计算机导航在创伤骨科手术中的应用进展*

陆声榆，沙 轲，陆彩玲

(1.广西贵港市人民医院创伤运动骨科，贵港 537100；2.广西医科大学第一附属医院创伤手外科，南宁 530021)

精准、微创和安全是每个创伤骨科医师所追求的目标。随着计算机及图像信息技术的迅速发展，导航辅助手术技术应运而生，并成为外科技术研究的前沿热点。导航系统能实时监测手术器械的位置，在其辅助下进行手术会更精准和安全，该技术已在骨科手术中显示出其他工具无法替代的优势。计算机导航系统具有精准、安全、微创、辐射损害轻、手术并发症少等突出优点，在创伤骨科手术中得到广泛应用。笔者综述计算机导航技术的工作原理、发展简史，探讨计算机导航在创伤骨科手术中的应用以及存在的不足，并展望计算机导航技术在创伤骨科手术应用中的发展趋势，以期为广大创伤骨科计算机导航手术的研究者提供借鉴和参考。

1 计算机导航在医学中的发展简史

1986 年Roberts 首先报告应用声波数字化导航仪监测手术器械的做法，开创了立体定向神经外科。Kato 于1991 年报道了电磁数字化仪原理及应用，其由三维电磁数字化仪、磁场感应器、三维磁源和计算机工作站组成。1992 年,美国医学家将全球首台光学红外线数字化仪导航应用于临床。1995年，由美国卡耐基梅隆大学开发的HipNav 系统和KneeNav 系统，通过术前采集CT 等影像数据，采用光学导航，辅助术者完成膝关节置换、髋白假体置人和前交又韧带重建等操作，取得了良好的疗效。1997年，上海华山医院将美国的光学手术导航系统引进国内。1999 年深圳安科高技术股份有限公司自行生产了我国的第一台手术导航系统“ASA-610T光学手术导航系统”。德国OrthoPilot 膝关节置换计算机导航系统于2001 年获得了FDA 的认证。2004 年法国研制出小型化机器人，安装于股骨上，辅助截骨。于2005 年研制出微型6 自由度并联机器人，使假体和截骨面的配合更为准确。2004年始美国将计算机导航系统大量用于医学领域，并被广泛应用于欧美等发达国家，逐步传播到世界各地。

2 计算机导航的工作原理及分类

计算机导航技术是计算机信息技术与医学影像学技术的有效结合。在术前用C臂及CT、MRI等检查方法采集影像学资料，将采集的影像学资料经过CD－R光盘及网络中传递于计算机，经过处理后的图像信息能呈现于显示器上，能显示手术器械的实时位置及手术部位的解剖关系，利于术者提前设计手术方案及预测手术效果。术中系统红外线摄像头在反射弧中可实时动态观察患者手术部位和示踪手术工具，多方位观察患者手术路径，避开危险区域，引导术者按照术前设计的手术路径进行操作。创伤骨科手术操作中，由于手术者的视野及操作空间的局限性，容易损伤重要的神经血管。微创内固定手术时需反复进行X线透视，确定内固定的位置，给手术相关人员造成大剂量辐射损害[1]。计算机导航技术的出现大大提高了手术的精准度，减少重要组织损伤，减少了透视次数，降低医务人员的辐射损害。

计算机导航有不同的分类方法。根据与人的交互性和自动化程度可将CAOS分为三类：（1）全自动导航，根据预设的程序自动执行手术操作，如全髋关节置换时应用等；（2）半自动化交互式导航，如全膝关节置换等，碰到危险区域时会限制手术医师继续操作；（3）非自动化被动导航，如KneeNav、Hip-Nav 等，仅传递术者的手部动作，机器人提供定位、导向、导航等功能。按照医学影像成像方法的不同，分为X 线透视二维导航、IsoC-3D.CT 导航、MRI 导航、超声导航和激光导航等，各种导航系统都有其优缺点[2]。

3 计算机导航在创伤骨科的临床应用

传统创伤骨科手术创伤大、并发症多。随着近年来计算机导航技术的蓬勃发展，信息技术及医学研究的不断深入，为创伤骨科手术操作提供了更好的路径和方法，导航技术在创伤骨科手术中的应用越来越广泛。

3.1 计算机导航在骨盆损伤中的应用 传统的骶髂关节脱位切开复位重建钢板内固定术，创伤大，恢复慢。宋世锋等[3]研究结果显示，经皮骶髂螺钉内固定术治疗骨盆后环损伤，具有微创、固定牢靠、恢复快等优点，是比较可靠的内固定手术方法。骶髂关节螺钉内固定术对术者的理论和操作技术水平要求较高，充分的术前准备和手术规划可减少损伤神经血管和螺钉穿破骨皮质的发生。

