第一部分 计算机导航技术辅助脊柱外科手术概述
第一章 计算机导航技术在脊柱外科的应用简介
近年来,随着计算机技术和精密机械自动控制技术的日益成熟,其在医学领域的应用进展迅速,计算机医学图像处理技术、立体定位导航技术、医用机器人技术以及远程医疗技术等相结合,形成了一门崭新的医学生物工程研究学科——计算机辅助外科手术(computerassisted surgery)技术,简称CAS。与此相对应,其在骨科领域的应用称为计算机辅助骨科手术(computer-assisted orthopaedic surgery)技术,简称 CAOS。
纵观骨科学的发展历史,现代骨科学领域的进步都与科学技术的进步密切相关,并且受到科学技术发展水平的限制。在不同的时代,外科医师的追求其实都是一致的,都希望通过最精确、最微创的方法,最大限度地解决患者的病痛,同时最大限度地保留患者的生理功能。但是这一愿望会受到同时代科学技术发展水平的限制。最初的骨外科手术是以截肢等毁损性手术为主,随着19世纪无菌技术和麻醉技术的进步,20世纪X线和抗生素的发现和应用、输血技术的发展,生物医学工程和材料学的进步,使骨科技术逐渐发展到以矫正畸形、切除病灶同时保留肢体功能为主,如各种关节置换技术和内固定技术等。现在,如何才能最大限度地减少手术创伤,仍然是外科医师不懈追求的目标。计算机断层影像(computer tomography,CT)、核磁共振影像(magnetic resonance image,MRI)以及计算机三维影像重建技术等现代影像技术已经基本可以实现骨科疾病的术前精确定位诊断,但是在骨科手术过程中,能够应用的影像技术仍然以术中X线透视和平片为主,仅能提供解剖结构的二维信息,可能会误导术者,而且术中放射线量过多会对术者和患者造成放射性损伤。那么,如何才能实现术中即时的三维立体解剖结构重现呢?随着立体定位技术和影像融合技术的发展,计算机导航辅助骨科技术应运而生,其原理源自全球卫星定位系统(global positioning system,GPS),是通过定位系统将虚拟坐标系(virtual coordinate system,术前或术中获取的影像资料)和世界坐标系(world coordinate system,手术操作的实际空间)进行匹配的过程,其基本要素为基准点的建立、参考点的照合和实时跟踪等。
计算机导航技术在脊柱外科的应用是计算机辅助骨科手术技术的一个重要组成部分。脊柱外科手术近年得到了很大的发展,但是由于脊椎手术本身的特点及脊柱的复杂结构,手术难度和危险性很高。许多手术技术需要进行复杂的立体操作,这些操作在非可视的情况下进入脊柱内部,会进一步增加手术的风险性,如椎弓根螺钉内固定、寰枢椎关节间固定(Magerl术)及经后路椎体截骨矫形等。自20世纪50年代开始,医学领域开始对立体定向系统的应用进行探索,90年代出现计算机导航辅助脊椎椎弓根内固定的报道,虽然对于导航系统在脊柱外科领域的应用价值存在争议,但随着该技术的逐步发展完善,显示出了精确定位的明显优点,提高了手术的安全性,并且术中X线照射量会大大减少。因此越来越多的脊柱外科医师认可并接受了该项技术。我国也已经成立了中国计算机辅助外科学会,多学科的交叉合作和联合研发,必将有力地推动该技术在我国的推广普及和规范化发展。
计算机辅助骨科技术另一方面的应用在手术机器人系统的研发和使用上。机器人系统应用于骨科临床的尝试已经有很多,但是对其临床实用性一直存在争议。此类系统一般均价格昂贵,但临床可应用的领域有限。早期的外科机器人系统多由工业机器人系统改造而成,体积较大,临床应用和器械消毒均非常不方便。而且,对于完全依赖机器人进行的关键步骤操作,大多数外科医师心存疑虑,担心系统一旦发生故障,后果有可能是灾难性的。随着科学技术的进步,更加具有临床实用性的小型化机器人也逐渐发展起来,如Shoham等设计的MARS(miniature robot for surgical procedures)系统。该系统重量只有200g,体积为5cm×5cm×7cm,具有6个方向的自由度。该系统在术中可以直接固定在解剖结构上,进行脊柱外科椎弓根螺钉或创伤骨科远端带锁髓内针的置入。在骨科临床应用中,被动式导航系统仍然占有绝对的主导地位,是目前的发展方向。但是,随着机器人系统研发的进步,主动式导航系统在未来有可能成为最具发展潜力的外科技术。
总之,随着现代脊柱外科手术技术的进步,使手术操作向着非可视的立体操作方向发展,对术者的技术要求更高,但人工操作技术难以保证某些复杂操作的精确性。另外,患者对于治疗结果的要求也越来越高,并可能引发出相应的医疗纠纷。因此,急需一种新的技术辅助外科医生提高操作准确性。计算机导航技术是脊柱外科智能手术的起点,是外科手术的一个新纪元,显示了明显提高手术安全性的巨大优点,预示了外科手术的智能化发展方向并为机器人手术技术的探索奠定了基础,将来有可能成为脊柱外科手术的必备条件。
(田 伟)