成功地利用导航定位技术进行脊柱手术

　
         

       美敦力导航设备

　

     　
 

    东方医院脊柱外科在谭军教授的带领下, 已经成功地利用导航定位技术(CT影像导航,透视影像扫描以及CT影像导航与透视影像扫描融和技术)进行了地脊柱外科手术。

　

　

现就详细介绍"影像导航脊柱外科"

影像导航技术的发展和应用是脊柱外科领域中的一个重要进步，该技术提供了对脊柱解剖结构多层面的详细观察，而脊柱结构以常规的外科检查是不易显现清楚的。这个技术允许外科医生制定术前进行复杂的脊柱器械操作的可行性，并在术中实时引导手术器械。影像导航技术能够提高脊柱器械植入的准确性和增加病人的安全性。


以CT为基础的影像导航系统用术前得到的CT数据在计算机工作站重建外科解剖结构的多层及三维图像。通过匹配已知的手术区域的解剖标记点和工作站显示的标记点，手术空间和图像空间相结合，这个过程称为配准。几乎任何脊柱外科器械都可以被跟踪，它的隐藏在脊柱下面的相对解剖位置也可在工作站的显示器中看到。最近发展的透视影像导航系统允许外科医生术中应用已保存的透视影像实时跟踪和引导外科器械。该技术考虑到用一个单一C型臂透视进行多层面导航的同时，又将放射剂量减少到最小值。
影像导航的应用已经从腰椎椎弓根钉植入扩大到更复杂的手术，如胸椎和颈椎的椎弓根钉植入以及脊柱前路手术。这个技术的应用前景是相当有希望的，包括最低限度的侵入性操作。

　

　

　

影像导航脊柱外科进展影像导航，也称为无框架立体定向，最初是为颅内手术发展而来，为脊柱手术应用而改进。用一部影像导航显微镜和皮肤标记作配准，Brodwater和Roberts等人尝试了从颅内手术到脊柱手术的转变。这些标记点由于皮肤下面脊柱解剖结构的相关运动，从而导致了很大的误差。Roessler等人得出结论，脊柱影像导航由于较低的准确性而阻碍了它的临床应用。


定位不准确被Foley等人解决了，他描述了应用简单可辨识的脊柱背侧的解剖标记作定位，这些定位点与固定在脊柱上的动态参照系统相关联。这些解剖学标记点避免了皮肤表面基准点的应用，对增加这项技术的准确性有很大意义。此外，在手术中增加或改变这些解剖学标记点，更增加了手术的灵活性。Kalfas 和Nolte演示了一些早期突破基础的研究，应用类似的影像导航技术来安全进行腰椎椎弓根钉植入。
影像导航技术还在继续以飞快的步伐发展。第二代CT和透视导航系统现在已应用于各种脊柱手术，包括颈1-2螺钉植入融合术、颈胸段椎弓根内固定术和椎体切除术。

CT影像导航
典型脊柱外科影像导航系统由若干部件组成，包括一部光电照相机、手术参照系统（动态参照系统或DRA）和各种定制的脊柱手术器械（钻套、探针、开路器、丝锥、丝攻等），发光二极管（LEDs）与这些器械及动态参照系统相连，并且被光电照相机跟踪。
这套系统还包括一部运行系统软件和导航界面的计算机工作站。一部光学跟踪数字转换器指引照相机曝光和捕获发光二极管，测量手术部位的发光二极管和器械的三维空间位置，并将信息传到工作站。导航系统的软件由CT和MRI数据传输程序以及注册配准、手术计划和定位等程序组成。其他三维定位方式如红外线（被动标记）、声波及电磁也被用到。
技术描述
手术前，用特殊扫描协议（薄层连续扫描）扫描相关的脊柱节段，将扫描数据用数字音频磁带、光盘或通过局域网传到计算机工作站，工作站再将这些数据重新转换为矢状、冠状及水平位图像相当于解剖学的三维重建，这些重建图像允许外科医生在术前计划任何角度及满意方向的虚拟植入。这个过程提供给外科医生满意的脊柱解剖学的三维图像，优化了植入方式及病人进入手术室前的安全。预先计划还对决定施行一些技术上很复杂的手术的可行性上有所帮助。如颈1-2螺钉植入融合术，在不同的病人之间，会受到解剖变异上的影响。
接下来的步骤是病人的配准，手术区的解剖和影像解剖的相互关系可以在计算机工作站上显示。在单个脊柱节段的图像上选择3-4个最小的清楚的解剖标志点开始配准。显露脊柱后，将手术参照系统（DRA）固定在椎体上，这样就不会阻挡外科医生的视线或者使手术停止。再用带着发光二极管的探针接触已显露的脊柱上的解剖学标记，使其与在计算机工作站上选择的标记相吻合，这个方法称为双点匹配法。手术参照系统实时被光电照相机和数字转换器观察，这样就能显示已标记过的椎体的踪迹。因此，在手术参照系统被保持固定的同时，配准的准确性得到了保证。不论脊柱怎样随病人的呼吸、位置变化还有术中操作而发生运动都不会改变。
计算机工作站然后会量化配准时的误差，用一个指数来决定实际外科解剖和电脑显示之间匹配的准确性。在大多数脊柱手术中小于1.5毫米的定位错误通常是可以接受的，但程序特殊的局限性还是存在。在导航开始前，解剖上配准的准确性必须确认。当外科医生用标记探针接触到病人脊柱上的几个标志点时，在多层面显示的CT图像上"虚拟"探针也被看到接触到与之相符合的点。
配准成功后，以前认为看不到的三维空间解剖学定位现在非常容易的显示在计算机工作站的屏幕上，导航器械的尖端和轨迹在解剖上的相关位置上被显示出来。手术器械或植入的轨迹的任何必要的改变都可以通过观察显示器来制定，以避开重要的神经结构。这样，安全的脊柱导航就完成了。

