骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)導(dǎo)航的開發(fā)與應(yīng)用

王 剛，沈 曦，汪思琦，張?jiān)娎?，王成燾

1 上海醫(yī)療器械股份有限公司，上海市，2001292 上海市第九人民醫(yī)院，上海市，2000233 上海交通大學(xué)，上海市，200030

骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)導(dǎo)航的開發(fā)與應(yīng)用

【作 者】王 剛1，沈 曦1，汪思琦1，張?jiān)娎?，王成燾3

1 上海醫(yī)療器械股份有限公司，上海市，200129
2 上海市第九人民醫(yī)院，上海市，200023
3 上海交通大學(xué)，上海市，200030

骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)導(dǎo)航由四大基礎(chǔ)功能模塊和三大技術(shù)系統(tǒng)所組成。本項(xiàng)研究將建立這些功能模塊，在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)上，由骨科專家和軟件專家共同開發(fā)，研制成為適合于亞洲人種的骨與關(guān)節(jié)手術(shù)導(dǎo)航新型軟件并用于醫(yī)療實(shí)踐。

骨與關(guān)節(jié)；手術(shù)導(dǎo)航；轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)

1 建立骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的意義

剛剛過(guò)去的十年（2001～2010），世界衛(wèi)生組織把這10年定義為骨科的10年。隨著世界老齡化時(shí)代的到來(lái)，老年人的骨與關(guān)節(jié)疾病問(wèn)題越來(lái)越突出。

骨科導(dǎo)航技術(shù)最早應(yīng)用于椎弓根螺釘植入術(shù)。1995年，Nolte等人開始在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助下的椎弓根釘植入術(shù)實(shí)驗(yàn)[1]。Merloz等分別對(duì)64例椎弓根釘植入術(shù)使用傳統(tǒng)植人和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行比較，偏差率分別為44%和9%。此項(xiàng)技術(shù)可以不用很大的切口去暴露脊椎，尤其是對(duì)因接受多次手術(shù)導(dǎo)致解剖位置不清的患者，通過(guò)三維重建圖像技術(shù)可以術(shù)前確定椎弓根釘?shù)奈恢?，術(shù)中通過(guò)顯示屏監(jiān)測(cè)和控制螺釘進(jìn)入的方向、位置和深度。體外實(shí)驗(yàn)表明，深度控制精度可達(dá)1 mm[2]。此項(xiàng)技術(shù)安全、精確，可以應(yīng)用于脊柱側(cè)凸、脊柱滑脫、脊柱骨折等脊柱疾病患者。

圖1 椎弓根螺釘植入術(shù)Fig.1 Pedicle screws implantation

骨科導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)中主要應(yīng)用在人工全膝關(guān)節(jié)置換（TKA）和交叉韌帶重建手術(shù)上[3-5]。在TKA手術(shù)中，最關(guān)鍵的是確定假體的位置和力學(xué)軸線，如果有偏差，則會(huì)增加假體的磨損以致發(fā)生假體松動(dòng)，出現(xiàn)功能障礙等。有研究表明，假體軸線偏離力學(xué)軸線3o，就會(huì)導(dǎo)致功能異常或者加速失效，它在許多翻修的人工膝關(guān)節(jié)病例中已被證明[6]?，F(xiàn)在使用的力線模板雖然能保證假體置入的準(zhǔn)確性，但即使是由經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生操作，仍然有至少10%的假體軸線偏離正常位置3o以上，而且機(jī)械模板沒有個(gè)性化，術(shù)前對(duì)于肢體軸線的確定由于受到影像學(xué)的限制，不一定十分準(zhǔn)確。骨科導(dǎo)航技術(shù)在TKA術(shù)中的應(yīng)用解決了這些問(wèn)題。

在骨折的微創(chuàng)治療中，手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)也發(fā)揮著重要的作用。新近開展的經(jīng)皮骶髂關(guān)節(jié)內(nèi)固定、經(jīng)皮骨盆骨折內(nèi)固定、長(zhǎng)骨干的復(fù)位和固定以及脊柱骨折等手術(shù)一般都是通過(guò)C型臂或者CT進(jìn)行導(dǎo)航[7]。在長(zhǎng)骨干骨折中，傳統(tǒng)手術(shù)受手術(shù)入路和術(shù)野暴露情況的限制，利用手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)術(shù)前可以模擬手術(shù)，以健側(cè)骨干為模板進(jìn)行復(fù)位并確定內(nèi)固定物的位置，評(píng)估術(shù)后的固定效果，在術(shù)中可以指導(dǎo)復(fù)位和安放內(nèi)固定物。

