脊柱外科手術導航的應用現(xiàn)狀及研究進展

朱 荔，白玉樹，李 明

近年來脊柱外科手術得到了巨大的發(fā)展，但脊柱外科解剖結構復雜，毗鄰重要血管神經(jīng)，手術難度和風險性很高，同時脊柱手術趨向微創(chuàng)化精準化，迫切需要新的方法提高手術安全性和降低并發(fā)癥。20世紀90年代初，導航技術開始被應用到脊柱手術中，旨在提高術野的可視度和手術精度[1-3]。目前導航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用到脊柱外科的各個方面，如椎弓根螺釘置入[4-5]、人工椎間盤置換[6]、脊柱腫瘤手術摘除[7]等。本文將近年來脊柱外科手術導航的應用現(xiàn)狀及研究進展綜述如下。

1 計算機輔助手術導航系統(tǒng)(computer assisted surgery，CAS)

目前脊柱外科手術中較流行的導航方式為計算機輔助監(jiān)測技術。CAS是指將患者數(shù)字化掃描影像信息(CT、MRI、C形臂影像等)，傳輸?shù)接嬎銠C工作處理站，進行三維重建、圖像配準、圖像融合等。在實際手術過程中使用立體空間定位技術動態(tài)追蹤手術器械及患者解剖結構的當前位置，并實時顯示在患者的二維、三維影像資料上，手術醫(yī)生通過高解像度的顯示屏從各個方位(軸向、矢狀位、冠狀位、術野前方透視層面等)觀察到當前手術入路及各種參數(shù)(角度、深度等)[8]。脊柱手術中常應用的基于影像學的導航計算機輔助方式可以分為以下4種。

1.1 術前CT成像導航系統(tǒng)

即利用術前得到的CT信息對手術部位進行三維重建，并在術中將三維信息與真實解剖結構相互對應。該方法為術者選擇最佳入點和進入途徑提供了參考，尤其是在解剖異位、創(chuàng)傷、畸形、腫瘤等情況下。但是術前導航系統(tǒng)不能反應術中正確的空間定位。

1.2 術中X線透視成像導航系統(tǒng)

即采用術中C形臂X線機實時采集的X 線透視圖像進行導航定位。這種導航雖然用二維圖像提供了術中空間定位，且術中射線暴露較少，但是圖像質量較低，對胸骶椎等部位影像重疊較難看清。而且該技術在透視影像獲取后, 不能再監(jiān)測到術中的位置改變，對于隨呼吸運動而位置波動的胸椎有較大的局限性。

1.3 術中CT成像導航系統(tǒng)

即利用手術中實時采集的2D圖像進行3D重建實現(xiàn)定位能夠達到與患者真實解剖的良好對應，并獲得清晰的圖片。但是實時CT大幅度增加了射線輻射量，同時設備相對昂貴，需要專門的手術室環(huán)境，在一定程度上限制了該導航的發(fā)展[9]。

1.4 術中三維C形臂(Iso-C3D)成像導航

即基于C形臂的三維成像技術，術中三維C形臂自動連續(xù)旋轉190°采集100幅數(shù)字點片圖像并自動重建三維圖像，然后在術中即時三維重建圖像，引導置釘[10]。此導航技術與患者解剖實現(xiàn)了更精確的對應，并且避免了體位改變、解剖關系變化帶來的干擾[11]，但是仍存在相應的局限性。譬如旋轉C形臂采集圖像時需要移除不透X光的牽引裝置，并需要麻醉師配合患者在采集圖像的2 min內(nèi)停止呼吸，而最大的限制莫過于有限的掃描容積(<12 cm×12 cm×12 cm)，這便意味多節(jié)段的脊柱手術需要多次采集圖像才能完整的反應復雜的解剖關系[12-13]。

隨著CAS反復改進，其技術體系日趨成熟，優(yōu)點也是顯而易見的，譬如使手術更加數(shù)字化、實時化、智能化。但是相關設備的價格昂貴，操作相對復雜，并且手術時間較長仍然是計算機輔助手術導航系統(tǒng)面臨的巨大難關。

2 手柄式脊柱內(nèi)固定導引器

基于計算機輔助導航系統(tǒng)價格昂貴、操作復雜等缺點，外科醫(yī)生更傾向于使用一種簡單便攜的脊柱手術實時監(jiān)測工具，手柄式脊柱內(nèi)固定導引器由此應運而生。手柄式脊柱內(nèi)固定導引器具備以下特點：①體積小，容易攜帶，消毒方便。在前線野戰(zhàn)醫(yī)院或突發(fā)情況下，手術條件通常是比較簡陋的。對環(huán)境依賴較強的CAS系統(tǒng)便受到了制約，而手柄式導航器正因其容易攜帶、消毒方便在非擇期手術中應用靈活，其應用得到更多野戰(zhàn)醫(yī)院、急救醫(yī)院的青睞。②操作簡單,無需繁瑣的計算過程。CAS的關鍵技術是影像對應技術及空間定位技術，需要階段化的學習才能熟練掌握，其中術中注冊過程繁瑣、易失敗，給術者及技術員帶來了不小的考驗。而手柄式導引器原理簡單，操作方便，無需特殊輔助人員，簡化了手術難度。③能做到連續(xù)監(jiān)測,實時導航。同CAS一樣，可以做到實時導航，但其警報系統(tǒng)的發(fā)明為術者提供了更有力的保障，術者除比對觀察術中空間位置外，還可以運用聽覺、視覺等感官了解手術進程，避免手術意外。手柄式脊柱內(nèi)固定導引器依據(jù)其定位方法可分為以下幾種。