　

未来影像导航的发展


影像导航技术正以惊人的步伐发展并且所有迹象都显示这种发展将继续下去。明显的进步就是二维透视和三维影像的结合。完成这个结合的一个意义就是通过影像联合定位技术，这项技术使得术前获得的CT数据与术中的透视图像像相匹配，另一个意义是通过一个同中心的C型臂透视来建立术中的CT影像。其他正进行的发展包括同时注册和跟踪多个椎体节段，以及影像导航和使用内窥镜的微侵袭脊柱手术的结合。

   术中应用影像导航改革了手术方式，许多外科医生利用这种方法来治疗脊柱疾患。现在这种方法在常规的和复杂的手术过程中都被应用。这种技术提供了"隐形解剖学"的可视化，并且增加了外科医生安全地引导手术器械通过脊柱的能力。

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　


　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

        

    新手术方法使用的系统与GPS全球卫星定位系统相似。利用这种计算机支持的导航定位系统，在施行脊柱手术时将摄像机实时拍摄的图像同手术前拍摄的图像数据，例如计算机断层扫描片相对照，就可以从屏幕上看到他的手术器械处于脊骨体内的准确位置。新方法的优点在于提高了手术的精确度，减少了手术过程中出现并发症的可能。

　

　

　

　

　

　

　

　

    近年来，脊柱外科领域的发展相当迅速，其中最主要的进步之一就是影像导航技术在脊柱外科的应用。影像导航提供了脊柱的三维影像，它能够被用于术前制定手术计划和术中导航。该技术考虑到那些隐蔽的解剖结构--脊柱的某些结构在常规的外科检查中是不能被观察到的，但它们的位置可以通过与之相关的已知骨性标志来推断。
在影像导航技术问世之前，外科医生的治疗是依靠他们术前所得到的影像（X光平片、CT、MRI）和术中的图像如连续X线拍片和透视。解剖学上的变异，解剖标志的缺乏，复杂的结构和术中很少的影像资料影响着这种治疗过程。即使是最有经验的外科医生，用传统的手术方法进行脊柱定位手术也有很大的局现性。例如，几个临床和实验研究已经显示：用传统方法行腰椎椎弓根钉植入的失误率为20～30%，与此相比，影像导航技术应用在椎弓根钉植入中失误率只有0～4%。随着脊柱外科技术的不断发展，影像导航技术将允许外科医生更精确和安全的进行复杂手术。


CT影像导航的缺点
尽管CT影像导航有一些好处，同时这项技术也有明显的缺点。首先，它要求术前使用特殊的连续薄层扫描，这就会增加脊柱手术的费用和时间，特别是病人术前已经有一个非影像导航方式的诊断扫描。其次，有一个学习曲线包括注册解剖学标志，而复杂的解剖结构会增加配准过程的时间，从而延长手术时间。最后，导航所用的CT图像往往都是在术前所扫描的，椎体节段间的关系（如在单独椎体和骨折碎块之间或椎间盘和峡部不连腰椎滑脱的椎体间）就不能准确显示。因为在CT扫描时它们的相对位置到手术后就可能变得不同了。

