1、計(jì)算機(jī)導(dǎo)航在骨科手術(shù)中的應(yīng)用,一.基本概念,CAOS即利用各種影象設(shè)備如CT、MRI、PET、DSA、US等結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)人體骨骼解剖結(jié)構(gòu)及手術(shù)器械進(jìn)行顯示和定位，通過(guò)計(jì)算機(jī)制訂手術(shù)計(jì)劃，在術(shù)中進(jìn)行操作干預(yù)的一項(xiàng)技術(shù)。最早應(yīng)用于神經(jīng)外科領(lǐng)域的立體定位，腫瘤切除化療等。其最大的優(yōu)勢(shì)是：簡(jiǎn)化了手術(shù)操作，縮短了手術(shù)時(shí)間，減少了手術(shù)創(chuàng)傷，減弱了術(shù)中放射線的照射，使骨科手術(shù)變的更安全、更準(zhǔn)確、更微創(chuàng)。,Image,Action,Navigation,Basic principle,基本設(shè)備:,不同的導(dǎo)航系統(tǒng)有不同的設(shè)備，但其中最基本的設(shè)備是一致的。大概有以下三種分類(lèi)：（1）SO（surgical ob

2、ject）:手術(shù)操作實(shí)體，在骨科領(lǐng)域，主要是骨骼及相關(guān)聯(lián)的組織結(jié)構(gòu)。（2）VO（virtual object）成像設(shè)備?，F(xiàn)在常用的CT，X線，MRI ，PET，DSA 等影象設(shè)備，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提供圖象及數(shù)據(jù)。（3）NAV（navigator）：導(dǎo)航儀。即在SO 和VO 之間的連接裝置。獲取操作器械在人體的定位和方向。,Tool Set Spine,4 chisels Pelvis Fragment Calibration Pointer VK,Simultaneous tracking of 9 tools!,Tool Set Pelvis,Tool Set Hip Prosthetics,

3、SurgiGATE Components,easy setup, mobile, only 80 x 80 cm each,Shield,Infrared,Camera,LED,Surgical instruments are tracked by a camera,High precision long and compact tools Many objects tracked multiple tools and bones Large Field of View (FOV) needed for C-Arm and other applications,Best tracking te

4、chnology,三個(gè)條件：,1校準(zhǔn)（calibration）：對(duì)于描述骨骼的幾何形狀校準(zhǔn)是必需的。即在操作器械上安裝跟蹤器，是提高圖象配準(zhǔn)精度及定位精度的第一步。2配準(zhǔn)(registration)：其目的是在VO和術(shù)前圖象的基礎(chǔ)上對(duì)手術(shù)器械定位，提供相對(duì)應(yīng)的定位顯象。3參照(reference)：動(dòng)態(tài)參照系統(tǒng)（dynamic reference bases,DRB）可以彌補(bǔ)由于導(dǎo)航儀和骨骼位置的移動(dòng)帶來(lái)的誤差。,Automatic compensation of patient and camera motion.,Reference coordinate system is attache

5、d anywhere on patient.,Referencing,Define Landmark in Image,Find Landmark on Patient,Matching,The transformation between the patient world and the CT image world is found,Methods: Paired-Point Matching Surface Matching,Digitization of points,Matching methods,Image,Patient,Surgical Navigation,二.工作模式,

6、醫(yī)生通過(guò)術(shù)前或術(shù)中x線CTMRI對(duì)人體手術(shù)部位進(jìn)行顯示，定位，然后規(guī)劃模擬，術(shù)中手持裝有跟蹤器的操作器械對(duì)患者實(shí)施操作，手術(shù)工具的空間立體定位及瞄準(zhǔn)過(guò)程均在跟蹤器的實(shí)時(shí)控制之下，跟蹤器能夠精確地給出術(shù)中解剖部位與多模圖像之間的位置關(guān)系，經(jīng)過(guò)相應(yīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(平移、旋轉(zhuǎn)等)的配準(zhǔn)過(guò)程控制手術(shù)器械到達(dá)要求的部位，從而實(shí)施相應(yīng)的手術(shù)操作。,Reference coordinate system is attached anywhere on patient.,Step 1: Placement of the Reference Base,Step 2: Shoot images,Image stored

