计算机技术正在深刻地影响着社会的各个领域。由于现代计算机技术建立在0与1构成的二进制数字处理的基础上，因此很多学者将其称为数字技术。实践证明，一旦与数字技术相结合，传统技术的水平往往得到质的飞跃，如：以模拟信号为基础的传统通讯与媒体技术提升为以数字信号为基础的数字通讯与多媒体技术，以纸质报表为基础的医院管理系统提升为基于局域网的数字化医院信息系统（hospital information system，HIS）等等。同样，数字技术与临床医学的紧密结合，将使临床医学提升到一个崭新的技术层面，有力地推动了21世纪临床医学向精确化、个性化、微创化和远程化方向的发展。

硬组织外科在这里泛指涉及人体骨组织的各种外科医学，如骨科、整形外科、口腔科以及五官科等。骨组织具有高密度、对X线高吸收的特点，故其数字图像易于与其它软组织分割，具有天然的影像学优势。目前数字技术已广泛应用于硬组织外科临床治疗的各个阶段，主要包括：计算机辅助术前手术规划；个性化治疗所需植入物的计算机辅助设计与制造(computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM)；用于保证手术规划精确、可靠执行的术中导航和导板技术；实现现代化手术操作和信息交互环境的数字化、一体化手术室技术；术后评定与数字化康复技术等。这些技术在硬组织外科领域的应用具有很多共性，并已形成相互关联的技术系统，而虚拟手术训练系统、机器人辅助手术系统的临床应用将使这一系统更趋丰富和完善。

作者单位：200240上海交通大学生物医学与生命质量研究所

2 计算机辅助术前手术规划

依据患者X线片、CT片等二维影像资料进行术前手术规划的传统模式已不能满足临床医学发展的要求，它将被计算机辅助术前手术规划逐步取代。

2.1 基于软件的术前手术规划

目前市场上出现多种可用于手术规划的软件，如比利时的Mimics、英国的Simpleware等。医生通过这类软件对患者的CT（或MRI）影像数据进行处理，建立三维解剖模型。手术规划软件一般都具有对模型进行缩放、旋转、切割、镜像处理、几何测量（如体积、面积计算）等功能，医生可以运用这些功能针对所建立的数字模型进行手术仿真与规划。一些专用的手术规划软件带有相关产品的模型库，医生可调用这些产品模型，将其植入患体模型中，形成完整的手术规划方案。必要时还可将工程设计常用的CAD软件用于个性化骨科植入物设计，调用到规划软件中进行虚拟置换。图1为上海交通大学研发的颅颌面手术规划软件，医生利用该软件构建患者颌面骨骼的三维数模，根据该模型设计个性化的上颌修复支架，通过种植钉固定在颧骨等部位，用以支撑植入缺损部位的自体骨，由此形成完整的上颌修复手术方案（图1A）；该软件还可用于牙种植手术规划，医生通过调用模型库中的种植体产品三维数模进行模拟植入，确定种植体植入的位置、个数、距离、深度等，形成完整的种植方案（图1B）。

2.2 基于快速成型模型的手术规划

快速成型技术（rapid prototyping technology）简称RP技术，是20世纪末出现的一种新型制造技术。其基本原理是将完整的三维机械零件数字模型分解为具有一定厚度的、相互叠加的断面，然后采用光敏树脂、塑胶、金属粉末、特殊纸材等专用材料，通过激光或电子束逐一制作这些断面薄片，通过有序叠加，最终制作出三维模型实物。每层断面的厚度为0.1 mm甚至更薄，因此制造出来的实物具有很好的表面质量和精度。医生通过CT数据处理建立患者硬组织的三维数字模型并输入RP设备，制成的1：1 RP模型与实际硬组织并无二致，从而有助于医生准确理解硬组织的细微解剖结构，精确制定手术方案。图2是上海交通大学数字医学教育部工程研究中心医工合作完成的一个临床案例。一位女性“麻花腿”患者下肢从髋部开始扭曲生长，致使足部呈90°以上外旋（图2A）；CT三维图形无法看清扭转的细部（图2B）；利用RP模型（图2C）制定详细的矫形手术方案，手术获得成功（图2D）。

图1 颅颌面手术规划软件及其运用

图2 基于RP骨模型的手术规划案例

3 个性化骨外科植入物CAD/CAM技术

骨科领域目前大多采用制造商提供的、具有不同尺寸规格的成品植入物，但这些产品往往不能满足患者的个性特点，需要制作“量体裁衣，度身定做”的个性化植入物，如个性化人工关节、接骨板、骨缺损修复体等。临床治疗的个性化是现代医学发展的重要方向之一，以CAD和CAM为核心的数字制造技术已经具备个性化产品制造能力，且其成本和制造速度可与大规模生产相媲美。个性化植入物的设计制造流程如下：首先摄取患者的CT/MRI医学影像，经图像处理建立三维数字模型；针对患者个性特点由医生提出个性化植入物的概念设计，由工程师进行工程设计，医工结合进行术前手术规划，形成最终设计；将设计数据传输给CAM系统进行植入物数控加工；对成品进行后续处理，交付临床使用。

