計(jì)算機(jī)導(dǎo)航在全膝關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用技術(shù)及進(jìn)展

1、計(jì)算機(jī)導(dǎo)航在全膝關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用技術(shù)及進(jìn)展         10-04-30 13:31:00     作者：李曉輝    編輯：studa20【摘要】  目的精確的下肢力線和假體的擺放位置是全膝關(guān)節(jié)置換成功的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助全膝關(guān)節(jié)置換的出現(xiàn)使之成為可能，并得到了不斷改進(jìn)和發(fā)展，獲得了令人滿意的治療效果。導(dǎo)航新技術(shù)不斷開發(fā)使計(jì)算機(jī)的運(yùn)行環(huán)境和操作界面更加友好，為廣大學(xué)者普遍接受。隨著這一技術(shù)的進(jìn)一步完善，計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)必

2、將成為全膝關(guān)節(jié)置換標(biāo)準(zhǔn)方式。未來的研究重點(diǎn)是，開發(fā)更小創(chuàng)傷的示蹤器固定系統(tǒng)、電子平衡測(cè)量?jī)x和智能化截骨鋸等。并通過開發(fā)影像依從和非影像依從兩種方法聯(lián)合的影像加強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)，架起從現(xiàn)有技術(shù)向機(jī)器人智能化轉(zhuǎn)變的橋梁，以實(shí)現(xiàn)完全通過機(jī)器人來完成手術(shù)操作的最終目標(biāo)。 【關(guān)鍵詞】  關(guān)節(jié)置換; 膝關(guān)節(jié); 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù); 手術(shù)技術(shù)Abstract：Accurate alignment of knee implants is essential for the success of total knee replacemem.Recently, computeraided navigation s

3、ystems have become available, and the results showed more accurate and consistent installation of knee implants. The technology has evolved rapidly with widespread and continue to be developed.The current computer environmem and graphical user interface will become more user friendly and thus gain m

4、ore widespread acceptance among experienced surgeons With this technology growing and systems evolving,computerized navigation will become the standard of care in knee reconstructive surgery. The key of future studies is to evove less invasive tracker anchoring systems, electronic balancers and comp

5、uterized saws. A hybrid technique between imagebased and imagefree methods may develop to produce imageenhanced navigation. It should be an intermediary step between current technology and a fully robotic system.Key words：arthroplasty; knee joint; computerassisted surgery; surgical technique人工膝關(guān)節(jié)置換開

6、始于20世紀(jì)601,2年代末期至70年代中期，經(jīng)過不斷地改進(jìn)和完善，已逐步發(fā)展成為膝關(guān)節(jié)晚期病損的經(jīng)典手術(shù)方法。但臨床上仍存在著假體位置不佳，軟組織平衡和髕骨軌跡不良等情況36。由于膝關(guān)節(jié)的特殊性，尤其是嚴(yán)重內(nèi)外翻畸形及關(guān)節(jié)失穩(wěn)等，給精確的定位、截骨、假體的選擇和置入帶來了一定的難度。計(jì)算機(jī)輔助人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)的出現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)術(shù)式的局限性，在下肢力線的正確重建、假體的準(zhǔn)確置入、屈伸間隙和韌帶平衡等方面獲得了傳統(tǒng)手術(shù)難以達(dá)到的效果7。短短的幾年內(nèi)，這一技術(shù)便得到了不斷的改進(jìn)和發(fā)展，同時(shí)不斷開發(fā)新的硬件和軟件系統(tǒng)，使得這一技術(shù)運(yùn)用于膝關(guān)節(jié)置換的整個(gè)手術(shù)過程中。成為現(xiàn)代骨科一種重要的輔助工具