7、 in the computer,Action,Image,Step 3: Navigate,OR Setup,三基本類(lèi)型,(一)CT依賴(lài)的導(dǎo)航系統(tǒng) 最早應(yīng)用于神經(jīng)外科，目前在骨科應(yīng)用比較廣泛，最早應(yīng)用于脊柱椎弓根螺釘固定系統(tǒng)（6）。目前典型的系統(tǒng)有DiGioia(7)等開(kāi)發(fā)的Hipnav系統(tǒng)，Langlotz(8)等開(kāi)發(fā)的脊柱導(dǎo)航系統(tǒng)。術(shù)前將獲得CT掃描圖像，并將患者的模擬仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)人計(jì)算機(jī)中；術(shù)中，通過(guò)定位跟蹤器獲得手術(shù)工具與解剖結(jié)構(gòu)之間的空間位置關(guān)系，并與術(shù)前的CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)顯示手術(shù)工具在仿真模型中的位置關(guān)系，以指導(dǎo)醫(yī)生實(shí)施手術(shù)操作。配準(zhǔn)是其最關(guān)鍵的技術(shù)，有過(guò)去的點(diǎn)匹配

8、（9）和現(xiàn)在的面匹配（10）。該導(dǎo)航最大的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得良好的三維圖象，有利于術(shù)前計(jì)劃和模擬。其缺點(diǎn)是，需要嚴(yán)格的配準(zhǔn)和參照才能獲得更好的圖象，而且無(wú)法實(shí)時(shí)顯象，圖象無(wú)法更新。，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全髖置換和全膝置換，DHS，鎖式髓針，十字韌帶重建等。,(二)二維X線依賴(lài)的導(dǎo)航,C臂現(xiàn)在已經(jīng)成為骨科手術(shù)的基本設(shè)備。其最大的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)迅速的顯象，無(wú)須術(shù)前模擬。在手術(shù)器械上和傳感器上安裝兩套光發(fā)射二級(jí)管（LEDS）通過(guò)顯示屏來(lái)配準(zhǔn)（11）。其配準(zhǔn)過(guò)程包括X線的建模和補(bǔ)償由于C臂轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的圖象變形。示蹤器安放在C臂上，可以計(jì)算控制功能參數(shù)，最先被ofsteterr使用（2）。通過(guò)C臂的轉(zhuǎn)動(dòng)獲得圖象，是

9、一對(duì)多的圖象，相當(dāng)于使用了多個(gè)C臂，這是2維顯象的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是圖象可以更新，隨時(shí)可以獲得最新的圖象，有利于復(fù)雜骨折的復(fù)位?，F(xiàn)在2維依賴(lài)的導(dǎo)航已經(jīng)廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換、鎖式髓針，DHS，十字韌帶重建中。,(三)三維X線依賴(lài)的導(dǎo)航,1999年，3維依賴(lài)的導(dǎo)航開(kāi)始應(yīng)用于臨床 （德國(guó)西門(mén)子公司）。其配置了特殊的發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)高清晰的圍繞骨骼旋轉(zhuǎn)軌跡的圖象。大約可以旋轉(zhuǎn)190度。可以達(dá)到CT一樣的顯象效果。每一次旋轉(zhuǎn)可以獲得50200套2維圖象。把骨骼放在C臂中心，通過(guò)圖象數(shù)據(jù)綜合，來(lái)獲得高分解的3維圖象數(shù)據(jù)，其中容量掃描的準(zhǔn)確性是成功的關(guān)鍵。3維X線依賴(lài)的導(dǎo)航還可以實(shí)時(shí)顯象，所以前景非