目前可供选用的数字制造手段较多，主要包括：（1）数控机床或多轴数控加工中心可以使刀具相对工件在X、Y、Z三个坐标轴方向作数控移动，或沿其作数控回转运动，每一项数控运动称为沿一个轴的自由度。加工中心通常具有多种刀具组成的刀库，通过机械手换刀，实现车、铣、钻、镗等各种切削工艺。目前人工膝关节加工通常需要5自由度加工中心，用以精确制造人工膝关节空间复杂的髁表面。（2）RP设备骨缺损修复体通常由人工骨材料制成，可运用RP技术制作修复体的模型，翻制成阴模，将人工骨材料填充烧结成型。若修复体为三维曲面钛网材料时，可根据手术规划的设计，用加工中心制作塑料或软金属曲面压模，进行压制；依托RP技术的现代柔性模具还可根据修复体的曲面形状进行变换，实现较厚金属板材的一次性曲面压制。（3）金属粉末烧结RP技术是近几年迅速发展起来的最为先进的RP技术之一。用户可以根据植入物需要的合金材料，选择相应的金属粉末按比例混合，RP设备层层铺敷所制备的粉料，然后按植入物断面形状用高温电子束进行层层烧结，直接提供用所需材料制成的植入物。上海交通大学自2001～2010年10年间为全国医院提供了2 500件个性化骨科植入物，图3显示了其中的部分案例：个性化人工骨盆（图3A）、颅骨破损修复用人工骨（图3B）、颌面修复用成型钛网（图3C）等，图3D是合作企业采用金属直接RP技术制作的髋臼修复体。

4 图像引导下的术中导航技术

手术导航技术是实现手术精确化的重要手段，患体和手术器械的空间精确定位是该技术的核心，目前主要包括红外光学定位、电磁定位和超声定位3种定位技术。红外光学定位技术采用立体视觉原理，用两个呈一定角度设置的红外摄像机捕捉空间一个红外光点的位置坐标，该光点可以是红外发光二极管，也可以是在外界红外光源照射下反射红外光的小球，据此分为主动型和被动型红外光学定位系统两类。这种系统只认知红外光，不受室内其它光线的干扰，是目前使用最广泛的定位技术，但必须保证使用中的红外光线不受遮挡。电磁定位技术是在手术床区域设置X、Y、Z三个定向电磁感应线圈，用于确定空间一个铁磁体的位置坐标，其优点是无光线遮挡问题，可深入到人体内部，缺点是易受周边电磁场的干扰。超声定位技术目前尚处于研究阶段，我们与上海市第一人民医院合作，正在致力于有关使用手术室超声装置在无损状态下确定患骨空间位置的相关研究。

手术导航设备的主要功能是将术中患体和手术器械的位置准确、实时地显示到计算机屏幕上，医生通过观看屏幕中的患体和器械来实施精确手术。手术导航技术的优点：（1）利用计算机图形与图像的丰富功能，使医生得以观察患者的深层解剖结构，提高手术操作的主动性和安全可靠性；（2）使医生得以运用手中的工具按照术前规划的、通常标明在患体上的路径或方位进行操作，使患骨精确复位，保证手术依术前方案精确执行；（3）使大部分手术的微创化成为可能，从而达到减少手术创伤、缩短住院时间、提高手术效率的目的。

近年来本领域的一个研究热点是在术中导航的基础上进一步引入增强现实技术。医生依然保持传统手术操作姿态，通过佩戴的光学穿透式3D头盔（head mounted display，HMD），将虚拟场景同外部世界在人眼中融合，从而使临床医生可以同时看到真实的手术现场和计算机产生的虚拟解剖组织图像，产生“实时X线透视眼”的效果。这样，医生就摆脱了传统导航环境下不得不在患者手术现场和导航设备的计算机屏幕之间来回切换视野，从而影响手术实际操作与进程的烦恼。因此，借助增强现实技术，将部分导航信息直接反映到患者身上以提高导航系统的实用性，使现代技术与医生的习惯需求相融合，是当前国际上导航产品研发的一个重要发展趋势。

图3 个性化植入物临床案例

图4 下颌角整形导航手术案例 4A患者术前照片 4B导航手术规划 4C导航手术术中照片 4D患者术后照片

图4为上海交通大学开发的颅颌面外科手术导航技术在下颌角整形手术中的临床应用案例。医生利用患者的CT影像建立整个颅颌面三维数字模型，用手术规划软件制定了该女性下颌角整形切除方案，然后利用钛钉配准和导航设备从口腔内部施行下颌角整形手术，医生可以在术中清晰直观地看到手术刀具的位置及切割路径，大大提高了手术的计划性和安全可靠性。