2 建立手術(shù)規(guī)劃與手術(shù)導(dǎo)航軟件開發(fā)平臺(tái)

雖然國(guó)外對(duì)手術(shù)導(dǎo)航已經(jīng)有了較多的研究，并且已實(shí)現(xiàn)了商品化，開始通過(guò)各種渠道進(jìn)入中國(guó)醫(yī)療市場(chǎng)，但我們必須建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。因?yàn)椋?/p>

(1) 現(xiàn)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外骨與關(guān)節(jié)外科導(dǎo)航系統(tǒng)通用程度小，價(jià)格過(guò)于昂貴，超過(guò)了其實(shí)際的價(jià)值，在這樣的性價(jià)比狀態(tài)下，中國(guó)的骨與關(guān)節(jié)外科醫(yī)療市場(chǎng)普遍難以接受。

(2) 一部分導(dǎo)航軟件是基于骨骼解剖統(tǒng)計(jì)學(xué)模型而建立的，國(guó)外導(dǎo)航軟件都是針對(duì)國(guó)外人種，不適合我國(guó)的國(guó)情。

(3) 國(guó)外導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)均是以國(guó)外品牌骨科器械為適配對(duì)象。如Stryker公司的導(dǎo)航系統(tǒng)適配的是自己生產(chǎn)的髖膝關(guān)節(jié)、脊柱植入物及手術(shù)器械；BrainLab開發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)適配的是強(qiáng)生生產(chǎn)的髖膝關(guān)節(jié)、脊柱植入物及手術(shù)器械。隨著國(guó)產(chǎn)植入物的發(fā)展及在臨床上的廣泛使用，必須開發(fā)適配國(guó)產(chǎn)植入物的骨科導(dǎo)航系統(tǒng)，這只能通過(guò)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的骨與關(guān)節(jié)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)平臺(tái)予以實(shí)現(xiàn)。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)規(guī)劃與手術(shù)導(dǎo)航軟件開發(fā)平臺(tái)包含的關(guān)鍵技術(shù)是影像處理技術(shù)、術(shù)前三維模擬技術(shù)、術(shù)中空間配準(zhǔn)和校準(zhǔn)技術(shù)、導(dǎo)航工具開發(fā)技術(shù)。由骨科專家和軟件專家共同開發(fā)，適合于亞洲人種的骨與關(guān)節(jié)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)由四大基礎(chǔ)功能模塊和三大技術(shù)系統(tǒng)所組成。

2.2 基礎(chǔ)功能模塊

2.2.1 醫(yī)學(xué)斷層圖象的三維重建模塊具備的功能

(1) 能夠讀取不同成像設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)影像模板圖庫(kù)影像數(shù)據(jù)；

(2) 對(duì)含噪聲成份較多的圖像，能夠進(jìn)行去噪聲處理；

(3) 能夠根據(jù)需要進(jìn)行必要的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)，并能將保證配準(zhǔn)精度滿足后續(xù)處理的需要；

(4) 圖像分割，病灶幾何參數(shù)測(cè)量；

(5) 病灶及其周圍組織的三維重建；

(6) 重建后模型任意方向平面和曲面切片圖像再現(xiàn)；

2.2.2 手術(shù)規(guī)劃模塊具備的功能：

(1) 場(chǎng)景視角轉(zhuǎn)換與放大縮小功能，以及骨與關(guān)節(jié)三維模型的人機(jī)交互式的任意旋轉(zhuǎn)移動(dòng)功能，使醫(yī)生可以不同角度觀察以獲得足夠的信息對(duì)患者進(jìn)行診斷，或進(jìn)行特定的手術(shù)設(shè)計(jì)；

(2) 手術(shù)規(guī)劃中特定的三維實(shí)體模型幾何造型功能；

(3) 解剖部位的人機(jī)交互式三維幾何測(cè)量功能，以及三維模型之間的距離檢測(cè)功能骨與關(guān)節(jié)三維模型表面積與體積的計(jì)算功能；