10、常廣闊，是計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的發(fā)展方向。,(四)非圖象依賴(lài)的導(dǎo)航,這種導(dǎo)航?jīng)]有具體的圖象，而是通過(guò)示蹤系統(tǒng)作用于不同的骨性結(jié)構(gòu)和參照標(biāo)記建立起來(lái)的。最早應(yīng)用于前交叉韌帶的重建。其最大的特色是旋轉(zhuǎn)程序，嚴(yán)格的人體機(jī)械定位和數(shù)據(jù)優(yōu)化來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)參數(shù)，決定特殊關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特征。最大的優(yōu)點(diǎn)是骨骼變形技術(shù)。必須建立骨骼解剖模型數(shù)據(jù)庫(kù)，需要大量的高分解的容積圖象、數(shù)據(jù)參數(shù)和表面形態(tài)，以及尸體模型。在術(shù)中通過(guò)個(gè)解剖區(qū)的點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)來(lái)達(dá)到導(dǎo)航作用。要作到微創(chuàng)很難，必須借助2維和3維圖象來(lái)獲得所有必要的解剖標(biāo)記。因此適合于那些解剖結(jié)構(gòu)暴露比較充分的手術(shù)，典型的如ACL重建，全膝關(guān)節(jié)置換，全髖關(guān)節(jié)置換等。Dessenne等于1

11、995年最早應(yīng)用于交叉韌帶重建。,三臨床應(yīng)用,1脊柱外科： 最早在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于椎弓根螺釘系統(tǒng)，由于設(shè)備技術(shù)的限制，以前僅限于腰椎的應(yīng)用，現(xiàn)已拓展到頸椎和胸椎。最常用的導(dǎo)航是（1）依賴(lài)CT的導(dǎo)航。如椎弓根螺釘?shù)闹萌?，術(shù)前通過(guò)CT對(duì)手術(shù)部位脊柱進(jìn)行三維重建，制定手術(shù)方案，然后在脊柱上確定36個(gè)術(shù)中可分辨的標(biāo)記點(diǎn)。術(shù)中通過(guò)帶有動(dòng)態(tài)參考系統(tǒng)的操作器械進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)匹配。當(dāng)二者完全匹配時(shí)再鉆孔置入螺釘。由于CT良好的三維圖象，最常用于頸椎和胸椎上段。在計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)下的頸椎離體實(shí)驗(yàn)中，C12經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘與經(jīng)椎弓螺釘?shù)氖褂枚际前踩?而且有很高的精確性（2）以依賴(lài)X 線的導(dǎo)航：術(shù)中通過(guò)X線獲得圖象，然后通過(guò)

12、計(jì)算機(jī)工作中心設(shè)計(jì)引導(dǎo)下置入椎弓根螺釘。不需要術(shù)前模擬，而且術(shù)中圖象可以更新，但是無(wú)法得到良好的三維圖象。所以更廣泛應(yīng)用于腰椎和下胸椎，不過(guò)也有人開(kāi)始應(yīng)用于頸椎和上胸椎。目前的脊柱外科的研究熱點(diǎn)是如何進(jìn)行經(jīng)皮螺釘植入和脊柱內(nèi)窺鏡技術(shù)。,Advanced pre-op planning,Current position Target position,Guidance,Future penetrations Current position,Realtime Trajectory,2創(chuàng)傷骨科,隨著微創(chuàng)的要求變高和X線的局限性，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航在在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用將更加廣泛，主要集中在骨盆骨折(20)和長(zhǎng)

