导航技术在外科腰椎手术的应用及进展

何毅李康杰

延边大学附属医院脊柱外科吉林延吉133000

自1992年KevinFoley将StealthStation导航系统率先运用于脊柱外科手术当中，三维导航技术发展迅速，同时在脊柱外科手术中的重要性也逐渐受重视，三维导航系统也逐渐成为现代脊柱外科手术中不可缺少重要辅助设备[1]。在运用三维导航技术之前，脊柱外科医生在手术当中，大多数人脊柱外科大夫只能依靠自身多年临床经验及手术之前的影像资料来判断，依据术中的C型臂X线透视进行定位。但是，由于脊柱手术本身复杂，结构也特殊，手术当中因患者均存在的特异性，损伤脊髓神经的发生仍无法完全避免[2]，且脊柱手术中常为多空间立体操作，手术难度及风险性一直居高不下。而三维导航系统组成分为导航定位跟踪仪、定位跟踪仪建立的工作站两大部分，在空间立体定向技术当中我们可以通过图像分析，以方便我们通过三维导航图像来跟踪手术器械的具体位置，提高手术的安全性。并随着三维导航技术不断改善，三维导航技术的运用不仅提高手术具体操作过程中的准确性，同时减少X线的辐射量，大大降低在手术当中对于患者及医务人员的危害性。因此三维导航技术逐渐被脊柱外科医生认可并运用到临床手术当中。据相关文献[4]阐述使用传统C型臂定位下行腰椎椎弓根钉植入的成功率为70％～80％但是导航技术下高达96％～100％，明显降低了其风险性，最大程度保证手术的准确无误，三维导航技术因其显著的优点，逐渐被广泛运用脊柱外科手术当中[5]。

1.骨科计算机辅助导航技术的历史沿革

1986年Roberts教授首次在文献中报道通过使用声波数字化仪器来跟踪手术器械或显微镜的方法，随之经典无框架立体定向技术被广泛用在神经外科手术当中。随后，Reinhard和Bernett等学者对超声波定位系统进行了改良，使手术精度及安全性得到了很大的提高，但其对外界客观因素（声学环境及温度）存在较高的要求，以减少其对定位系统的干扰。1991年美国学者Pell和日本学者Wanatab相继发明了遥控机械臂定位系统，其虽相对于其他设备优势在于不再受瞄准线的限制，但因为体积庞大，在临床操作使用中仍存在诸多不便。1992年，Amiot等将红外线导航系统应用在脊柱外科领域，使腰椎椎弓根固定术通过在计算机导航辅助下来完成。这是世界上第一台光学手术辅助导航系统，由于其精密、准确度较高，所以成为当时市场上的主流产品。1999年发明了第一台运用在骨科手术的辅助导航并投入临床使用。而红外线及X线透视跟踪技术、计算机定位手术技术的结合大大创新了以往的定位成像技术[6]，并可准确掌握患者的病变结构，使手术能够更加安全、精确。

2.三维导航系统的原理

三维导航系统的原理[7]，与经典立体定向技术相比较，现代三维导航技术的“无框架”是其特殊的一点，通过对于术前的三维CT资料来构建其手术时的真实解剖结构，不需要任何框架模式，通过一个运动分析系统来引导外科医生进行手术操作。在术中通过光学（红外线）、磁（电磁场）和声学（超声）信号来进行精确定位，从而辅助外科医生，光电、磁电和声电导航系统，红外线发射的二极管（GHF9）的光电导航系统在临床上得到最广泛的应用。导航系统的重要组成部分：（1）LEDs的器械，使用含有LEDs不易弯曲，刻有标度，计算机内存有他们得详细几何参数测量值；（2）对于装有LEDs的动态参照物，从而保证能够准确标注外科手术部位及空间位置，（3）计算机所得到的数据是由红外相机系统在术中通过器械和信号搜集得到的。（4）计算机图像处理系统和导航软件组成的中心控制器和工作站，通过对于搜集数据的处理，模拟形成三维影像图像，在手术中指定导航计划，中央工作站可以模拟神经、血管等结构。

