計算機輔助脊柱外科手術的應用現狀及進展.pdf
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參見附件(129kb)。
· 綜述 ·
計算機輔助脊柱外科手術的應用現狀及進展
張 穎 ,袁 文
【關鍵詞 】 脊柱;計算機輔助外科手術;神經導航
【中圖分類號 】R 687 . 3 【文獻標識碼 】B 【文章編號 】1672 - 2957 (2005) 01 - 0051 - 0054 - 04
計算機輔助手術 ( computer aided surgery, or
computer assisted surgery, CAS) ,也稱為計算機導航
手術、 影像導航手術 ( i mage - guided surgery, IGS) ,是近十年來脊柱外科迅速發(fā)展的一個領域。隨著導
航系統(tǒng)軟硬件技術水平的提高 ,以及臨床實踐的反
復論證 ,其直觀、 客觀、 精準的優(yōu)勢日益突出 ,但由于
其成本高、 使用復雜 ,尚未能在臨床廣泛應用。本文
將就 CAS的臨床應用情況和技術進展進行綜述。
1 CAS的發(fā)展歷史
計算機輔助技術早在 1986年即開始應用于神
經外科。1990年樞法模公司推出了第一臺可用于
全身的光學導航系統(tǒng)后 , Foley、 Steinmann等人相繼
開始嘗試將這一技術應用于脊柱手術。最初完全沿
用顱內手術方法 ,經技術改進后開始大量應用于脊
柱外科臨床實踐。早期的應用集中在腰椎椎弓根螺
釘導航[ 1, 2 ]
,以后逐漸發(fā)展到脊柱各個節(jié)段及多種
類型手術[ 3, 4 ]。目前已有多種適用于脊柱手術的導
航系統(tǒng)及相應軟件。
2 技術設備和原理
CAS主要的設備包括三部分:攝像設備、 定位系
統(tǒng)和計算機工作站。攝像系統(tǒng)有 CT、 MR I、 C型臂 X
線機 (以下簡稱 C臂 )和最新的 3D - C臂 (3DRX) ,用以獲得脊柱的解剖圖像。定位系統(tǒng)有光學、 超聲、電磁等多種類型 ,最常用的是光學定位系統(tǒng) ,通過在
脊柱和手術器械上貼附發(fā)光二極管 ( lighting emitted
di ode,LED) ,攝像機捕捉 LED發(fā)射的紅外線 ,并將
其發(fā)送給計算機工作站。計算機工作站處理攝像系
統(tǒng)和定位系統(tǒng)發(fā)回的數據 ,最終在屏幕上顯示脊柱
圖像及器械的相應位置。
了解 CAS的基本工作原理 ,有助于醫(yī)生把握系
統(tǒng)誤差 ,更好地利用導航信息。 依據獲得的脊柱影
作者簡介:張穎 (1980 - ) ,女,碩士在讀,醫(yī)師
作者單位: 200003 上海,第二軍醫(yī)大學附屬長征醫(yī)院骨科
像的信息 ,可以將 CAS的應用分為術前攝像導航和
術中攝像導航。
2 . 1 術前攝像導航 (以椎弓根螺釘為例 )
[ 5, 6 ]
攝像 術前拍攝患者脊柱手術節(jié)段的 CT或
MR I圖像,數據輸入計算機工作站。
骨表面識別 計算機根據設定的灰度閾值 ,識
別骨骼表面。
術前計劃 在計算機圖像中選出導航標志點
(通常為明顯的解剖標志 ,如棘突尖等 ) ,計算機確
認后將術前的影像數據調整為接近手術體位 ,并計
算出理想的釘道。
注冊和匹配 計算機將術中脊柱位置與術前圖
像整合的過程稱為注冊 ( registrati on) ,這一步在術
中通過匹配 (matching)來實現。
在術前選定的標志點上安裝定位標志物 ( dy2
namic reference base, DRB;或 dynamic reference ar2