(4) 手術(shù)規(guī)劃中病變部位、腫瘤、或畸形骨的切除切割功能；

(5) 骨與關(guān)節(jié)三維模型、或與手術(shù)器械模型之間是否發(fā)生干涉、或碰撞的檢測(cè)功能；

(6) 手術(shù)規(guī)劃中的數(shù)據(jù)、或操作記錄信息的編輯、存儲(chǔ)、查詢、撤銷與恢復(fù)功能；

(7) 輔助功能，多彩色顯示或透明顯示功能，規(guī)劃軟件模塊應(yīng)界面友好、具有易操作性與可擴(kuò)展性等。

2.2.3 空間配準(zhǔn)模塊具備的功能

(1) 三維重建模型上配準(zhǔn)點(diǎn)的提取功能；

(2) 手術(shù)中患者位置上配準(zhǔn)點(diǎn)的提取功能；

(3) 不同類型點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的空間配準(zhǔn)功能，如離散點(diǎn)對(duì)離散點(diǎn)的配準(zhǔn)、點(diǎn)云對(duì)點(diǎn)云的 配準(zhǔn)、點(diǎn)云對(duì)NURBS曲面的配準(zhǔn)等；

(4)術(shù)中實(shí)時(shí)跟蹤患者和器械模型的功能

2.2.4 手術(shù)器械模型庫(kù)模塊具備的功能

(1) 手術(shù)器械模型實(shí)時(shí)可視化功能；

(2) 為不同類型手術(shù)提供不同手術(shù)器械模型的功能；

(3) 對(duì)特制手術(shù)器械進(jìn)行快速模型設(shè)計(jì)與標(biāo)定的功能；

(4) 實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械與定位器間標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)的功能。

2.3 技術(shù)系統(tǒng)

為使骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)導(dǎo)航于臨床手術(shù)中，專門開發(fā)了三大技術(shù)系統(tǒng)

2.3.1 無(wú)影像手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)

適用于手術(shù)部位暴露面大、骨與關(guān)節(jié)手術(shù)部位穩(wěn)定、骨與關(guān)節(jié)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)特征等的骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)類型，如膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)導(dǎo)航系統(tǒng)。

2.3.2 基于CT/MRI影像的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)

適用于術(shù)前需要了解病變部位的具體特征或術(shù)前需要嚴(yán)密的手術(shù)規(guī)劃或術(shù)前需要制作與患者匹配的植入

體等的骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)類型，如上海交通大學(xué)正在研究中的頜面外科導(dǎo)航系統(tǒng)、骨腫瘤活檢導(dǎo)航系統(tǒng)。

2.3.3 基于C形臂X光影像的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)

適用于不需要復(fù)雜的術(shù)前重建模型但需要在術(shù)中對(duì)植入物或手術(shù)工具進(jìn)行實(shí)時(shí)空間定位和導(dǎo)向的骨與關(guān)節(jié)外科手術(shù)，如椎弓根釘植入導(dǎo)航系統(tǒng)、髓內(nèi)釘導(dǎo)航系統(tǒng)。

3 臨床應(yīng)用研究

對(duì)于那些大術(shù)野、可直視的手術(shù)，通常不需要借助手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備就可以順利完成手術(shù)。而對(duì)那些小術(shù)野、無(wú)法直視、解剖關(guān)系復(fù)雜的手術(shù)部位往往正是手術(shù)導(dǎo)航的適應(yīng)癥。

通過(guò)與上海各大醫(yī)院的合作，該系統(tǒng)已經(jīng)建立和正在建立不同科室、不同類別的合作項(xiàng)目。

3.1 立體定向骨腫瘤活檢術(shù)

過(guò)去對(duì)骨腫瘤進(jìn)行穿刺活檢通常在C型臂下進(jìn)行，醫(yī)生通過(guò)取樣針的試定位以及X影像的顯示，不斷校正自己的定位，最后從病灶部位提取骨組織，進(jìn)行腫瘤活檢。醫(yī)生和患者都要承受大量的X線輻射，有時(shí)需要做開放手術(shù)提取病灶組織。運(yùn)用創(chuàng)新的導(dǎo)航技術(shù)，醫(yī)生完全可以在屏幕重建模型的指導(dǎo)下進(jìn)行工作，從根本上解決了人體輻射傷害的問(wèn)題，同時(shí)大大提高了手術(shù)精度。