3.导航系统的评价

三维导航技术已经运用在当今各种脊柱外科手术当中，在以前的手术当中大多数是根据医生多年临床实践经验和术中C型臂透视产生的二维图像来确定具体的手术方式，但是由于脊柱解剖结构较为复杂，而且每个患者尤其个体差异性，所以二维图像对临床手术只当中也有其局限性[8]，有时即使临床经验丰富的脊柱外科专家也会因脊柱结构的复杂性，导致椎弓根被螺钉穿破，方向错误致神经损伤的事情发生，多年来人们一直在寻找能够改善术中定位的方法，随着以CT为图像为基础的计算机导航被普遍运用于脊柱临床手术，脊柱外科医生能通过实时3D图像来跟踪器械并随之调整，手术成功率也随之大幅提高。

三维导航的主要优点：1）定位迅速准确，避免且可减少神经副损伤，通过三维导航技术能够准确的了解脊柱椎体的解剖结构和手术中跟踪手术器械的位置和方向，提高手术的准确度及安全性，国外有关报道三维导航可以最大减小椎弓根钉植入误差率。有关文献报道导航[9]系统的准确率可达到1.0-1.7mm，根据术中导航的精确度及术中匹配来决定。2）三维导航仪相对于传统C型臂可以缩减手术时间，减小伤椎及邻近椎体的创伤，但是，导航行PKP时因要多切一个小口固定导航系统，所以相对于C型臂下行PKP也延长了一部分时间，而且导航技术运用初期，对于导航操作系统运用的不熟练，可能会增加一定的手术时间，但是熟练掌握操作后，并且术中定位准确，在手术中尽可能避免反复不必要的操作，从而也会大大降低手术时间。导航系统针对于脊柱结构特殊且复杂的手术有其不可替代的优越性。3）有利于脊柱外科医生能更加全面的了解脊柱脊髓的解剖结构，提高手术质量。

三维导航技术的局限性：1）由于三维导航设备价格昂贵，在临床中还得不到广泛应用。同时术中运用三维导航产生较高的手术费用从而增加了患者的医疗费用。2）三维导航系统需要熟练掌握导航的专业技术人员来精确操作。操作不熟练及错误的操作会延长手术时间而且加大了手术中风险。3）术中的假象指的是在计算机显示的三维重建影像与实际影像之间的误差。这是导航系统的最大的缺点。所以医生和相关操作技术人员在使用导航之前应该深入掌握相关技术，充分了解导航系统的优点及缺点，从而最大程度地降低失误率。4）扫描相应椎体受限。一次最多只能扫描4-5个椎体。跨阶段需反复多次扫描。

4.导航技术在临床中的实际运用

导航技术的优点很多，但是同时对于操作人员的要求也很高，否则操作一旦失误，就会大大降低导航的精准性，会出现较大的误差[10]。误差的出现不光有人为原因，还有其本身客观原因，有时候机器本身的设计缺陷也会导致误差，所以我们在导航运用中要依据具体情况来操作，这样会最大程度降低误差[11]。有文献相关报道[12]总结以下几点经验。（1）在操作导航系统中，尽量避免周围安放金属类物体，以免受到干扰信号。（2）在导航器固定棘突后，不得再移动，若术中发现导航器有松动的可能性的时候，即使操作繁琐也要再次性导航注册。（3）要保持信号通畅，按照正规操作来操作各种仪器。（4）术中要精确定位伤椎，完成C型臂等先关仪器的正确注册。（5）在术前我们要固定好患者的体位，防止患者在术中的移动。（6）一旦图像受到干扰，我们要终止操作，再次注册后再行手术。

5.导航技术未来的发展

三维导航系统对在当今脊柱外科手中有重要的贡献，但是同时对于操作人员的要求也很高，否则操作一旦失误，就会大大降低导航的精准性，会出现较大的误差[13]。误差的出现不光有人为原因，机器本身的设计缺陷也会导致误差，所以我们在导航运用中要依据具体情况来操作，这样会最大程度降低误差。虽然目前导航技术在临床不断地推广和应用，但是同时也会受到三维导航仪“假象”的干扰，也大大限制了导航技术的发展，很大程度上降低了三维导航技术的精确性。所以要求导航技术在未来的探索中找到避免假象的方法，提高导航技术的安全、准确性。还要使导航系统的操作方法更为简便、实用，更为普及的运用在临床手术当中。随着导航的发展，将会对脊柱外科手术安全性及准确性大大提升，今后还会运用在更多脊柱临床微创手术当中，提高手术的效率及安全性，来减轻患者的痛苦，相信导航技术有美好的未来[14]。