ray,DRA) ,系統(tǒng)獲得標志點位置信息后 ,與術前影
像中相應點的位置相比較并調整圖像 ,這一過程稱
為點匹配 (paired - pointed matching)。在椎體表面
另外選取 12個以上點讓計算機定位 ,這一過程被稱
為面匹配 ( surface matching)。
影像導航下植入椎弓根螺釘 這一步有兩種模
式可以應用:實時模式和導向模式。實時模式顯示
器械在術野內移動的過程 ,手術醫(yī)生自行調整螺釘
方向、 深度;導向模式由導向手柄依據系統(tǒng)確定的軌
跡 ,自動植入螺釘。
2 . 2 術中攝像導航
在手術室擺好體位和植入標志物后再行 CT、MR I或 C臂掃描 ,步驟相對簡單 ,無需術前攝片過
程 ,只在常規(guī)手術中加裝導航系統(tǒng)即可。CT和 MR I
術中攝像可以明顯減少注冊難度、 提高精度 ,但需要
特殊設備和相應的手術床。麻醉、 手術站位等細節(jié)
都需調整 ,目前只有少數醫(yī)院有條件實施[ 7, 8 ]。C臂
導航系統(tǒng)在術中可隨時透視 ,可同時顯示多個不同
角度的圖像及器械的相應位置 ,其定位系統(tǒng)較術前
· 15 · 脊柱外科雜志, 2005年 2月, 第 3卷 第 1期 J Sp inal Surg, February 2005, Vol 3, No 1
? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net攝像系統(tǒng)多一個 C臂校正器 ,用以向系統(tǒng)提供透視
時 C臂的空間位置 ,是目前常用的術中攝像導航
系統(tǒng)。
3 導航手術的應用概況
3 . 1 椎弓根螺釘
在這方面有大量的報道[ 9, 10 ]
,均認為導航技術
可顯著提高椎弓根螺釘的準確性。Braun等[ 11 ]
總結
75例此類手術 ,上頸椎所有螺釘導航下植入正確 ,但在腰椎僅有 84%的螺釘位置可靠。Ebmeier等[ 4 ]
行 112例胸椎椎弓根螺釘手術 , 6 . 3%螺釘錯位 , 11 .
5%觀察到微小的皮質穿孔 ,無神經、 血管和肺損傷。
Kotani等[ 12 ]
對頸椎椎弓根螺釘導航手術的對照研
究中 ,導航組無神經、 血管損傷;而在常規(guī)手術中神
經血管損傷發(fā)生率為 2%。但也有人置疑在臨床研
究中被認為“失準 (miss) ” 的螺釘與手術并發(fā)癥的
關系 ,認為考慮到應用導航技術的費用高、 技術性復
雜 ,一味追求精確性意義不大[ 13 ]。
3 . 2 上頸椎手術
上頸椎手術解剖復雜 ,手術難度大 ,引入導航技
術可降低手術風險。Fl orian等[ 5 ]
總結對 115例寰
齒關節(jié)半脫位患者的治療經驗 ,認為導航下行經關
節(jié)螺釘較傳統(tǒng)手術精度高 ,手術時間無明顯延長。
Veres等[ 14 ]
利用 HALO固定架固定 C1, 2 ,借助 CT神
經外科導航系統(tǒng)完成了 3例經口齒狀突切除術。
Vougi oukas等[ 15 ]
在導航下成功切除了 2例枕頸交
界處脊索瘤。
3 . 3 其他手術
Ohmori等人[ 16 ]
報道了 3例胸腰段爆裂性骨折
經導航系統(tǒng)行前路椎體切除術的成功個案。Woo2
dard等[ 7 ]
在 MR I輔助下行頸椎、 腰椎的多種手術 ,包括髓核摘除、 椎體切除、 椎間孔擴大、 椎板切除 ,認
為提高了手術精度,MR I導航還可幫助術者掌握減
壓程度。Haberland等[ 17 ]
應用 CT導航行 11例胸腰
椎腫瘤手術 ,術后 8周隨訪卡氏評分由 63%升高到
72%。Saghir等[ 18 ]
將導航技術用于治療類風濕性
脊柱畸形 ......