7、。1 歷 史自1906年8，神經(jīng)外科首次報(bào)道應(yīng)用立體定位技術(shù)以來。大約一個(gè)世紀(jì)后，腦外科醫(yī)生發(fā)明了導(dǎo)航技術(shù)，用于術(shù)中輔助大腦腫瘤的切除。該技術(shù)的出現(xiàn)是外科醫(yī)生、工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家合作的產(chǎn)物。其后，隨著這一技術(shù)的不斷成熟，以解剖為基礎(chǔ)的注冊(cè)、術(shù)中光學(xué)傳感以及輔助定位技術(shù)的應(yīng)用，使其在骨外科領(lǐng)域得到了推廣9。William Barger于1989年首次應(yīng)用機(jī)器人系統(tǒng)輔助全髖關(guān)節(jié)置換。DrDiGioia10應(yīng)用影像依從性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行全髖置換時(shí)髖臼假體的定位。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助假體定位技術(shù)在骨科領(lǐng)域中的應(yīng)用，加快了骨科計(jì)算機(jī)化的進(jìn)程，具有廣闊的發(fā)展前途。導(dǎo)航輔助膝關(guān)節(jié)置換的初次應(yīng)用，是作為膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和

8、軟組織松解的研究工具時(shí)開始的。在尸體實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改良，并應(yīng)用于患者膝關(guān)節(jié)置換。1998年Delp等11，1999年Krackow等12報(bào)道了非影像依從膝關(guān)節(jié)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換中，取得了滿意的治療效果。計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用基于兩種概念：即影像依從或非影像依從。這兩種不同理念的差別是，影像依從性導(dǎo)航的注冊(cè)過程是通過影像資料(CT或X線透視)，而非影像依從性系統(tǒng)則直接對(duì)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化處理。對(duì)于膝關(guān)節(jié)置換來說，非影像依從系統(tǒng)因其經(jīng)濟(jì)、便捷和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，更具有適用價(jià)值13。2001年美國(guó)FDA批準(zhǔn)了膝關(guān)節(jié)導(dǎo)航在人體的應(yīng)用以來，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的種類和數(shù)量都發(fā)

9、生了翻天覆地的變化，其應(yīng)用數(shù)量成指數(shù)增長(zhǎng)。這一技術(shù)的功效也明顯高于傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換技術(shù)1,2,12,14。近年來，計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)硬件和軟件的開發(fā)得到了飛速發(fā)展，導(dǎo)航硬件不斷改進(jìn)，導(dǎo)航軟件版本不斷升級(jí)。除了輔助截骨模具，截骨平面和假體的配準(zhǔn)基本目標(biāo)外，軟件開發(fā)的重點(diǎn)集中于人機(jī)互動(dòng)及屈伸間隙平衡等方面。2 分類及特點(diǎn)計(jì)算機(jī)輔助人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)，按是否應(yīng)用機(jī)器人及其自動(dòng)化程度分為：(1)全自動(dòng)系統(tǒng)：術(shù)前由術(shù)者設(shè)計(jì)好手術(shù)計(jì)劃，術(shù)中在術(shù)者的監(jiān)視下由機(jī)器人自動(dòng)地完成手術(shù)操作;(2)半自動(dòng)系統(tǒng)(如控制性動(dòng)力臂)：在術(shù)者的參與下，由系統(tǒng)按術(shù)者的預(yù)定計(jì)劃完成手術(shù)操作：(3)從動(dòng)系統(tǒng)：操作由術(shù)者來完成，系

10、統(tǒng)為術(shù)者提供可視性信息，進(jìn)行導(dǎo)航和監(jiān)控。從動(dòng)系統(tǒng)按是否采用術(shù)前CT等影像資料又分為影像依從系統(tǒng)和非影像依從系統(tǒng)。影像依從系統(tǒng)的注冊(cè)過程是通過CT或X線透視等影像資料來實(shí)現(xiàn)。非影像依從系統(tǒng)直接對(duì)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行注冊(cè)和數(shù)字化處理。本文重點(diǎn)介紹非影像依從系統(tǒng)的特點(diǎn)，其在定位方式、人機(jī)互動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸和軟件的兼容性等方面存在實(shí)質(zhì)性的差別。2.1 定位方式定位方式是計(jì)算機(jī)在手術(shù)過程中識(shí)別和跟蹤的方法。定位包括從動(dòng)和主動(dòng)定位兩種方法。從動(dòng)系統(tǒng)由攝像設(shè)備發(fā)射紅外線光束，通過固定在脛骨、股骨定位器上的反射裝置，被動(dòng)地反射回?cái)z像設(shè)備上。該系統(tǒng)容易受回聲表面血液、水的干擾。相反，主動(dòng)定位系統(tǒng)定位器的發(fā)光二極管發(fā)射紅外線