参考文献：

[1]MichaelPSilverstein，MichaelMacMillan，IsadorHLiebermanKyphoplasty：Traditionalimagingcomparedwithcomputer-guidedintervention—timetorethinktechnique[J].Evidence-BasedSpine-CareJournal.Volume1/Issue1—2010

[2]MolinaGS，CamperoA，FeitoR，etal.KyphoplastyinthetreatmentofosteoporoticVertebralCompressionFractures（VCF）：proceduredescriptionandanalysisofanalysisoftheoutcomesin128patients[J].ActaNeurochirSuppl，2011，108：163-170.

[3]HarveyE.PhD.ComparisonofRadiationExposureinLumbarPedicleScrewPlacementWithFluoroscopyVsComputer-AssistedImageGuidanceWithIntraoperativeThree-DimensionalImaging[J].TheJournalofSpinalCordMedicineVolume31Number52008.

[4]GarfinS，WongX，ReileyMA.Vertebroplasty/Kyphoplasty.Jwomen`simaging，2000，2：117-124.

[5]BarbaraM.Dirhold&MustafaCitak&HeshamAl-Khateeb&CarlHaasper

&DanielKendoff&ChristianKrettek&MusaCitak.Currentstateofcomputer-assistedtraumasurgery[J].CurrRevMusculoskeletMed（2012）5：184–191

[6]Yasser，Allam，J.Silbermann，F.Riese，R.Greiner-Perth.Computertomographyassessmentofpediclescrewplacementinthoracicspine：comparisonbetweenfreehandandageneric3D-basednavigationtechniques[J].EurSpineJ（2013）22：648–653.

[7]DietrichSchlenzka，TimoLaine，TeijaLund.Computer-assistedspinesurgery[J].EurSpineJ（2000）9（Suppl1）：S57–S64.

[8]孙旗，徐林，俞兴，等.术中三维影像脊柱导航引导椎体成形术治疗椎体压缩骨折.[J]中国矫形外科杂志，2009，17，（12），891-894.

[9]YohanRobinson，ChristophEHeyde，PeterF?rsthandClaesOlerud，Kyphoplastyinosteoporoticvertebralcompressionfractures-Guidelinesandtechnicalconsiderations[J].Robinsonetal.JournalofOrthopaedicSurgeryandResearch2011，6：43

[10]GoYoshida，TokumiKanemura，YoshimotoIshikawa.PercutaneousPedicleScrewFixationofaHangman’sFractureUsingIntraoperative，FullRotation，Three-dimensionalImage（O-arm）-basedNavigation：ATechnicalCaseReport[J].194/ASJ：AsianSpineVoJol.u6r，nNaloV.o3l，.260，1N2o.3，pp194~198，2012.

[11]MichaelDavidKrausMD，GertKrischakPDDr，PeterKepplerPDDr，FlorianT.GebhardMD，UweH.W.SchuetzDrmed.CanComputer-assistedSurgeryReducetheEffectiveDoseforSpinalFusionandSacroiliacScrewInsertion?[J].ClinOrthopRelatRes（2010）468：2419–2429.

[12]ElerakyM，PapanastassiouI，VrionisFD.Managementofmetastaticspinedisease[J].CurrOpinSupportPalliatCare，2010，4（3）：182-188.

[13]CitakM，StubigT，KendoffD，etal.Navigatedminimallyinvasivethoracolumbarpediclescrewplacementwithflatpanel3-Dimaging.Afeasibilitystudy[J].TechnolHealthCare，2010，18（2）：101-110.

[14]ThorstenTjardes，SvenShafizadeh，DieterRixen，ThomasPaffrath，BertilBouillon，EvaS.Steinhausen，HolgerBaethis.Image-guidedspinesurgery：stateoftheartandfuturedirections[J].EurSpineJ（2010）19：25–45.

作者简介：何毅（1989-），男，延边大学延边医院，硕士研究生，研究方向为脊柱外科。

[通讯作者]李康杰，延边大学附属延边医院，教授，研究生导师