計算機輔助脊柱外科手術的應用現狀及進展
張 穎 ,袁 文
【關鍵詞 】 脊柱;計算機輔助外科手術;神經導航
【中圖分類號 】R 687 . 3 【文獻標識碼 】B 【文章編號 】1672 - 2957 (2005) 01 - 0051 - 0054 - 04
計算機輔助手術 ( computer aided surgery, or
computer assisted surgery, CAS) ,也稱為計算機導航
手術、 影像導航手術 ( i mage - guided surgery, IGS) ,是近十年來脊柱外科迅速發(fā)展的一個領域。隨著導
航系統(tǒng)軟硬件技術水平的提高 ,以及臨床實踐的反
復論證 ,其直觀、 客觀、 精準的優(yōu)勢日益突出 ,但由于
其成本高、 使用復雜 ,尚未能在臨床廣泛應用。本文
將就 CAS的臨床應用情況和技術進展進行綜述。
1 CAS的發(fā)展歷史
計算機輔助技術早在 1986年即開始應用于神
經外科。1990年樞法模公司推出了第一臺可用于
全身的光學導航系統(tǒng)后 , Foley、 Steinmann等人相繼
開始嘗試將這一技術應用于脊柱手術。最初完全沿
用顱內手術方法 ,經技術改進后開始大量應用于脊
柱外科臨床實踐。早期的應用集中在腰椎椎弓根螺
釘導航[ 1, 2 ]
,以后逐漸發(fā)展到脊柱各個節(jié)段及多種
類型手術[ 3, 4 ]。目前已有多種適用于脊柱手術的導
航系統(tǒng)及相應軟件。
2 技術設備和原理
CAS主要的設備包括三部分:攝像設備、 定位系
統(tǒng)和計算機工作站。攝像系統(tǒng)有 CT、 MR I、 C型臂 X
線機 (以下簡稱 C臂 )和最新的 3D - C臂 (3DRX) ,用以獲得脊柱的解剖圖像。定位系統(tǒng)有光學、 超聲、電磁等多種類型 ,最常用的是光學定位系統(tǒng) ,通過在
脊柱和手術器械上貼附發(fā)光二極管 ( lighting emitted
di ode,LED) ,攝像機捕捉 LED發(fā)射的紅外線 ,并將
其發(fā)送給計算機工作站。計算機工作站處理攝像系
統(tǒng)和定位系統(tǒng)發(fā)回的數據 ,最終在屏幕上顯示脊柱
圖像及器械的相應位置。
了解 CAS的基本工作原理 ,有助于醫(yī)生把握系
統(tǒng)誤差 ,更好地利用導航信息。 依據獲得的脊柱影
作者簡介:張穎 (1980 - ) ,女,碩士在讀,醫(yī)師
作者單位: 200003 上海,第二軍醫(yī)大學附屬長征醫(yī)院骨科
像的信息 ,可以將 CAS的應用分為術前攝像導航和
術中攝像導航。
2 . 1 術前攝像導航 (以椎弓根螺釘為例 )
[ 5, 6 ]
攝像 術前拍攝患者脊柱手術節(jié)段的 CT或
MR I圖像,數據輸入計算機工作站。
骨表面識別 計算機根據設定的灰度閾值 ,識
別骨骼表面。
術前計劃 在計算機圖像中選出導航標志點
(通常為明顯的解剖標志 ,如棘突尖等 ) ,計算機確
認后將術前的影像數據調整為接近手術體位 ,并計
算出理想的釘道。
注冊和匹配 計算機將術中脊柱位置與術前圖
像整合的過程稱為注冊 ( registrati on) ,這一步在術
中通過匹配 (matching)來實現。
在術前選定的標志點上安裝定位標志物 ( dy2
namic reference base, DRB;或 dynamic reference ar2
ray,DRA) ,系統(tǒng)獲得標志點位置信息后 ,與術前影
像中相應點的位置相比較并調整圖像 ,這一過程稱
為點匹配 (paired - pointed matching)。在椎體表面