13、骨骨折。（1）骨盆骨折有些位置比較深而且移位比較小，X片不容易發(fā)現(xiàn)，而且手術(shù)入路比較困難，很難達(dá)到堅(jiān)強(qiáng)固定。用以CT依賴(lài)的導(dǎo)航則變的簡(jiǎn)單方便，將參考架固定于病人骨折肢體表面，術(shù)前進(jìn)行CT掃描，手術(shù)模擬入路位置術(shù)中導(dǎo)航儀幫助引導(dǎo)，配準(zhǔn)，經(jīng)皮即可到達(dá)理想部位，達(dá)到堅(jiān)強(qiáng)準(zhǔn)確固定骨折。（2）鎖式髓釘?shù)膽?yīng)用。主要應(yīng)用與遠(yuǎn)端鎖釘?shù)墓潭?，關(guān)鍵有兩步（21）：首先準(zhǔn)確的控制鎖釘入孔，在髓針進(jìn)入髓腔以后，遠(yuǎn)端的鎖釘必須準(zhǔn)確。其次術(shù)中鉆孔需要跟蹤實(shí)時(shí)顯象（3）DHS的應(yīng)用。首先復(fù)位用克氏針臨時(shí)固定，然后將動(dòng)態(tài)參考系統(tǒng)固定在斯氏針上插入股骨近端。C臂照射，將圖象傳到投射計(jì)算機(jī)工作站，通過(guò)設(shè)計(jì)軌跡和引導(dǎo)進(jìn)行螺釘置入。

14、,Insertion of IM Nails Fragment Reduction K-Wire Placement Near Joint Surgery Distal Locking of IM Nails,Applications Trauma,骨 盆,Hip,Realtime mode,Fragment motion,3ACL 的重建,膝關(guān)節(jié)交叉韌帶的重建關(guān)鍵在于股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端的兩個(gè)移植交叉韌帶骨孔位置的確定.通過(guò)術(shù)前模擬來(lái)確定合適的鉆孔點(diǎn)位置和方向。術(shù)中進(jìn)行圖象配準(zhǔn)來(lái)完成交叉韌帶的重建。而且計(jì)算機(jī)輔助還可以確定交叉韌帶合適的張力；JameS等利用kneeNav-ACL系統(tǒng)進(jìn)行了初步

15、臨床研究，這個(gè)系統(tǒng)特點(diǎn)是術(shù)中導(dǎo)航和圖像重疊技術(shù)的融合，外科醫(yī)生可以在術(shù)中清楚看到模擬的膝關(guān)節(jié)，準(zhǔn)確確定交叉韌帶的位置，在監(jiān)控下完成鉆孔，并通過(guò)模擬膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)確定交叉韌帶的張力。,Digitise anatomical structures,Prediction of Impingement Prediction of Anisometry Incorporate biomechanics,Place and test virtual ligament,4關(guān)節(jié)置換,包括髖關(guān)節(jié)置換（TKA）和膝關(guān)節(jié)置換(THA)。髖關(guān)節(jié)置換的應(yīng)用比較早。最主要的問(wèn)題是確定假體的位置和軸線。計(jì)算機(jī)輔助骨科技術(shù)系統(tǒng)

16、可以在術(shù)前用CT或X線對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行掃描及三維重建，設(shè)計(jì)假體的位置、大小，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算出力學(xué)軸線和截骨平面，模擬匹配，模擬關(guān)節(jié)活動(dòng)。術(shù)中通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)指導(dǎo)醫(yī)生在合適的位置安放假體。Leenders的一項(xiàng)臨床隨機(jī)研究表明CAOS對(duì)于假體安放位置要優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)。減少了全髖置換中由于位置不合適而造成的假體脫位。,optimal implant optimal placement,Cup Planning,Execution Phase,Execution Phase,5腫瘤,如何能夠精確的切除靶區(qū)腫瘤組織，進(jìn)行化療和放療，這是醫(yī)學(xué)界的一大難題。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航在此方面優(yōu)勢(shì)明顯。CAOS通過(guò)CT定位系統(tǒng)能夠?qū)Ω?/p>

17、度不規(guī)則腫瘤制訂精確的三維立體顯象，提供腫瘤的實(shí)際形狀，能夠嚴(yán)格的區(qū)分腫瘤與周?chē)恼＝M織。以達(dá)到準(zhǔn)確切除和最佳照射角度和放射野來(lái)避開(kāi)重要組織器官，并使放射計(jì)劃的劑量分布更為精確合理。它不僅對(duì)放射治療的計(jì)劃設(shè)計(jì)和照射質(zhì)量的提高有明顯作用，而且將顯著提高存某些腫瘤的控制率和病人生存率.,四計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的研究進(jìn)展,在過(guò)去的十年，計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍大大擴(kuò)大，準(zhǔn)確性也得到了提高，其前景十分廣闊。 復(fù)位是計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)中最關(guān)鍵的步驟之一。但是利用計(jì)算機(jī)輔助復(fù)位和植入還處于一個(gè)探索的階段。手術(shù)器械的發(fā)展非常迅猛，必將把微創(chuàng)和準(zhǔn)確性提高到一個(gè)新水平。這些研究正在進(jìn)行當(dāng)中。著名的有瑞士

