导航手术在头颈肿瘤切除及重建中的临床应用*

闫志伟，李欢，杨子桧，孙杨，杨向明，王维戚，杨新杰，杨耀武，魏建华

710032 西安，空军军医大学 军事口腔医学国家重点实验室(闫志伟、李欢、杨子桧、孙杨、杨向明、王维戚、杨新杰、杨耀武、魏建华);710032 西安，空军军医大学第三附属医院 口腔疾病国家临床医学研究中心(闫志伟、李欢、杨子桧、孙杨、杨向明、王维戚、杨新杰、杨耀武、魏建华);710032 西安，空军军医大学第三附属医院 陕西省口腔疾病临床医学研究中心(闫志伟、李欢、杨子桧、孙杨、杨向明、王维戚、杨新杰、杨耀武、魏建华);710032 西安，空军军医大学第三附属医院 颌面外科(闫志伟、李欢、杨子桧、孙杨、杨向明、王维戚、杨新杰、杨耀武、魏建华)

手术切缘是影响肿瘤复发的重要因素之一，尽可能彻底地切除肿瘤是治疗成功的关键[1]。头颈部涉及多个解剖区域，组织结构复杂，毗邻或涉及重要的神经、血管等，且与呼吸、吞咽及发音等多种功能密切相关。头颈部肿瘤往往引发患者功能障碍及外貌畸形，而传统治疗视野的局限导致手术难度大、功能影响广、挑战性高，任何不当处理都可造成严重的并发症，甚至危及患者的生命[2]。因此，为了减小手术创伤，加快头颈部功能及外形的恢复，术区边界准确定位对头颈部肿瘤手术效果起着关键性的作用[3-4]。达到手术精确、微创、直观和恢复理想的功能与外形，就需要精细的术前设计、准确的术中控制和可期的术后预测。

随着科技进步，计算机辅助外科技术为外科手术的发展开辟了一个崭新的领域。计算机辅助导航手术(computer assisted navigation surgery,CANS)可在术中随时了解手术器械、病变及与患者解剖结构的关系，突破传统外科手术在三维空间及手术视野上的局限性，帮助术者更精确、更安全地进行多种复杂手术，CANS在外科手术方面具有许多不可替代的优越性，因其精准、安全、低辐射等特点使其在临床实践中逐渐得到广泛应用[5]。

CANS是术前医学影像与计算机辅助定位的完美结合，可为外科医师提供术前规划标记，术中立体可视化定位和器械位置实时显示。术者可据此尽可能地追踪病变，严格遵从肿瘤切除原则及术前设计，提高手术操作的精确度，在安全的边界内切除病变组织，以减少重要神经、血管的损伤，进而降低手术创伤及风险，达到术后快速康复，降低术后并发症发生率[6]。本文主要回顾CANS在我院头颈部肿瘤切除及重建治疗中的应用，将其临床作用及现阶段面临的问题进行分析。

1 病例资料与方法

1.1 病例来源

本文所述病例均收集自空军军医大学口腔医院颌面肿瘤外科2014～2017年收治的9例头颈肿瘤患者，其中男性6例，女性3例;颅底肿瘤3例，骨纤维异常增殖症2例，骨瓣重建4例。所有病例术中均釆用计算机辅助导航技术辅助手术。

1.2 方法

获取患者影像资料经计算机辅助描记后，三维评估，术中通过导航引导手术切除，术中评估肿瘤实际位置、范围与术前标记的符合程度，术中以冰冻切片检测切缘，术后对所有患者进行出血量、并发症、术后住院时间及随访，评估治疗效果。

1.3 导航设备组成

导航设备由下列组件构成(图1)：1)Kolibri工作站：用于完成CT或MRI图像处理的计算机与相关软件；2)头部定位设备：固定于患者头部，在手术过程中保持定位头部位置，保证系统精度的前提；3)摄像头及移动式摄像支架：导航系统的核心部分，用于快速准确地测量手术器械与结构解剖的关系；4)Kolibri推车：实时显示手术器械在图像模型上的位置。