2.1 壓力電渦流手柄導引器

作用原理：探頭利用了壓力感受器的原理，采用成品電渦流傳感器分別對骨密質與軟組織進行實驗研究，確立可靠的信號靈敏度、信號合理強度和安全作用距離，當導引器接近穿透時即有指示燈亮起,提示手術醫(yī)師調整進針方向。但是，每個人骨硬度存在個體差異，尤其是一些骨質疏松的患者，即使骨密質較硬也不會引起壓力感受器報警，這樣引導器的提示作用大大減弱。針對單純壓力感受器的缺點，采用電渦流傳感器作為探測器，對骨密質和骨松質間存在的硬度差異做出感應。即便是骨質疏松癥患者，只要骨密質與軟組織間存在硬度差，也可在骨皮質被穿破的瞬間發(fā)出警示[14-15]?；趬毫﹄姕u流的手柄導引器在離體實驗標本上初步應用效果尚可，雖仍未進入臨床使用期，但為早期手術提供了可靠的參考。

2.2 超聲定位手柄式導引器

作用原理：開路器探頭分為低頻(0.2～5 MHz)和高頻(5～20 MHz)2種。0.2～5 MHz的低頻段區(qū)有助于超聲穿透骨質，看到前方較遠骨質后面的情況，對探頭方向提供參考；5～20 MHz高頻段區(qū)雖然穿透能力較差，但對開路器較近區(qū)域骨質的分辨率較高，可及時反饋開路器頭端所在位置，對及時發(fā)現(xiàn)開路器頭端是否穿出皮質有很高的警示作用。但是，骨組織聲阻抗較大，常用的醫(yī)用超聲由體外入射時，軟組織與骨組織界面聲阻抗差異較大，在骨皮質后方形成聲影，故一直以來骨組織是體外超聲的應用盲區(qū)。然而螺釘置入過程中開路器探頭可直接接觸骨組織表面，克服了超聲波由體外掃描時在軟組織與骨皮質交界處顯示不清的缺點，這一特殊條件又為超聲應用提供了可能性。該導引器將設計的特殊頻率超聲定位導航裝置應用于骨組織表面，從而實現(xiàn)了釘?shù)澜⑶皩M釘點和釘?shù)婪轿坏亩ㄎ?。這種設計不僅能夠保證螺釘置入過程的安全性，同時確保了開路裝置的機械強度，間接形成了對超聲探頭的保護，延長了手柄式到引起的壽命。但是，以目前的技術仍然無法將超聲探頭制作的很小巧，這在應用到開路器上存在一定的困難。所以超聲探頭的研究仍主要在實驗方面，真正應用到臨床手術中的較少[16-17]。

2.3 電導定位手柄式導引器

作用原理：首先經(jīng)過大量實驗、數(shù)據(jù)分析等，確定導航器探頭位于椎骨和腦脊液中的電流值范圍，并將該數(shù)值預存在導航器的控制中心中。導航器探頭包括2個電極，位于2個電極之間的人體組織充當導電介質，2個電極的輸出電流信號再經(jīng)電流電壓轉換器輸出電壓信號，經(jīng)過一系列處理后最終輸入導航器控制系統(tǒng)中，并將術中得到的數(shù)據(jù)與預存在導航器電流值加以比較，從而指示所述導航器探頭所處的位置。

根據(jù)脊髓液的電導率遠遠大于椎骨的電導率這一特點，該導引器實現(xiàn)了對導航器探頭的定位。使用電導的方法穩(wěn)定性較好，抗干擾能力優(yōu)于單純電壓、電流探測。這也是目前臨床手柄式導航器最常應用的方法之一。

