數(shù)字骨科技術(shù)在寰樞椎螺釘置入中的應(yīng)用

王華文 高延征(河南省人民醫(yī)院骨科 河南鄭州 450003)

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數(shù)字骨科技術(shù)在寰樞椎螺釘置入中的應(yīng)用

王華文 高延征
(河南省人民醫(yī)院骨科 河南鄭州 450003)

【關(guān)鍵詞】數(shù)字骨科;寰樞椎螺釘置入;計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字骨科技術(shù)已廣泛應(yīng)用于骨科臨床,憑其可視化?精確性?實(shí)時(shí)定位等優(yōu)勢(shì),逐漸得到醫(yī)學(xué)相關(guān)研究者的重視,本文就數(shù)字骨科技術(shù)應(yīng)用于寰樞椎螺釘置入的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述?

1 數(shù)字骨科定義與優(yōu)勢(shì)

1.1 定義 數(shù)字骨科是計(jì)算機(jī)科學(xué)與骨科學(xué)緊密結(jié)合的一門新型數(shù)字化醫(yī)學(xué)學(xué)科,是以骨科為基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)為輔助,涉及到人體解剖學(xué)?立體幾何學(xué)?生物力學(xué)?材料學(xué)?信息學(xué)?電子學(xué)?機(jī)械工程學(xué)等領(lǐng)域的交叉學(xué)科[1]?數(shù)字骨科技術(shù)包括醫(yī)學(xué)影像處理?三維虛擬仿真?可視化技術(shù)?有限元技術(shù)(finite element analysis,FEN)?計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)與計(jì)算機(jī)輔助制造(computer aided manufacturing,CAM)技術(shù)?快速成型技術(shù)(rapid prototyping,RP)?逆向工程技術(shù)?術(shù)中導(dǎo)航與機(jī)器人輔助技術(shù)等[2]?

1.2 優(yōu)勢(shì) 數(shù)字骨科技術(shù)已廣泛應(yīng)用于骨科臨床各個(gè)分學(xué)科,相比于二維影像學(xué)資料,數(shù)字化影像學(xué)資料更具有優(yōu)勢(shì):①CAD技術(shù)處理CT?MRI平掃數(shù)據(jù)行多平面?三維重建平掃部位,立體化顯示平掃部位解剖結(jié)構(gòu);②快速成型技術(shù)?逆向工程技術(shù)可行3D模型打印與導(dǎo)航模板的打印,應(yīng)用手術(shù)過(guò)程中,提高了置入螺釘?shù)臏?zhǔn)確性與安全性;③術(shù)中導(dǎo)航與機(jī)器人輔助技術(shù)可術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺釘置入過(guò)程,確保螺釘?shù)陌踩萌隱3-5]?

2 寰樞椎螺釘置入

顱頸交界區(qū)(CVJ)疾病手術(shù)治療主要包括寰枕融合?寰樞椎融合?前路經(jīng)口寰樞椎融合等技術(shù),以上手術(shù)方式均應(yīng)用椎弓根螺釘?椎板螺釘?側(cè)塊螺釘?shù)裙潭ㄗ鳛槿诤现c(diǎn)?術(shù)前行CT?MRI平掃評(píng)估神經(jīng)脊髓壓迫情況?寰樞椎發(fā)育情況,手術(shù)計(jì)劃擬定,術(shù)中常規(guī)C-臂定位,徒手進(jìn)行螺釘置入,但術(shù)者需具有豐富的手術(shù)經(jīng)驗(yàn),螺釘?shù)闹萌胍走M(jìn)入椎管導(dǎo)致脊髓損傷或椎動(dòng)脈損傷等?譚明生等[6]報(bào)道寰樞椎植入84枚椎弓根螺釘,其中4枚穿破椎動(dòng)脈孔?研究表明寰樞椎螺釘置入易發(fā)生相關(guān)并發(fā)癥?寰樞椎螺釘置入的關(guān)鍵是充分顯露手術(shù)視野?準(zhǔn)確定位進(jìn)釘點(diǎn)?正確掌握橫斷面置釘角(transverse screw angle,TSA)和矢狀面置釘角(sagital screw angle,SSA)角度等[7]?數(shù)字骨科技術(shù)作為寰樞椎螺釘置入的一項(xiàng)輔助技術(shù),減少了螺釘置入失敗的客觀因素?