图1 手术使用的BrainlabKolibri导航系统*

1.4 原理

CANS通过术前CT或MRI图像，形成二维、三维组织及肿瘤图像模型，术中建立患者头颈坐标系、影像构建图像坐标系、测量的器械位置坐标系的联系[7]，实时显示手术器械和头颈部解剖的关系，辅助术者准确完成手术预案及操作[8]。导航系统显示界面除了功能键和菜单外,显示屏幕包括4个主要窗口(图2)。前3个窗口分别显示冠状面、矢状面和轴位面3个剖面图像。以十字线表示探针位置。窗口可以根据实际需要显示立体模型，或显示内窥镜图像。

图2 导航系统显示界面的4个主要窗口

1.5 头颈肿瘤手术导航基本流程

头颈肿瘤手术导航基本流程如下(图3)：1)得到术前CT(层厚0.5 mm)、MRI(层厚0.625 mm) 等影像学信息，存为DICOM格式；2)导入工作站，处理后得到头颈部及术区的 2D、3D 模型图像；3)旋转及透明化模型图像，制定优化手术路径；4)全麻起效，全冠切口准备，消毒铺巾；5)参考架固定于颅骨上，确认反光球阵列与红外传感互通；6)按系统提示注册，实现模型图像和术区的交互；7)利用解剖明显易于定位的结构如切牙近中切点、鼻根等完成点配准；8)将器械相对于术区解剖的现实坐标与虚拟模型坐标匹配，完成配准；9)误差在1～4 mm以内完成配准；10)在导航辅助下确定肿瘤的安全切除边界；11)在导航引导下高效进入术区；12)进入术区后术中二次配准；13)在导航辅助下避免重要组织损伤同期完整切除肿瘤及可疑的侵及范围；14)对切除范围和设计边界进行验证及评价。

图3 头颈部肿瘤手术导航流程*

1.6 典型导航验证病例

1.6.1 骨纤维异常增殖症导航手术 颌面部骨纤维异常增殖症患者，将术前影像数据，如CT等导入计算机导航系统中，根据镜像原理，参考两侧软组织厚度，进行术前骨切除位置及范围设计，模拟术后形态后术中验证(图4)。

图4 骨纤维异常增殖症患者

1.6.2 颅底肿瘤导航手术 颅底肿瘤患者，为避免脑膜暴露、大出血、重要神经损伤等，将术前影像数据，如CT等导入计算机导航系统中，对颅底肿瘤进行细致的定位、了解肿瘤与周围重要比邻结构的关系，特别是关于肿瘤边缘与重要解剖结构间的空间关系，进行术前肿瘤位置及危险区切除范围的设计，术中实时对器械到达位置进行三维显示(图5)。

图5 颅底肿瘤患者

1.6.3 骨瓣修复重建恢复咬合导航手术 下颌骨病变患者，为加速患者康复，重建正常的咬合关系，将术前影像数据，如CT等导入计算机导航系统中，利用计算机虚拟手术计划：截骨范围、与上颌对应咬合关系的下颌位置及下颌升支的正常位置，以咬合为目标，对移植骨段的三维空间关系进行定位，术中实时验证骨段的位置，并以张闭口及咬合作为最终验证标准(图6)。

图6 骨瓣修复重建下颌骨同期恢复咬合患者

2 结 果

所有患者均按照术前设计顺利完成肿瘤切除，术中评估肿瘤实际位置与影像学提示一致，术前多平面标记范围与术中肿瘤一致。

颅底肿瘤组术中出血量可控，冰冻病例提示1例切缘阳性，其余边缘皆为阴性，标本切缘显示仅 3.3% 阳性率。术后正常恢复时间出院，无明显并发症。2例术后2年随访未见复发。

骨纤维异常增殖症组手术时间及出血量并无显著减少，但术中磨改标准明确，手术时间可控，术后肿胀可快速消退，术后患者对治疗效果及面型改善质量感到满意。

骨瓣修复重建平均出血最多，1例出现局限性感染，余未出现影响功能及外形的严重并发症，导航引导下骨瓣精确就位可同期种植义齿，并重建咬合功能成功，节省患者花费，缩短患者治疗时间，患者满意度极高。