18、伯爾尼的米勒骨科研究中心和達(dá)沃斯的AO發(fā)展組織等機(jī)構(gòu)。,其進(jìn)展主要有以下五方面 :,1.虛擬植入物： 目前CAOS經(jīng)常簡(jiǎn)化了植入物的形狀，尤其是以X線依賴(lài)的導(dǎo)航，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)實(shí)模擬，給手術(shù)準(zhǔn)確性帶來(lái)不便。為了能夠術(shù)前模擬手術(shù)操作，植入物的數(shù)據(jù)庫(kù)建立是必要的（30），其中包括各種形狀的植入物，尤其是特殊形狀的植入物。而且包括操作器械及導(dǎo)航信息。醫(yī)生可以在術(shù)前進(jìn)行瀏覽，獲得相關(guān)信息，而且還可以模擬術(shù)中操作，大大提高手術(shù)了的準(zhǔn)確性。植入物通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)合，把市場(chǎng)上所有的內(nèi)植物三維顯示儲(chǔ)存。,2. X線依賴(lài)的導(dǎo)航系統(tǒng),現(xiàn)在的X線依賴(lài)的導(dǎo)航主要應(yīng)用于螺釘植入，遠(yuǎn)端鎖釘?shù)墓潭?，但還未常規(guī)應(yīng)用

19、在復(fù)雜長(zhǎng)骨骨折，這是研究方向。過(guò)去使用彩色線條來(lái)標(biāo)記骨長(zhǎng)軸，后來(lái)在此基礎(chǔ)上通過(guò)先分割圖象，然后在不同的平面進(jìn)行綜合，可以看到真正骨折端的移動(dòng)方向。 為了能夠更好的顯象，描繪出骨骼輪廓，在這方面做了許多工作。首先通過(guò)灰度糾正和直方圖等化，再過(guò)濾去除一些周?chē)鷪D象的干擾，然后進(jìn)行描繪，重建解剖結(jié)構(gòu)。這種重建后的圖象提供各角度更清晰的圖象,3.CT依賴(lài)的導(dǎo)航系統(tǒng),CT圖象已經(jīng)成為脊柱疾病，骨盆骨折診斷的金標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)發(fā)展術(shù)前模擬和術(shù)中顯象是以CT依賴(lài)導(dǎo)航的發(fā)展方向。通過(guò)使用鼠標(biāo)移動(dòng)來(lái)獲得不同的畫(huà)面，空間球控制骨折端移動(dòng)，可以更好的描繪骨骼輪廓，類(lèi)似于內(nèi)窺鏡，大大簡(jiǎn)化了復(fù)位程序。而且CT導(dǎo)航可以進(jìn)行斷層顯象來(lái)加強(qiáng)畫(huà)面效果。術(shù)中配準(zhǔn)是以CT依賴(lài)導(dǎo)航的另一個(gè)問(wèn)題，如何更好地在術(shù)中配準(zhǔn)是需要解決的問(wèn)題，一些應(yīng)用軟件正在誕生。,4.新型手術(shù)器械,目前使用的器械體積較大，不適合微創(chuàng)手術(shù)，而且接觸面較小，操作不方便，經(jīng)皮復(fù)位受到限制。Scahanz釘由于在高壓力下容易變形，而且沒(méi)有旋轉(zhuǎn)力。因此需要新型器械（1）適合微創(chuàng)手術(shù)，體積越小越好。（2）不影響骨連接（3）具有鉗子功能（4）不透X