陈红卫等[4]分析了经皮骶髂螺钉内固定治疗骶髂关节脱位的临床疗效，对16例患者的临床资料进行了分析，所有患者均在透视引导下经皮置入骶髂螺钉。结果显示，手术时间为30～90 min，平均50.5 min。术后行X线片和CT扫描，提示螺钉均位于S1、S2 椎体内。术中无血管神经损伤发生，未出现内固定松动，腰骶及下肢活动、感觉均正常。罗从风等[5]的研究也指出，导航下行骶髂关节螺钉固定的手术方式，可以提高手术精确度，提高手术安全性，减少术中透视时间。明确手术适应证、把握准确的入针点和方向，以及手术团队间的密切合作是提高手术质量的重要方法。司庆华等[6]的研究指出，二维导航引导下置入骶髂螺钉，提高了置钉的准确性，减少了损伤血管神经等手术风险的发生，患者能较早进行功能锻炼。还有学者比较了C臂透视引导下和计算机导航引导下行骨盆损伤置钉的临床效果及技术特点。经皮骶髂关节螺钉治疗骨盆骨折骶髂关节脱位是通过体表定位，C 型臂X 线机透视下进行,往往会造成螺钉位置偏斜,长短不合适,损伤L 5、S 1 神经根,或螺钉失效[7]。Citak等[8]通过实验证明，在骶髂螺钉置钉准确性方面，三维导航较透视导航显示了较大优越性。张庆明等[9]研究表明CT 导航能准确指导骶髂螺钉置钉，安全性高,是一种可靠的方法。定位和手术路径对手术的成败至关重要，陈练等[10]探讨CT辅助导航经皮骶髂螺钉内固定术的定位和路径。经多层螺旋CT扫描图像分析确立的体表进钉点、骶髂螺钉长度及角度，可直接引导经皮骶髂螺钉内固定术；避免以往凭一些体表标志和经验来定位。只凭一些体表标志和经验定位方法较粗糙，给手术带来很多麻烦，也是许多手术失败的原因之一。孙明辉等[11]探讨了CT 导航下骶髂螺钉治疗骨盆环损伤的安全性及治疗效果，对收治的16例骨盆后环骨折脱位患者资料进行回顾性分析，所有患者均在计算机导航系统辅助下采用骶髂螺钉进行治疗。结果表明，骶髂螺钉内固定技术是恢复骨盆后环稳定性的微创、安全性高、准确度高的方法。Christopher等[12]研究显示，应用O形臂导航技术辅助进行骶髂螺钉置入，能减少手术相关人员辐射损害，无神经血管损伤等并发症发生。Zheng等[13]应用计算机辅助热塑性薄膜导航（CATMN）系统，进行骶髂螺钉置钉，结果显示，应用CATMN系统治疗骶髂关节脱位具有较高的准确性，为引导骶髂螺钉放置提供了一种新的可供选择的方法。

3D 导航在骨盆损伤的治疗中也发挥了重要作用，Zwingmann等[14]研究表明，3D较CT导航的根本优势在于其适用于大多数骨盆损伤伤情，并能够适应更加复杂的手术要求，特别是需要进行术中旋转牵引复位或附加使用额外的固定方式时更为有效。陈龙等[15]在三维计算机导航引导下行前柱通道和骶髂螺钉治疗Tile 分型B2、B3 型骨盆骨折，取得了满意的近期疗效，其具有微创、手术耗时短、出血量少、恢复快等优点。三维计算机导航技术解决了骨盆损伤置入螺钉准确度不高、手术风险大、并发症多的问题，使骶髂关节螺钉置钉更加安全。王小阵等[16]探讨3D 导航技术下经皮骶髂螺钉内固定治疗骶髂关节复合体损伤的临床疗效，在三维计算机导航系引导下共置入骶髂螺钉36 枚。结果每枚螺钉置入所需时间为28～40 min(平均33.2 min)。骨折复位质量采用Matta 评分标准评价，优良率较高。术后影像学提示螺钉位置佳。最后一次复诊采用Majeed 评分标准评价骨盆功能，优良率较高，达83.3%。刘曦明等[17]研究表明，3D导航下微创空心螺钉内固定治疗中老年Tilt 骨盆骨折，患者一次置钉成功率较高，避免了反复修正钉道，减少了骨量丢失。老年人骨质疏松，临床操作中还存在较多值得思考的问题。王小阵等[18]的研究表明，三维导航下置钉具有精准性和安全性，但对于骨质疏松的老年患者，在置入螺钉时应在导航+透视监测下进行，避免盲目追求螺钉长度，偏信对中青年患者适用的、加压到位的“手感”，从而出现螺钉和垫圈穿透骨皮质，造成螺钉固定失效或螺钉尖部穿出S1椎体前骨皮质损伤神经、血管。骨盆骨折较佳的复位是置钉的前提，在骶髂关节脱位或骶骨骨折未复位或复位不良之前，禁止行三维图像导航下骶髂螺钉内固定术。骨盆后环解剖结构复杂、骶骨上段变异。贾帅军等[19]认为传统X线透视下骶髂螺钉置入技术常因为患者肥胖、肠道气体、粪块、骨盆发育不良、图像质量欠佳等原因难以获取满意的术中指导影像，导致螺钉置入位置不佳、置入过程中需多次修正钉道、术中血管神经损伤等不良反应，因而多种计算机导航技术被引入到该项手术中，以提高螺钉置入的安全性、减少放射线暴露时间并减少并发症的发生。Lu等[20]应用“O”型臂导航系统治疗骨盆后环损伤，研究结果显示：其能有效地提高骶髂螺钉置钉的准确性和安全性，缩短手术时间。