所有患者均正常恢复，顺利出院(表1)。患者随访均对治疗效果及生存质量感到满意，达到了较好的治疗效果。结果提示导航手术在头颈肿瘤切除方面有优势，这种差异在深部近重要结构的肿瘤切除术中及精确的组织复位方面表现得尤为明显。

表1 计算机辅助导航手术患者信息

3 讨 论

头颈部因其特殊的解剖部位，解剖结构复杂多样，手术治疗风险较大，而患者对保留功能和正常外观的需求较高，临床治疗面临巨大挑战[9]。因此,头颈部肿瘤手术需要对肿瘤进行细致的定位，了解肿瘤与周围重要比邻结构的关系，特别是关于肿瘤边缘与重要解剖结构间的空间关系[10]，以满足头颈部肿瘤治疗的精度要求。

头颈部传统诊疗模式通过B超、CT、MRI等来确定肿瘤的病变范围、侵犯程度及与周围重要组织结构的关系，术前手术规划要依靠医生的临床经验来完成。由于患者个体之间差异，体位移动、肿瘤形变、软组织牵拉移位等特点，术中难以完全避免对重要组织及周围血管神经的伤害。同时医生术中判断肿瘤切缘的主要方法是通过触诊、视诊及术中冰冻病理，切除过程中难以精确定位肿瘤的边界，而术中阳性切缘会影响患者的预后，而盲目扩大切除可严重影响头颈部正常的功能，这是肿瘤术后复发及患者预后不良的原因之一[11]，因此术中客观评估肿瘤边缘的方法具有极大的价值。

基于图像引导的手术导航系统应运而生。导航的概念最早起源于“立体定向神经外科技术”。与常规手术相比，CANS是数字化外科的一部分，它通过空间立体导航的精确匹配定位，实现了患者术前影像如 CT、MRI、PET 所得到图像数据资料与人体解剖结构的实时吻合，实现了临床操作与患者三维重建图像的交互、实时应用，使术者随时了解手术器械的位置及与邻近组织的关系，能够准确按照术前规划完成手术，使以往治疗困难的疾病能够治疗，并降低手术风险，有助于提高手术的精确性、减少损伤[12]。

头颈肿瘤外科则运用其原理对肿瘤区域复杂的解剖和高风险切除过程进行立体可视化的术中定位操作，以便术者随时了解手术器械、肿瘤病变范围与患者解剖结构的关系，能有效降低手术创伤，最大限度地保留患者的功能和外形。近年来多名学者已将导航应用于头颈部的多种术式中，证明其临床适用及有效性[13]。意大利学者发现，肿瘤手术前标记切除范围轮廓，术者可根据导航的实时图像控制切除范围[14]；而同时切除后的术区可与标记切除范围轮廓重叠，可验证实操手术是否与术前计划符合。

我们将CANS应用于部分头颈肿瘤外科手术如骨纤维异常增殖症、颅底肿瘤、游离骨瓣移植同期种植体修复等的精确定位。医生在术中借助手术导航技术，为肿瘤手术、截骨术和缺损修复创造更好的条件和视野，为肿瘤切除、缺损修复重建手术提供了可靠的依据，结果显示可显著提高手术安全性及精确性。

颅底肿瘤治疗难点在于颅底包括入颅血管、神经等重要解剖结构，恶性程度较高的肿瘤，其局部浸润性很强，与正常的周围组织相比，肿瘤没有明显的界限，且易于沿神经扩散。孙国文团队[5]开展了 15 例导航辅助邻近颅底肿瘤手术，其利用导航确定肿瘤与颅底的距离，并观测进入翼腭管内的神经血管束与肿瘤关系。我们认为颅底肿瘤手术有暴露硬脑膜、神经损伤及脑脊液瘘等风险。实时导航可以测量出肿瘤与重要组织结构的距离，可客观保持足够的手术安全边缘，指导对一定范围内可疑的神经、肌肉进行术中冰冻活检，达到安全阴性切缘，进而根据术前三维标记的位置精确定位截骨线位置，导航引导下分别精确定位每一个截骨平面的位置，保证手术的安全性的同时彻底切除肿瘤，弥补传统手术中医生完全依靠主观的临床经验和外科技能进行手术方案的制定和实施手术，从而提高手术精度，缩短手术时间，实施相对安全的手术。