11、，通過攝像儀直接接受數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)更為可靠，而且不容易受到干擾。第三種為電磁定位器，但其在金屬儀器和內(nèi)植物存在時(shí)受到明顯干擾。2.2 人機(jī)互動(dòng)方式有的系統(tǒng)使用觸屏，這種方法因?yàn)樾枰硪粋€(gè)助手操作計(jì)算機(jī)，對(duì)術(shù)者來說不很實(shí)用。使用腳踏開關(guān)也不實(shí)際，因?yàn)樵谙リP(guān)節(jié)置換時(shí)術(shù)者要常常變換體位。無(wú)線手動(dòng)指示器是導(dǎo)航系統(tǒng)另一種人機(jī)互動(dòng)方式，該方法允許術(shù)者在任何無(wú)菌位置操作計(jì)算機(jī)，就如無(wú)線計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)一樣，因此更為方便。2.3 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸是無(wú)菌手術(shù)野與儀器設(shè)備數(shù)據(jù)交換的方法。包括有線和無(wú)線兩方法。有線系統(tǒng)很不方便，而且要考慮無(wú)菌問題。相比之下，無(wú)線系統(tǒng)更為理想，導(dǎo)航設(shè)備在手術(shù)野中容易組裝，而且固定脛骨、股骨定

12、位儀的錨定裝置具有固定可靠、使用方便、產(chǎn)生應(yīng)力骨折的風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn)。2.4 軟件兼容性導(dǎo)航軟件可以是閉合操作平臺(tái)，也可以是開放平臺(tái)。閉合平臺(tái)指軟件的應(yīng)用限制于單一特征的膝關(guān)節(jié)假體。而開放平臺(tái)，指應(yīng)用系統(tǒng)可以用于任何一種膝關(guān)節(jié)假體。大多數(shù)醫(yī)院使用的是開放平臺(tái)軟件。3 基本原理計(jì)算機(jī)技術(shù)特點(diǎn)是通過個(gè)體化的設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)導(dǎo)航，給術(shù)者提供用來確定假體位置和下肢力線的相關(guān)信息。對(duì)截骨、軟組織張力、下肢對(duì)線等數(shù)據(jù)進(jìn)行量化。并根據(jù)術(shù)中具體情況確定是否存在信息誤差進(jìn)行及時(shí)修正1419。操作步驟包括三步，分別稱為注冊(cè)、術(shù)中導(dǎo)航及實(shí)時(shí)監(jiān)控、術(shù)中結(jié)果確認(rèn)。必須注意解剖標(biāo)志的準(zhǔn)確錄入，該數(shù)據(jù)是計(jì)算患肢標(biāo)準(zhǔn)生物力學(xué)軸線的依據(jù)

13、，錄入不準(zhǔn)確可致誤差，甚至使導(dǎo)航手術(shù)無(wú)法正常進(jìn)行。3.1 注冊(cè)除了電磁跟蹤和螢光透視跟蹤系統(tǒng)外，目前最常用的是光學(xué)跟蹤系統(tǒng)。其中從動(dòng)系統(tǒng)的紅外線光束由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生并照在被動(dòng)回聲標(biāo)記器上，再反射回計(jì)算機(jī);主動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)光二極管產(chǎn)生光束，由計(jì)算機(jī)接收。通過三角測(cè)量方法為計(jì)算機(jī)提供骨結(jié)構(gòu)和位置的相關(guān)信息。注冊(cè)過程分為三步：(1)確定下肢力線，通過髖關(guān)節(jié)全范圍活動(dòng)確定髖關(guān)節(jié)中心。然后注冊(cè)膝關(guān)節(jié)中心，計(jì)算股骨的軸線。并通過對(duì)內(nèi)外踝和前交叉韌帶止點(diǎn)的注冊(cè)來確定踝關(guān)節(jié)中心和脛骨機(jī)械軸線。系統(tǒng)分析下肢力線;(2)采集表面解剖信息，軸線確定后，對(duì)膝關(guān)節(jié)的表面解剖進(jìn)行注冊(cè)，采集信息，綜合分析。確定假體的大小和安放位置