骨盆骨折闭合复位内固定的前提是，置钉前必须有良好复位。但闭合复位后较难维持骨折复位，有些骨折类型闭合复位较难，特别是移位较大的骨折，国内已有学者应用骨盆复位架联合导航治疗骨盆骨折，取得较好的效果。胡居正等[21]应用Starr复位架联合“O”型臂导航系统治疗骨盆骨折，结果显示，提高了术中骶髂关节螺钉、前柱螺钉置入的准确性和安全性，同时降低了术者和患者的辐射剂量和次数，缩短了手术时间，提高疗效。王刚等[22]应用骨科机器人联合骨盆解锁复位架辅助下经皮螺钉固定治疗骨盆骨折的相关研究，提示骨科机器人联合骨盆解锁复位架辅助下，经皮螺钉固定治疗骨盆骨折疗效良好，且能缩短手术时间，降低手术风险。

3.2 计算机导航在髋部损伤中的应用 文良元等[23]的研究指出，二维导航引导内固定治疗髋部骨折能明显提高手术效率，保证内固定的准确性，减少手术放射性损害。然而，髋部骨折手术的成功和良好的治疗效果更依赖于基本的手术，尤其是骨折的准确复位和手术指征的正确把握。对于移位较小、手术部位皮肤条件较差、基础疾病较多的累及前柱的髋臼骨折，有学者主张采用经皮螺钉内固定治疗[24]。该技术具有创伤小、并发症少等优势，但其操作难度较高，存在螺钉穿出骨皮质或误入髋关节损伤神经血管的风险。聂玉琪等[25]的研究表明，三维数字化规划联合导航系统可减少髋臼前柱螺钉的置入时间、术中透视次数，是一种有效的辅助手段。国内黄波等[26]应用双平面机器人导航辅助下行股骨颈骨折闭合置钉，结果显示：双平面机器人导航可明显提高手术的精准度，减少辐射损害及手术时间。陆声榆等[27]应用O臂导航辅助下空心钉内固定治疗股骨颈骨折，结果显示，O臂导航辅助可提高置钉的精确度，减少术中X 线透视次数，减少空心钉置入时间。

3.3 计算机导航在髓内钉内固定中的应用 髓内钉远端锁钉的置入常需反复透视，耗时长。在髓内钉内固定手术中，远端锁钉在计算机导航的辅助下能更加快速、精确地置入。申剑[28]探讨计算机导航辅助技术在四肢长骨髓内钉远端锁钉锁定中运用的可行性及优点，结果显示计算机导航辅助髓内钉远端锁钉锁定在手术时间、术中透视次数及锁定成功率均比常规“盲打”有明显优势。俞超等[29]报道了计算机导航技术应用于交锁髓内钉远端交锁螺钉固定效果，6例股骨、4例胫腓骨骨折,交锁髓内钉置入后,只需要一次透视,在计算机导航下完成远端交锁螺钉的固定，结果表明，计算机导航手术用于交锁髓内钉的远端固定十分有效,可避免机械引导器的误差。

