- 计算机辅助导航系统在骨肿瘤方面的治疗进展
- 作者:马小军|发布时间:2013-06-21|浏览量:1550次
【摘要】计算机辅助导航系统(computer assisted navigation system, cans)是近年来在外科领域新颖发展最为迅速的一个领域,其结合了外科机器人,三维图像重建,计算机辅助成像,和计算机模拟操作等相关技术。计算机辅助技术在骨科手术中的具体应用被称为计算机辅助骨科手术(caos),因其精确性、安全性及快速性的特点而在骨科各领域已得到广泛应用[1]。然而在治疗骨肿瘤方面也有这巨大的发展潜力,不但可以治疗良性肿瘤,而且在恶性肿瘤方面也比传统手术会更有优势。为此我们回顾了目前国际相关文献,对计算机辅助外科手术在骨与软组织肿瘤方面的进展做以综述。上海第十人民医院骨科马小军
[关键词] 计算机辅助导航系统;骨外科学;骨肿瘤
基本概念
计算机辅助导航系统是以医学成像技术为基础,医学成像技术发展最早由horsley(1908)等[2]使用x线定位测量辅助神经外科手术中开展,开创了立体定向外科。1986年日本,美国和瑞士[3]几乎同时开发了由交互式ct机组成的导航设备,这就是最初的计算机辅助外科。医学图像三维可视化技术的创建,使得图像快速多样化处理成为现实, 这些新的成像技术超越了常规ct二维图像的局限性,借助专用软件和计算机图形学方法,可以显示三维物体表面及任意剖面的全面信息。该领域研究的最新进展是虚拟现实技术(virtual reality),虚拟现实技术是指可以人为控制的三维图像界面。此技术可以快速修改和控制由ct/mri/pet 及其他影像装置采集的数据,并在不干扰正常外科工作的情况下计算显示,重建和传输虚拟图像[4] 。由此,外科医生能应用逼真的三维可视图像对人体解剖结构从任意角度进行观察、术前模拟、术中导向及术后评价。
计算机辅助导航系统的分类及其原理特点:
一、按照导航工具与手术环境交互方式[5]的不同分三类:
1.全自动化设计 即在没有人为干预下,医用机器人辅助手术系统根据预设的程序执行手术操作,如全髋关节置换时应用robodoc医用机器人辅助手术系统行股骨髓腔准备假体安放的操作步骤。
2.半自动化设计 医用机器人辅助手术系统根据预设的程序执行手术操作的同时也有人为的干预,如使用医用机器人辅助手术系统行全膝关节置换,当遇到危险区域时仍会限制外科医生正常操作。
3.机器手设计即非自动化设计,仅传递术者的手部动作,例如遥控手术操作仪[6]。
二、按照导航信号[7]分四类:
1.光学定位(红外线):该导航系统是目前导航系统中的主流定位方法。以摄像机作为传感器,利用安装在手术器械上的红外发光二极管发出的红外线的空间位置,判断出手术器械的位置和姿态,指导医生完成手术操作,如德国蛇牌ortho pilot导航系统。该系统具有定位精度高、处理灵活的优点,但其红外线接收装置容易受术中手的遮挡及周围光线或金属物体镜面反射的影响。
2.磁(电磁场)定位:利用每个电磁产生的线圈定义一个空间方向,3个线圈确定三个空间方向,然后再根据已知的相对位置关系即可确定目标的空间位置。电磁定位系统定位精度较高,属于非接触式定位。但该系统磁场对工作空间中任何金属物体的引入都很敏感,有可能影响到定位的精确性。如ascension technology公司的flock of birds系统。
3.声学(超声信号)定位:在手术器械上放置n(至少大于3)个超声波发射器,通过测量超声波的传播时间来计算发射器与接收器间的距离,从而计算出手术器械的位置和姿态。但温度对超声波的影响、空气位移及空气非均匀性对定位精确性的影响是该系统的弊端。lipman公司vscope系统即为超声定位系统。
4.机械定位:机械定位即机械手,至少有6个自由度,且每个关节均有编码器,可通过机械手的几何模型和关节编码器的瞬时值计算出与机械手相连的手术器械的位置。其优点在于不会被障碍遮挡,且可在特定位置夹住或放置手术器械;缺点是术中较为笨拙,施加在机械手上的压力可使数据发生变化,即存在固定装置和制动器的位移误差。典型代表如isg公司的viewing wand系统。