3.2 股骨頭無(wú)菌性壞死

對(duì)于股骨頭無(wú)菌性壞死，傳統(tǒng)治療方法是從股骨頭大粗隆部位導(dǎo)入一挖取器械，在C型臂X光影像引導(dǎo)下挖取股骨頭壞死的骨松質(zhì)組織，并用人工骨材料填入，保持股骨頭的成形，醫(yī)患雙方均承受大量的X線輻射。運(yùn)用導(dǎo)航技術(shù)，醫(yī)生完全可以在計(jì)算機(jī)屏幕上重建模型的指導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)，解決了人體輻射傷害的問(wèn)題，同時(shí)也提高了手術(shù)精度。

3.3 頜面外科

傳統(tǒng)的手術(shù)方法是基于二維X光片測(cè)量和分析的，測(cè)量誤差及二維手術(shù)規(guī)劃限制了手術(shù)的精度。運(yùn)用創(chuàng)新的導(dǎo)航技術(shù)，在術(shù)前重建三維頜面立體模型，進(jìn)行三維測(cè)量及手術(shù)規(guī)劃，確定手術(shù)類型及手術(shù)路徑，在定位跟蹤系統(tǒng)的追蹤下，在術(shù)中實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)器械和患者空間位置，在三維模型的指導(dǎo)下，依照術(shù)前規(guī)劃路徑完成手術(shù)，確保手術(shù)精度[8]。

3.4 整形外科

顱頜面的正畸、整形外科手術(shù)，如雙側(cè)下頜角磨削術(shù)，運(yùn)用創(chuàng)新的導(dǎo)航技術(shù)，可以有效解決雙側(cè)下頜角的對(duì)稱性，避免醫(yī)生肉眼判斷的誤差。同時(shí)通過(guò)術(shù)前三維測(cè)量及手術(shù)規(guī)劃，確定手術(shù)類型及手術(shù)路徑，由定位跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，可以有效避免傷及動(dòng)脈血管，引起不必要的手術(shù)意外。

3.5 眼科

眼眶后部位解剖結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，上通腦室，下連鼻竇，骨連接即薄又彎曲，周圍又有許多神經(jīng)和血管通路。因此，對(duì)于肉眼無(wú)法直視的眼眶后部位的腫瘤及異物，通過(guò)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)解決已經(jīng)引起了臨床醫(yī)生的極大興趣。

3.6 耳鼻喉科

對(duì)于鼻咽深部骨腫瘤的手術(shù)預(yù)案設(shè)計(jì)、手術(shù)過(guò)程應(yīng)用以及預(yù)后假體制作等，都可以借助于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)完成。對(duì)于副鼻竇內(nèi)（尤其是上頜竇）內(nèi)膿腫的開孔部位確定以及膿液引流路徑的選擇等，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)均可以提供優(yōu)選方案。

3.7 口腔科

除了將手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用在口腔腫瘤治療方面，還可以應(yīng)用于種植牙技術(shù)。為了提高種植牙基的種植位置、方向及深度的準(zhǔn)確度，提高手術(shù)的成功率。

在我國(guó)，應(yīng)用手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行骨與關(guān)節(jié)的手術(shù)仍處于起步階段，臨床手術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的專家大多已臨近退休年齡，往往缺乏熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)的能力。年輕的外科醫(yī)生能夠熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)，但又缺乏臨床手術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

我們?cè)谘邪l(fā)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一批年富力強(qiáng)、既有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)又能熟練使用計(jì)算機(jī)的中堅(jiān)力量，他們?cè)谟?jì)算機(jī)與醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。通過(guò)他們的手術(shù)演示以及學(xué)術(shù)交流，使得更多的臨床專家參與到了手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)中來(lái)。

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Research on Application of Transitional Medicine
to Guided-navigating Operation of Bone and Joints Surgery

【W(wǎng)riters】Wang Gang1, Shen Xi1, Wang Siqi1, Zhang Shilei2, Wang Chengdao3

1 Shanghai Medical Instruments Co. Ltd. Shanghai, 200129
2 Shanghai No.9 Hospital,Shanghai, 200023
3 Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

The innovative research on the platform of the guided-navigating surgery of bone and joints consists of four basic function modules and three technical-related systems. Through this research the functional modules will be constructed by orthopedic specialists and software experts who have made jointly efforts based on the transitional medicine to develop a new software for guided-navigating surgery of bone and joints suitable for people in Asia and for its application in medical treatment.

bone and joint, operative navigation, translational medicine

R318.17

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2012.02.007

1671-7104(2012)02-0103-03

2011-12-29

上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)項(xiàng)目（07XI-033）

王剛，高級(jí)工程師，副總工程師，E-mail:wanggang386@hotmail.com