另外選取 12個以上點讓計算機定位 ,這一過程被稱
為面匹配 ( surface matching)。
影像導航下植入椎弓根螺釘 這一步有兩種模
式可以應用:實時模式和導向模式。實時模式顯示
器械在術野內移動的過程 ,手術醫(yī)生自行調整螺釘
方向、 深度;導向模式由導向手柄依據系統(tǒng)確定的軌
跡 ,自動植入螺釘。
2 . 2 術中攝像導航
在手術室擺好體位和植入標志物后再行 CT、MR I或 C臂掃描 ,步驟相對簡單 ,無需術前攝片過
程 ,只在常規(guī)手術中加裝導航系統(tǒng)即可。CT和 MR I
術中攝像可以明顯減少注冊難度、 提高精度 ,但需要
特殊設備和相應的手術床。麻醉、 手術站位等細節(jié)
都需調整 ,目前只有少數醫(yī)院有條件實施[ 7, 8 ]。C臂
導航系統(tǒng)在術中可隨時透視 ,可同時顯示多個不同
角度的圖像及器械的相應位置 ,其定位系統(tǒng)較術前
· 15 · 脊柱外科雜志, 2005年 2月, 第 3卷 第 1期 J Sp inal Surg, February 2005, Vol 3, No 1
? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net攝像系統(tǒng)多一個 C臂校正器 ,用以向系統(tǒng)提供透視
時 C臂的空間位置 ,是目前常用的術中攝像導航
系統(tǒng)。
3 導航手術的應用概況
3 . 1 椎弓根螺釘
在這方面有大量的報道[ 9, 10 ]
,均認為導航技術
可顯著提高椎弓根螺釘的準確性。Braun等[ 11 ]
總結
75例此類手術 ,上頸椎所有螺釘導航下植入正確 ,但在腰椎僅有 84%的螺釘位置可靠。Ebmeier等[ 4 ]
行 112例胸椎椎弓根螺釘手術 , 6 . 3%螺釘錯位 , 11 .
5%觀察到微小的皮質穿孔 ,無神經、 血管和肺損傷。
Kotani等[ 12 ]
對頸椎椎弓根螺釘導航手術的對照研
究中 ,導航組無神經、 血管損傷;而在常規(guī)手術中神
經血管損傷發(fā)生率為 2%。但也有人置疑在臨床研
究中被認為“失準 (miss) ” 的螺釘與手術并發(fā)癥的
關系 ,認為考慮到應用導航技術的費用高、 技術性復
雜 ,一味追求精確性意義不大[ 13 ]。
3 . 2 上頸椎手術
上頸椎手術解剖復雜 ,手術難度大 ,引入導航技
術可降低手術風險。Fl orian等[ 5 ]
總結對 115例寰
齒關節(jié)半脫位患者的治療經驗 ,認為導航下行經關
節(jié)螺釘較傳統(tǒng)手術精度高 ,手術時間無明顯延長。
Veres等[ 14 ]
利用 HALO固定架固定 C1, 2 ,借助 CT神
經外科導航系統(tǒng)完成了 3例經口齒狀突切除術。
Vougi oukas等[ 15 ]
在導航下成功切除了 2例枕頸交
界處脊索瘤。
3 . 3 其他手術
Ohmori等人[ 16 ]
報道了 3例胸腰段爆裂性骨折
經導航系統(tǒng)行前路椎體切除術的成功個案。Woo2
dard等[ 7 ]
在 MR I輔助下行頸椎、 腰椎的多種手術 ,包括髓核摘除、 椎體切除、 椎間孔擴大、 椎板切除 ,認
為提高了手術精度,MR I導航還可幫助術者掌握減
壓程度。Haberland等[ 17 ]
應用 CT導航行 11例胸腰
椎腫瘤手術 ,術后 8周隨訪卡氏評分由 63%升高到
72%。Saghir等[ 18 ]
將導航技術用于治療類風濕性
脊柱畸形 ......
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