3.4 计算机导航结合机器人在手术中的应用 进行准确、微创手术时需正确定位，准确导航，并且避免术者手抖动。以上问题可以通过医用机器人系统得以克服[30]。苏永刚等[31]针对骶髂关节螺钉手术，设计手术导航机器人系统，完成空间定位和路径导航，开展精度测试实验，检测系统定位的位置误差和角度误差。开发的手术导航机器人可提高手术精度，增加置钉安全性，并减少术中透视的使用。系统的平均误差能够满足骶髂关节手术的要求，但误差的标准差较大，需在后续研究中通过算法和系统优化来改善。机器人系统体积小，成本相对较低，操作简单，适应国内现有的手术室条件，不受周围环境、光线影响；既克服了人手操作的不稳定、视觉偏差和易疲劳等缺点，又具备普通光学导航优点。黄波等[26]的研究指出，双平面机器人导航辅助下空心钉内固定治疗股骨颈骨折可明显提高手术的精确度，并且在降低术中X线损害及缩短空心钉置入时间、减少术中损伤方面具有一定优势。杨成志等[32]作骨科手术机器人与“O”型臂导航辅助骨盆骨折经皮内固定术的比较，结果提示：两者辅助下经皮空心螺钉内固定治疗骨盆后环损伤，手术精准、安全、微创，降低对患者及术者的辐射损害，临床效果均满意，是微创治疗骨盆骨折的理想新方法；天玑骨科机器人手术操作程序化，标准化，更为稳定，学习曲线短。洪石等[33]应用骨科导航机器人辅助下行骨盆与髋臼骨折经皮螺钉内固定，精准、安全、透视次数少。韩巍等[34]应用天玑骨科手术机器人辅助经皮固定骶髂螺钉治疗不稳定骨盆后环骨折，结果提示：在其辅助下置入S2 骶髂螺钉治疗不稳定的骨盆后环骨折比透视下徒手操作成功率更高。

4 计算机辅助导航技术的不足

计算机导航技术在创伤骨科领域有许多不可替代的优越性：精确、安全、辐射损害轻、手术安全性高、并发症少。尽管计算机导航技术有很多优势,但也有不足之处：（1）O-arm导航系统三维扫描的辐射量高于普通X 线透视的辐射量。为了尽量减少使用O-arm 系统患者的辐射接受剂量，Su 等[35]提出选择O-arm的儿科透视剂量可以使辐射剂量降低到正常的1/4，图片质量仍然能够指导螺钉植入，而且对置钉准确度没有明显影响。也有学者提出[36]，在置钉结束后经椎弓根螺钉诱发肌电图来判断螺钉位置，如果肌电图无异常表现，完成置钉后无需进行O-arm三维扫描。（2）系统注册后参考架与骨折复位的位置必须始终保持稳定不变,术中一旦松动或发生移动,需要重新注册，否则会导致手术失败，从而增加手术时间；导航参考架放置位置要科学，否则会导致注册困难；计算机导航提供的术中图像是由计算机合成的高度精确的虚拟图像，注册后应用导航钻套在术区内明显的骨性标志，验证导航导针的准确性；导航手术时，光学元件与示踪器的空间较易被相关人员遮挡，常导致无法确定手术器械的实时位置，增加调整时间[37]。（3）导航套筒需要操作者固定，术者置入导针时，如果钻套固定不牢，术者手抖及用力不均，也会出现导针偏离方向，从而需要重新置入。骨科手术机器人辅助下手术，可减少因术者手抖动而引起导针置入位置误差。（4）导航手术前常需闭合复位，不能直视下复位，对于移位较大的骨折，闭合复位效果常理想，导航微创手术以以实施，常需要切开复位内固定[38]。（5）目前“O”型臂导航系统价格昂贵，且需要有完备的配套设施，这使得计算机导航的推广应用受到限制，较难在基层医院开展[39]。

5 展 望

在创伤骨科方面，计算机导航技术比传统技术更为精确、安全、微创、低辐射，手术并发症更少。

计算机导航技术与3D 打印技术、机器人技术的结合实现数字骨科，首先3D 打印技术可以打印出实物模型,能更直观地了解骨折及其周围的解剖特点,有助于有效的医患沟通，便于术者提前设计手术方案及预测手术效果，并可以在3D 打印模型上进行手术的预演,增加手术的熟练度,明显缩短手术所需的时间,减少医生和患者在放射线下的暴露时间和辐射剂量,还可以提前预弯钢板、制作一些个体化的手术器械,帮助快速完成手术[40]。精准医疗是微创外科的基石，是未来医学发展的趋势和主要方向。随着近年来计算机导航技术的不断提高,信息技术及医学研究的不断深入，数字骨科将会帮助医生完成更多创伤骨科的疑难复杂手术，应用前景将越来越广，不断深入。