3 數(shù)字骨科在寰樞椎置釘?shù)膽?yīng)用概況

3.1 CT平掃及圖像處理 CT平掃是CVJ疾病常用影像學(xué)評(píng)估資料,CT平掃數(shù)據(jù)及多平面重建(MRP)?表面遮蓋三維重組圖像(SSD)?最大密度投影(MIP)?容積重建(VR)等圖像處理技術(shù)已應(yīng)用于臨床?研究表明C2椎板螺釘置入要求椎板內(nèi)橫徑不小于3.5 mm?Saetia等[8]通過(guò)CT平掃數(shù)據(jù)測(cè)量了200例正常C2椎板內(nèi)橫徑?外橫徑?椎板長(zhǎng)度參數(shù),評(píng)價(jià)寰樞椎手術(shù)

前行CT平掃的必要性?MRP?SSD?VR技術(shù)可將三維重建寰樞椎并二維聯(lián)系矢狀位?冠狀位?軸位顯示解剖結(jié)構(gòu),為數(shù)字化測(cè)量寰樞椎椎弓根?椎板寬度提供可視化?立體畫的信息[9]?郝定均等[10]通過(guò)多平面三維重建技術(shù)測(cè)量150例正常寰椎椎弓根形態(tài)及解剖學(xué)數(shù)據(jù),并給予分型探討其臨床應(yīng)用意義,提出按寰椎椎動(dòng)脈處骨質(zhì)高度的分型,可以較好地指導(dǎo)寰椎后路“椎弓根"及側(cè)塊螺釘固定技術(shù)?螺釘直徑的選擇?應(yīng)用CT三維重建技術(shù)可以更好顯示寰樞椎圖像,寰樞椎椎弓根的研究國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多重要的數(shù)據(jù),但兒童的研究甚少,需要進(jìn)一步研究[11]?

3.2 3D模型與導(dǎo)航模板 3D模型打印是應(yīng)用CAD與CAM或者RP技術(shù)結(jié)合,將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型打印出,RP技術(shù)較CAM技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì),CAD/RP技術(shù)已廣泛應(yīng)用骨科臨床?尹慶水等[7]通過(guò)CAD/RP技術(shù),將CT原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Simpleware軟件行模擬螺釘置入,導(dǎo)出寰樞椎模型與手術(shù)輔助模板并打印出其模型,在手術(shù)過(guò)程中應(yīng)用手術(shù)輔助模板,利用導(dǎo)航模板給予13 例CVJ疾患成功手術(shù)治療?在CAD/RP設(shè)計(jì)導(dǎo)航模板的過(guò)程中,3D模型的建立?RP過(guò)程中STL數(shù)據(jù)精確輸出?機(jī)器材料等因素影響導(dǎo)航模板的準(zhǔn)確性[12]?Mizutani等[13]打印出15例風(fēng)濕性寰樞椎患者的全頸椎3D模型,術(shù)前在模型上行手術(shù)操作,實(shí)際手術(shù)中植入釘棒與模板相同,手術(shù)成功,無(wú)術(shù)后相關(guān)并發(fā)癥?Hu等[14]用32具尸體解剖通過(guò)寰樞椎3D模型及C2椎板螺釘導(dǎo)航模板打印應(yīng)用,評(píng)價(jià)其準(zhǔn)確性,3D導(dǎo)航模板可提高手術(shù)成功率,減少手術(shù)并發(fā)癥?導(dǎo)航模板的應(yīng)用必須與寰樞椎手術(shù)解剖骨性表面吻合固定,才能使螺釘準(zhǔn)確置入?