14、，決定截骨的厚度;(3)生成手術(shù)計(jì)劃，最后，計(jì)算機(jī)把注冊(cè)時(shí)所獲取的相關(guān)信息進(jìn)行綜合，自動(dòng)生成患者的手術(shù)計(jì)劃。這一計(jì)劃適應(yīng)性特別強(qiáng)，術(shù)中可根據(jù)術(shù)者的意志進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。包括假體的尺寸和安放位置，及截骨厚度等。3.2 術(shù)中導(dǎo)航及實(shí)時(shí)監(jiān)控在導(dǎo)航引導(dǎo)下，按照手術(shù)計(jì)劃進(jìn)行截骨。電腦屏幕上顯示出每一步的結(jié)果及其偏差情況，可根據(jù)術(shù)中具體情況實(shí)時(shí)調(diào)整手術(shù)方案，從而取得預(yù)期的手術(shù)目的。計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)反映患者解剖及截骨情況，醫(yī)生通過屏幕實(shí)時(shí)獲得信息支持，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，為手術(shù)計(jì)劃的實(shí)施和及時(shí)調(diào)整提供方便。這是傳統(tǒng)手術(shù)方式無(wú)法達(dá)到的。聯(lián)合使用張力測(cè)量?jī)x，計(jì)算機(jī)還可以幫助醫(yī)生順利完成軟組織松解和韌帶平衡。3.3 術(shù)中結(jié)果

15、確認(rèn)計(jì)算機(jī)對(duì)假體的位置，軟組織平衡等進(jìn)行評(píng)估。并在屏幕上顯示出來。下肢對(duì)線、假體位置、內(nèi)外軟組織平衡、屈伸間隙等以數(shù)值方式或圖形方式記錄。這些信息可以存儲(chǔ)下來，用于和臨床及X線結(jié)果進(jìn)行比較。4 技術(shù)特點(diǎn)目前，非影像依從導(dǎo)航技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、快捷及準(zhǔn)確的特點(diǎn)，更常用于膝關(guān)節(jié)置換，是20世紀(jì)70年代后期Insall的傳統(tǒng)屈伸間隙平衡技術(shù)和20世紀(jì)80年代中期Hungerford and Krackow20截骨技術(shù)和計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合。該系統(tǒng)通過平衡/張力裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)軟組織張力的測(cè)量，其測(cè)量屈伸間隙的精確度達(dá)1 mm，側(cè)副韌帶平衡以度計(jì)算。力線和軟組織平衡在整個(gè)手術(shù)過程中都可以實(shí)時(shí)調(diào)整。導(dǎo)航儀的置放位

16、置不同的系統(tǒng)稍有差別，一般情況下置于患者對(duì)側(cè)，攝像設(shè)備與膝關(guān)節(jié)呈45°。計(jì)算機(jī)屏幕最佳的位置是在患者頭的上方，這樣既方便，又不影響術(shù)者的視野。用來固定發(fā)光二極管的導(dǎo)航示蹤器通過錨定針經(jīng)皮固定于股骨下段皮質(zhì)。髖關(guān)節(jié)中心通過髖關(guān)節(jié)的全范圍三維活動(dòng)來確定。顯露膝關(guān)節(jié)后，用數(shù)字化的指示器錄入解剖標(biāo)志，包括上髁連線軸、Whitesides線、股骨及脛骨中心、脛骨旋轉(zhuǎn)軸、內(nèi)外踝。并采集股骨和脛骨的表面解剖信息，提供膝關(guān)節(jié)外形資料，并進(jìn)行數(shù)字化處理。整個(gè)過程包括初始化、數(shù)據(jù)錄入、及數(shù)字化處理三個(gè)過程。精確復(fù)雜的術(shù)中數(shù)據(jù)分析是通過導(dǎo)航軟件來實(shí)現(xiàn)的。屏幕上顯示膝關(guān)節(jié)的初始運(yùn)動(dòng)軸，術(shù)者可以觀察患者整個(gè)活動(dòng)范圍的畸形變化。初始運(yùn)動(dòng)數(shù)值可通過表格或圖形方式顯示。這有助于醫(yī)生評(píng)估畸形的特點(diǎn)和程度，從而確定恰當(dāng)?shù)能浗M織松解和截骨水平。一般情況下先行脛骨近端截骨。其優(yōu)點(diǎn)為，脛骨截骨線與機(jī)械軸垂直，得