第二章　计算机导航在脊柱外科的应用技术

计算机导航系统的原理与目前广泛应用的全球定位系统(global positioning system,GPS)相似,是世界坐标系(术中解剖结构的三维坐标系)与虚拟坐标系(导航影像的三维坐标系)的照合,必须首先选择参考点,然后根据参考点来确定目标在三维空间中的位置。因此,基准点的建立、图像配准以及立体定位技术是其基本要素。可以应用于外科导航手术的立体定位技术主要包括光学定位法、机械定位法、超声波定位法和电磁定位法。

现代脊柱外科计算机导航系统主要使用的是红外线光学导航,该系统分辨率高,可以三维定位,不受手术室内其他设备的干扰,但是也有一定局限性,需要有光学观感设备随时交换信息,不能直接面对阳光。根据红外线发射和接收方法不同,可分为主动红外线光学导航系统和被动红外线光学导航系统。主动红外线光学导航系统的红外线发光二极管被安装在各个示踪器(tracker)和智能手术器械(smart tools)上,其发射的红外线信号由摄像机(camera)接收后传至导航工作站进行处理。被动红外线光学导航系统中,安装在各个示踪器和智能手术器械上的是红外线被动反射球,红外线发射装置被安装在摄像机上,摄像机发射的红外线被反射球反射后再折返至摄像机,由摄像机接收后传至导航工作站进行处理。

计算机导航技术根据交互方式不同,可分为主动交互式导航、半主动交互式导航、被动交互式导航三种模式。主动交互式导航系统主要指手术机器人系统,手术过程中不需要手术医师的干预,机器人按照设定的手术计划完全凭借机械手进行精确的手术操作。该系统既要求手术机器人有足够的精确性和灵活性以满足复杂脊柱外科手术的需要,又必须有足够的安全保障措施以保证患者及医护人员的安全。半主动交互式导航系统允许手术医师在机器人控制的安全范围内随意移动使用手术器械,其目的是既保证机器人的精确性,又发挥手术医师人手的灵活性。目前上述两种导航系统大多处于实验研究阶段,临床应用有限。被动式导航系统仅显示和引导手术工具的空间运动轨迹,手术操作仍然需要由手术医师完成,该系统是目前临床应用最为普及的导航系统。

根据不同的图像采集方法,目前脊柱外科常用的导航模式包括以下三种:①C形臂透视二维图像导航(fluoroscopy-based navigation system);②CT三维图像导航(computed tomographybased navigation system);③电动C形臂术中即时三维图像导航(Iso-C 3D navigation system)。它们各有优缺点(表2-1),如果临床适应证和方法选择正确,均可保证手术的精确性。

C形臂透视二维图像导航,术中以C形臂透视采集不同体位二维图像并将图像传输至导航系统,图像传输完毕即可使用,无需人工进行点照合(point-to-pointmatching)和面照合(surfacematching)。然后在二维虚拟影像引导下,进行手术操作(图2-1)。

实验研究证明透视导航法辅助颈椎椎弓根螺钉置钉准确率与传统透视法相比,其差异无统计学意义,说明导航系统本身的精确度是可以接受的,可以达到虚拟透视的效果。但是该方法受到透视图像本身的限制。首先,阅读脊椎二维透视图像需要一定的临床经验;其次,细小的颈胸椎或严重畸形的椎弓根需要精确的置钉角度,较难把握。该方法的优点是操作简单,术中不需选取有特征的骨性参考点进行手动注册。主要适用于较粗大的腰椎椎弓根手术。尤其是多次手术后的病例,由于其局部解剖标志结构不清,应用该导航方法辅助可以节省手术时间,而且置钉准确率更高。在进行无明显畸形的腰椎椎弓根螺钉内固定时,也可应用该技术进行经皮微切口操作。

CT三维图像导航,需要术前采集薄层CT影像数据,将CT数据输入计算机导航系统,进行术前设计。根据其三维重建图像,在拟手术椎体后方表面结构分别选取至少3个解剖标志清楚的参考点,待术中进行点照合,并可以利用其设计软件设计椎弓根螺钉的置入位置及螺钉的长度和直径(图2-2)。术中需要根据术前设计的参考点,进行点照合和面照合注册,导航系统自动测算系统精确度。如果误差可接受(导航精确度在0.5mm以内),则可以在CT三维重建影像引导下,进行椎弓根螺钉置入等手术操作(图2-2)。

CT三维导航操作直观形象,可以清晰显示骨性结构。在高风险的颈胸椎后路椎弓根内固定手术中或对于严重胸腰椎畸形、过度肥胖、脊椎肿瘤等病例,术中透视常不理想,尤其适用该技术。对于黄韧带骨化灶切除减压或经椎体楔形截骨手术,术中可以使用导航系统帮助精确判断减压范围或截骨程度和深度。

CT导航系统可以进行术前计划,了解椎弓根形态有无变异,设计螺钉型号和置入方向。但患者CT资料只能在术前获取,如术中体位变化明显,则虚拟三维图像不能真实反映三维关系,有误导术者的可能。例如在为寰枢椎半脱位患者施行Magerl术时,术中寰枢椎的位置关系与术前获取CT图像时的位置常常发生变化,手术医师必须清楚地了解这一问题,如果此时还完全按照术前获取的CT图像进行置钉操作,则会被误导。在这种情况下,术中注册必须采用单椎体注册的方式,在枢椎椎体选取骨性结构作为注册参考点,导航图像中只有枢椎的骨性结构能够正确反映即时的解剖结构,手术医师只是通过导航系统帮助选择螺钉置入的入点,螺钉置入的方向和深度还需要通过C形臂透视确认。

需要手动注册是C T三维导航的另一缺点,在点注册的过程中,因为参考点选择和人工操作的误差,增加了手术时间并有可能降低导航精确度。此外,手动注册需要选取明显的骨性解剖结构作为参考点,对于缺乏骨性标志点的齿状突螺钉内固定和经皮椎弓根螺钉内固定,该技术也不适用。

术中即时三维图像导航,术中三维导航影像数据由电动C形臂在术中即时影像三维重建获取。根据设定,C形臂自动连续旋转190°,采集100幅数字点片图像并自动重建三维图像。将图像传输至导航系统,系统同时进行自动注册。图像传输完毕即可使用,无需人工进行点照合和面照合。然后在术中即时三维重建图像引导下进行手术操作(图2-3)。

术中即时三维导航可以获取术中即时三维重建图像并自动传输到导航系统,可以像透视导航一样进行自动注册和图像实体融合。基本继承了透视导航和CT导航两种方法的优点,克服了它们的缺点。虽然其三维图像较CT图像粗略,尤其立体重建图像更为明显,但是真正引导操作的三维断层图像和CT图像区别不大,可以满足对骨性结构精确定位的需要。由于不需要术中直视下找到骨性结构作为参考点,在齿状突螺钉内固定(图2-4)和经皮椎弓根螺钉内固定术(图2-5)中,该技术也可以得到很好的应用,提高置钉准确率。有学者认为该技术具有良好的应用前景并有可能逐渐替代其他两种导航模式。但是,目前电动C形臂的价格昂贵,而且采用该技术需要使用可以透X线的碳素手术床以减少图像伪影,制约着该技术的临床推广应用。此外,电动C形臂的三维成像质量也有待进一步提高,其摄片范围受到影像增强器尺寸影响,在长节段手术中常不能一次包括所有手术节段,需要重复导航操作步骤(图2-4、图2-5)。

(刘亚军)