骨纤维异常增殖症通常为单侧，手术治疗以恢复外形为主要目的，因此术前设计可以利用镜像技术，以通过中线矢状面作为对称平面，将健侧组织结构及形态对称到患侧，明确患侧解剖结构及其轮廓，从而恢复患侧的结构及形态，达到精确塑形，实现面部对称。

头颈部肿瘤切除常导致骨缺损，可引起功能障碍和畸形，需要骨瓣移植修复。导航技术还可辅助骨移植和就位等。头颈部骨瓣修复手术有利于患者恢复外形，重建咬合功能，但是靠传统的经验手术或者导板技术因为无法实时术中验证，常导致骨位置欠佳影响术后功能及外形恢复。在导航检查和引导下可将骨段精确复位于术前设计的位置，进行坚固内固定，使得移植骨的实际位置与术前设计完全吻合，精确重建设计目标[15]。彭欣团队[16]对常规术式与 BrainLab 导航引导下腓骨瓣修复术之间进行对比，发现后者术后与术前骨计划位置更符合，效果更满意。我们采用导航引导腓骨瓣就位，同期植入种植体，保证了骨瓣修复后上下颌对应的位置，为同期种植义齿的精确就位创造了良好的条件。

我们体会，CANS技术在头颈-颌面肿瘤外科中可用于：1)术前规划模拟，制定手术计划，便于沟通交流；2)重建术区病变和术区解剖结构(如异物、肿瘤、 骨骼等)，显示适宜的手术路径；3)实时显示手术器械与肿瘤的空间位置关系，引导手术器械进路及方向；4)对重要器官和结构识别和保护，及时回避，避免误伤；5)有效控制肿瘤切除的边界，在切缘不足和盲目扩大间合理选择治疗范围；6)重建移植骨或植入物的形态和空间位置的检验和调整，精准复位。

目前的手术导航技术在临床应用中尚存在以下不足：1)术中精确度误差尚难达到肿瘤外科医生的要求；2)软组织肿瘤存在结构性漂移，术中的精确度与详细的参照间存有差异，术中的应用需要一定经验；3)系统坐标与患者位置相匹配对应时耗时较长(30～40 min)；4)无论何种定位模式，均易受到阻挡，与手术操作相互干扰；5)随着手术的进行，血液以及唾液等污染参考架上的荧光小球，影响导航的准确性和实时性；6)肿瘤边界信息的准确与否将严重影响导航系统的精度，手工方式勾画过程的精度受医生经验丰富程度的影响。

头颈部肿瘤的治疗需要涉及诊断、治疗和随访的多个阶段、多个专业，各时段、专业间的优化协调和信息自由流动是改善头颈部肿瘤管理的有效途径。导航辅助外科已成为头颈部领域的一种成熟技术[17-18]，导航图像除了在肿瘤切除中提供一层额外的安全和准确性，后续重建过程也允许最佳骨移植和组织植入[19-20]，并在后续的放疗规划中发挥作用[21]，如切缘或术中活检在空间中精确绘制，感兴趣区域屏幕截图或未来利用特定的空间坐标来定义，使外科医生能够绘制具有临床意义的危险区域，允许术后对特定风险区域进行密切的监测，并让后续治疗方案高效、直观。

总之，CANS作为上帝视角，突破了术者有限的视觉范围，可视化肿瘤术区局部解剖的层层结构。CANS有利于头颈部肿瘤的安全切除及精确复位，使数字化技术完美应用于严格的手术程序，未来有助于头颈肿瘤的远程操作辅助，将在头颈肿瘤的手术应用中具有越来越大的优势。

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