　
透视影像扫描
C型臂透视和计算机定位手术技术的结合提供了一种新颖的术中影像导航的方法。C型臂透视对大多数脊柱外科医生来说都是熟悉的，它提供了实时的术中脊柱解剖的可视化。最显著的缺点就是放射线暴露。此外，C型臂透视一次仅能提供一个单平面的解剖学投影，其次，手术过程要求多平面的透视图像，这样C型臂在手术过程中就必须多次重新配置，是非常单调和麻烦的。
透视法和计算机技术的结合增加了标准透视法的优点，减少了它的缺点。一旦经过一次或多次投照中获得的透视图像和位置校准后，计算机就可以建立起一个透视图像的模型，将被追踪的手术器械与保存的图像叠加在一起。当手术器械与之前获得的透视图像发生关系时，系统可以同时显示它在多个平面上的位置，这种方式称为"虚拟透视"。因为透视图像被保存，手术人员可以从手术区域离开，职业性的放射线辐射就大大减少了。由于系统已经保存了多次投照的影像和有效的数据来建立一个多平面显示模式，耗费时间的C型臂重新摆位也就不需要了。事实上，C型臂可以从手术区域推离，导航可以实时继续。没有了C型臂的阻挡，外科医生就会有一个最佳的工作环境和舒服的进行手术。


技术描述
虚拟透视系统是由C型臂透视X光机、联结在C型臂上的校准靶、图像导航计算机系统以及能被系统跟踪的手术器械所组成。系统操作的第一步是将手术参照系统固定在导航手术部位的解剖结构上进行透视，这样术中病人的透视图像就被得到并自动传送到计算机进行处理。第二步，病人和C型臂的相关位置被一部光电照相机测量，光电照相机可以跟踪病人和C型臂上的发光二极管和被动反射球的位置，然后计算机校准先前通过参考第一步的位置和测量而得到的图像。最后，通过照相机的应用，计算机决定手术器械的位置，然后建立一个手术器械加入校准了的透视图像的覆盖图。系统可以同时显示手术器械在各个不同平面图像中的真实位置。


透视影像导航的缺点除去它的优点，透视影像导航也有一些明显的局限性。这种导航只能提供实时的不同平面的二维导航，不能提供像CT影像导航中很有用的重建的水平面的图像，其形成的图像也取决于透视投照的质量。因此，在肥胖或长有骨赘的病人或有严重脊柱畸形的病人中，显示某些图像可能会有困难，也有可能导致导航失败。最后，尽管职业性放射线暴露比标准透视大为减少，但依然存在，而在CT导航中就不会碰到。

影像导航进程
最初的临床和实验室所做的利用影像导航实施脊柱手术的研究都集中在改进腰椎椎弓根钉植入的功效上。这项技术被广泛接受后，外科医生们开始利用各种有前途的成果将这项技术发展成综合的技术。Kim等人利用影像导航技术使胸椎椎弓根钉的误植率达到4.2%以下，并发现误植率还可以随着此项技术的操作经验的提高而得到明显改进。Foley和Smith描述了利用影像导航来进行颈1-2螺钉植入融合术的效果。以前的解剖学研究显示，20%的病人具有反常的椎体解剖结构，至少一侧可用标准的透视技术除外颈1-2螺钉植入融合术中螺钉的安全置入。Mandel等人分析了颈1-2联合体的形态学特征和尺寸，认为颈2的关节突关节的宽度及高度如小于5mm，那对于3.5mm螺钉置入的安全通道来说就太狭窄了。使用CT影像导航，Bloch等人发现，如果病人的颈2的关节突关节的宽度及高度如大于4mm，那么固定螺丝钉就可以被安全置入。他们得出结论，这项技术的精度使那些先前认为从技术上不能进行手术的病人从20%下降到6%。
脊柱前路手术的影像导航还没有被研究，部分是因为在脊柱腹侧表面能够明显定位的骨性标记很少。然而，在现代这样一个脊柱重建时期，脊柱前路手术开展的频率正逐步提高，并形成影像导航中的必要部分。Bolger与其他作者描述了在多种颈椎前路手术中影像导航的应用，Holly也报导了影像导航在前路胸腰椎手术中的潜在应用。