图5 牙种植导板的设计制作及临床案例

5 基于RP制造的手术导板技术

术中导航是实现手术精确化的重要手段，但导航设备价格昂贵，使该项技术难以得到普及和推广。近年来我国骨科领域广泛采用导板技术施行骨科手术，为手术精确化提供了较好的选择。如：利用导板的廓线引导手术摆锯截骨，或利用脊突定位钻套施行椎弓根钉植入手术。该方法的最大优点是医生只需进行手术规划和导板设计，导板的制作可以交由医院内的专业RP制作部门或通过网络发给专业制作公司完成。图5是上海交通大学自行开发的牙科种植手术导板（国家二类医疗器械）技术。借助手术规划软件（图1B）完成种植规划，采用种植导板对牙钻的深度及方位进行精确引导，导板可利用牙槽骨或周边的邻牙定位，按种植规划中的牙列模型设计（图5A）；RP技术制作导板的主体部分置入与牙钻直径相配的金属钻套（图5B），因与牙槽骨及血液接触，故所有材料均需经主管部门进行生物相容性测定，合格后方可使用；图5C是我们与上海市东方医院合作完成的采用种植导板施行种植手术临床案例之一，图5D为其术后X线图片。

6 手术过程中的信息交互

随着医学科学技术的飞速发展，手术过程中的信息交互量迅速增长，各种先进医疗设备相继进入手术室，传统的手术室工作模式已不能适应现代化外科手术的需要，数字化、一体化手术室的工作模式正在逐步建立，医生的手术操作和信息交互技术环境发生了深刻的变化。目前数字化一体化手术室还是一个新生事物，尚没有明确的定义和统一的标准，其核心是利用数字技术实现术中信息的交互和设备的集成。它的主要功能包括：（1）通过局域网和因特网将手术室与医院内外信息系统连接。医生或助手可在手术床前的控制屏上调用或组织手术相关信息，如：调阅HIS、医学影像存储与传输系统、实验室信息系统中患者的相关信息；调用计算机中自行制定的手术规划，并根据手术现场情况进行修正；有计划地记录手术过程中的数据信息，形成自己工作和科学研究中的数据资料；组织手术文档，将手术过程信息纳入HIS中。（2）建立手术室和医院内外的视音频信息交互功能。医生在助理人员帮助下对全景摄像机、术野摄像机和内窥镜拍摄的图像，以及手术室内各种医疗器械的相关显示有目的地进行采集与编辑，发至示教室、相关办公室、学术会议现场或院外专家处，实现现场教学、手术观摩、远程会诊以及会议交流等。目前大医院普遍构建医院集群，这种异地医院间的手术信息交互方式已成为一种重要的工作手段，其核心技术是大信息量、高清医学图像的远程保真传输，现正处于迅速发展完善阶段。（3）对手术室医疗设备进行集成管理，将其融入手术室的一体化设计中。随着手术室内医疗设备的增多和医务人员的精简，医疗设备的信息集成显示与集中控制已成为现代化手术室的必然趋势。医生将从熟悉使用各种医疗器械转为熟悉使用多功能集成的一体化手术室，大大提高复杂手术操作的条理性和安全性。这种手术室通常带有记忆功能，医生可针对自己的手术需求进行个性化设置，包括手术床的高度和姿态、手术灯的颜色和亮度、相关器械参数等，并存储在自己的文件名下，使术前准备和手术操作过程更为专业、有序、方便、快捷。借助CT、MRI和手术机器人技术，一体化手术室的水平将得到进一步的提升。

图6是上海交通大学与常州久信集团合作开发的数字化一体化手术室系统RODOR，除部分医疗设备反馈控制尚未完成外，上述的手术室功能全部得以实现，因此打破了国外数字化一体化手术室在国内医学市场的垄断局面，但由于医疗设备控制端口制造商之间未能统一，因此集中控制仍是一体化手术室目前发展的最大瓶颈。

图7 人体骨肌系统生物力学仿真软件CMVHuman 1.0 7A主操作界面 7B动力学功能模块的操作界面

7 骨外科术后评定与康复中的数字技术

骨科学和骨肌系统生物力学密切相关，很多临床治疗手段的开发需要运用生物力学知识，而术后效果评定和康复计划的制定也迫切需要现代生物力学技术的支撑。我们在建立人体全身骨肌系统生物力学仿真模型的基础上开发了人体骨肌系统生物力学仿真软件CMVHuman 1.0（图7）。利用该软件，可以对运动捕捉系统测得的人体运动数据进行处理，实现人体骨肌系统的仿真运动，并可进一步计算分析人体运动学、动力学和肌力，还可调用模型库中骨骼的有限元模型，进行有限元分析。在数据库中还储存了正常人步行、慢跑、上下楼梯、下蹲、下跪、骑自行车等典型行为的运动谱。利用这一软件，可以对患者人工关节置换手术前后的运动状态进行测量，通过对手术前后各个关节运动曲线以及其与正常人各个关节运动曲线的比较，对手术效果进行现代化定量评估；软件还可针对患者运动测量结果进行动力学分析，计算关节力和肌力，并结合肌电测量结果，对哪些部位的肌肉需行康复锻炼作出综合评判，从而制定合理的康复训练计划，并在每个康复治疗过程结束时进行对比测量，定量评估康复治疗的效果。