3.3 計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)(computer assisted navigation system,CANs)指利用空間定位技術(shù)確定手術(shù)部位的組織結(jié)構(gòu)坐標(biāo),并精確跟蹤手術(shù)器械位置變化的計(jì)算機(jī)手術(shù)輔助系統(tǒng)[1]?目前應(yīng)用于臨床的導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括術(shù)前CT影像成像導(dǎo)航?術(shù)中X線2D成像導(dǎo)航?術(shù)中Iso-成像導(dǎo)航?術(shù)中O型臂成像導(dǎo)航4種類型[15]?注冊(cè)技術(shù)是CANs的關(guān)鍵因素,因此需要選擇合適的注冊(cè)點(diǎn)和注冊(cè)方法,術(shù)前CT平掃圖像和術(shù)中CT?2D或者3D圖像透視,計(jì)算機(jī)虛擬與手術(shù)實(shí)現(xiàn)匹配[16]?Atia等[17]回顧性分析了7例兒童寰樞椎疾病患者通過(guò)O型臂3D術(shù)中影像導(dǎo)航技術(shù)行椎弓根或側(cè)塊螺釘置入,均成功置入螺釘,無(wú)相關(guān)手術(shù)并發(fā)癥?研究者通過(guò)ISO-C導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)C2的椎板螺釘?shù)闹萌?術(shù)后CT平掃顯示螺釘準(zhǔn)確置入[18]?Takahashi等[19]認(rèn)為影響導(dǎo)航系統(tǒng)可安全應(yīng)用于風(fēng)濕性患者關(guān)節(jié)不穩(wěn),但是螺釘穿孔的發(fā)病率不會(huì)完全消失?圖像引導(dǎo)虛擬與現(xiàn)實(shí)匹配過(guò)程中,由于寰樞椎活動(dòng)置匹配誤差,研究表明CT導(dǎo)航有1 mm偏移,3D導(dǎo)航因系統(tǒng)誤差有0.5 mm偏移[20]?CANs作為一項(xiàng)輔助技術(shù),其臨床應(yīng)用不能過(guò)于注重圖像數(shù)據(jù),手術(shù)現(xiàn)實(shí)中的情況更應(yīng)該注重?相對(duì)于徒手螺釘置入,該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)化反饋到螺釘放置期間,計(jì)算機(jī)化的三維解剖結(jié)構(gòu)有利于螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入?一項(xiàng)研究表明未應(yīng)用CANs技術(shù)引導(dǎo)C2椎弓根螺釘植入,必須要求掌握熟練的外科手術(shù)技能及患者的選擇才能避免椎動(dòng)脈損傷的出現(xiàn),而CANs可減少其發(fā)病率[21]?

3.4 脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人技術(shù) 脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人系統(tǒng)由光學(xué)跟蹤系統(tǒng),導(dǎo)航和規(guī)劃系統(tǒng),以及配備有六自由度?轉(zhuǎn)矩傳感器手術(shù)機(jī)器人組成[4]?張春霖等[22]研究開發(fā)一種利用計(jì)算機(jī)脊柱計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助機(jī)器人寰樞椎椎弓根螺釘雙置入法,在干燥寰樞椎標(biāo)本上可保證螺釘雙置入,由于寰樞椎結(jié)構(gòu)的復(fù)雜,該研究方法尚未應(yīng)用于臨床?一項(xiàng)回顧性研究分析表明脊柱導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)成本高,脊柱椎弓根螺釘置入的風(fēng)險(xiǎn)高,還需要進(jìn)一步的研究認(rèn)證[5]?

4 數(shù)字骨科技術(shù)應(yīng)用的展望

醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展離不開信息技術(shù)的輔助,計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展帶動(dòng)骨科學(xué)的發(fā)展,數(shù)字骨科技術(shù)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于骨科臨床,輔助傳統(tǒng)手術(shù),減少術(shù)中手術(shù)意外?手術(shù)并發(fā)癥?CAD/CAM/RP制作寰樞椎導(dǎo)航模板假體,CANs與計(jì)算機(jī)輔助機(jī)器人技術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),引導(dǎo)手術(shù)進(jìn)行,減少了手術(shù)時(shí)間?術(shù)中出血,提高了手術(shù)成功率?數(shù)字骨科技術(shù)已廣泛應(yīng)用于骨科臨床,在寰樞椎螺釘置入的臨床實(shí)踐中起到了巨大作用,但仍需進(jìn)一步研究,比如減少應(yīng)用成本?學(xué)習(xí)曲線?簡(jiǎn)單化等?

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·案例報(bào)道·

通訊作者:高延征,E-mail:doctorgao63@163.com?

【中圖分類號(hào)】R 653

doi:10.3969/j.issn.1004-437X.2016.01.040