3 導航技術發(fā)展前景

導航技術的發(fā)展給骨科醫(yī)生帶來了前所未有的方便，依托導航技術，脊柱外科手術更加安全、簡便、精確。導航系統(tǒng)的優(yōu)點可以細分為以下幾點：①導航技術較傳統(tǒng)手術更為精準。復雜的頸段手術、脊柱側凸等畸形類手術、椎弓結構變異類手術以及解剖標志點不明確等情況，運用導航引導可以提高精準度，使手術更加安全可靠。②導航技術使脊柱外科手術微創(chuàng)化。微創(chuàng)化是脊柱外科的發(fā)展方向，但微創(chuàng)化的同時，相對局限的術野也帶來了更大的難度，引導技術可以幫助術者迅速找到手術部位完成操作，對保持脊柱正常解剖結構的完整性提供了保障。③導航系統(tǒng)可以使術者更好地計劃和模擬手術步驟，增加手術熟練度，降低手術風險。④導航系統(tǒng)減少了術中醫(yī)師和患者接受的放射線劑量，尤其是手柄式導航技術的誕生，革新了骨科手術依賴計算機輔助成像的傳統(tǒng)局面，更進一步減少了放射線的使用率。手術導航系統(tǒng)是綜合多學科研究成果的產(chǎn)物，也是脊柱手術發(fā)展的一個新興領域。隨著導航技術在臨床上應用上的增加, 骨科治療效果呈現(xiàn)質的飛躍。不難預計，手術導航系統(tǒng)是今后脊柱手術的發(fā)展趨勢，將對脊柱外科的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

參考文獻

[1] Van de Kelft E, Costa F, Van der Planken D, et al. A prospective multicenter registry on the accuracy of pedicle screw placement in the thoracic, lumbar, and sacral levels with the use of the O-arm imaging system and StealthStation Navigation[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012, 37(25):E1580-1587.

[2] Scheufler KM, Franke J, Eckardt A, et al. Accuracy of image-guided pedicle screw placement using intraoperative computed tomography-based navigation with automated referencing, part I: cervicothoracic spine[J]. Neurosurgery, 2011, 69(4):782-795.

[3] Larson AN, Polly DW Jr, Guidera KJ, et al. The accuracy of navigation and 3D image-guided placement for the placement of pedicle screws in congenital spine deformity[J]. J Pediatr Orthop, 2012, 32(6):e23-29.

[4] Patil S, Lindley EM, Burger EL, et al. Pedicle screw placement with O-arm and stealth navigation[J]. Orthopedics, 2012, 35(1):e61-65.

[5] Larson AN, Santos ER, Polly DW Jr, et al. Pediatric pedicle screw placement using intraoperative computed tomography and 3-dimensional image-guided navigation[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012, 37(3):E188-194.

[6] McAfee PC, Cunningham B, Holsapple G, et al. A prospective, randomized, multicenter Food and Drug Administration investigational device exemption study of lumbar total disc replacement with the CHARITE artificial disc versus lumbar fusion: part II: evaluation of radiographic outcomes and correlation of surgical technique accuracy with clinical outcomes[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2005, 30(14):1576-1583.

[7] Rajasekaran S, Kanna RM, Kamath V, et al. Computer navigation-guided excision of cervical osteoblastoma[J]. Eur Spine J, 2010, 19(6):1046-1047.

[8] 陳昊, 徐軍, 何飛. 脊柱外科導航的臨床應用進展[J]. 昆明醫(yī)學院學報, 2007, 28(5):89-93.

[9] Sugano N. Computer-assisted orthopaedic surgery and robotic surgery in total hip arthroplasty[J]. Clin Orthop Surg, 2013, 5(1):1-9.

[10] Rajasekaran S, Tubaki VR, Shetty AP. Results of direct repair of type 2 hangman fracture using Iso-C3D navigation: 20 cases[J]. J Spinal Disord Tech, 2012, 25(5):E134-139.

[11] Costa F, Porazzi E, Restelli U, et al. Economic study: a cost-effectiveness analysis of an intraoperative compared with a preoperative image-guided system in lumbar pedicle screw fixation in patients with degenerative spondylolisthesis[J]. Spine J, 2013, pii: S1529-9430(13)01614-8.

[12] Zausinger S, Scheder B, Uhl E, et al. Intraoperative computed tomography with integrated navigation system in spinal stabilizations[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2009, 34(26):2919-2926.

[13] Sembrano JN, Santos ER, Polly DW Jr. New generation intraoperative three-dimensional imaging (O-arm) in 100 spine surgeries: Does it change the surgical procedure?[J]. J Clin Neurosci, 2014, 21(2):225-231.

[14] 史建剛, 賈連順, 袁文, 等. 手柄式脊柱內(nèi)固定導引器的研制及初步應用[J]. 第二軍醫(yī)大學學報, 2009, 30(5):558-560.

[15] Chaput CD, George K, Samdani AF, et al. Reduction in radiation (fluoroscopy) while maintaining safe placement of pedicle screws during lumbar spine fusion[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012, 37(21):E1305-1309.

[16] Bai YS, Niu YF, Chen ZQ, et al. Comparison of the pedicle screws placement between electronic conductivity device and normal pedicle finder in posterior surgery of scoliosis[J]. J Spinal Disord Tech, 2013, 26(6):316-320.

[17] Bai YS, Zhang Y, Chen ZQ, et al. Learning curve of computer-assisted navigation system in spine surgery[J]. Chin Med J (Engl), 2010, 123(21):2989-2994.