三、按照导航影像建立的基础分三类:
1.基于ct的导航系统:它是计算机辅助导航系统最早应用于临床手术的一种系统,把患者术前ct图像数据、术中从定位器获得的解剖结构的形状、位置信息及手术器械的位置信息集成到一个共同的坐标系统中,这些组合信息将供手术医生在术中准确确定病灶区域或在术中避开危险解剖结构。该类系统最主要应用于神经外科手术。而应用于骨科手术系统的有digioia等开发的hipnav系统、langlotz等开发的脊柱导航系统,目前主要用于脊柱骨肿瘤,骨盆肿瘤等方面。
2.基于x线透视的导航系统:骨科手术中c型臂x线机使用极其广泛,对传统的c型臂x线机成像系统进行内部校准,在c型臂机的影像增强器一侧安装一个均匀网格分布的校正模板,经过插值算法对x线透视图像进行几何校正,即形成了该导航系统。该系统在术中通过光学定位系统及c型臂x线机成像系统,可实时获得x线图像解剖结构及其与手术工具、c型臂x线机之间的空间位置关系,便于指导手术医生对手术工具的判断和准确操作。目前骨科,如脊柱外科、创伤外科等应用的导航系统多为该系统。
3.完全开放式的导航系统:对于解剖结构可以暴露充分的手术,可使用该导航系统。即在手术范围附近固定的解剖结构上安装动态参考坐标系(反光标记球或发光二极管),利用标记点的空间运算确定解剖结构的空间位置,从而进行手术。该系统最常见的是应用于骨科的全膝关节置换和其它关节手术。
计算机辅助导航系统工作步骤
一、医学图像采集及扫描影像:
将ct、mri、x线等医学影像进行数字化重建,在计算机主处理系统中进行手术前模拟。将c型臂的视频输出接口与手术导航系统的视频输入接口用视频电缆相连、将c型臂扫描的图像能输到手术导航系统。
二、测量扫描影像时病人解剖结构和c型臂之间的相对空间位置,在病人手术部位解剖结构上安装动态参考环、c型臂影像增强器上安装校准靶、动态参考环和校准靶上安装必要的术中定位仪,判断影像扫描、病人解剖结构和c型臂的相对位置。
三、校准图像:建立起手术器械和病人术前影像之间的位置联系,将手术床上病人解剖结构和影像准确对应。
四、术中导航及实时跟踪显示、系统跟踪手术器械位置、并以虚拟探针的形式将手术器械的位置同时在多模图像上实时更新显示。
五、 医用机器人手术干预、按主系统指令进行必要的手术操作。
临床应用
计算机辅助导航系统在骨科的应用因其独特的精确性、安全性及快速性的特点,使其在骨科肿瘤方面发挥了充分的优势,并使骨科手术朝微创、迅速、安全、准确的方向迈进了一步。具体应用主要体现在以下3个方面。
一、脊柱肿瘤外科治疗
目前,计算机辅助外科在骨科中的应用国内外报道中有脊柱良性肿瘤微创切除及脊柱肿瘤减压固定等方面。2007年m yamazaki等[8]报道了应用术前影像学确定三维模型,在计算机导航精确的定位辅助下切除一位27岁第六颈椎椎体骨巨细胞瘤的男性患者一例,术中前路髂骨植骨,准确椎弓根螺钉固定颈五颈七,术后患者症状得到缓解。2008年1月s rajasekaran [9]等报道了用术中iso-c三维导航系统治疗4例脊柱骨样骨瘤微创切除,其术前病人经行了ct与mri平扫,确定病灶所在椎体位置和边界情况,然后进行图像整合;术中,切口位于病灶所在椎体棘突上下,切口约3到4cm长,注册点设定在相应的椎体棘突尾端,然后iso-c3d荧光镜完成定位注册。这个荧光镜头可以做190旋转,并且得到100副相关图片,这些相关图片传送到计算机导航工作站(vector vision系统)可以在计算机里达到当时病灶和椎体电脑图像重建。整个注册过程是在病人在全麻并已经摆好的体位情况下进行,因此手术偏差相对小,然后用直径为2.5mm高速磨钻进行病灶开创去顶,然后用刮勺取出病灶直到刮到病灶刮到正常组织为止,术中导航设备可以反复进行病灶定位和确定边界,可以探查确定手术切除病灶的边界。手术时间一般是60~90分钟,出血量一般少于30ml。术前器械摆放,摄取图像,定位,校正大概需要30分钟,术后住院时间平均2.5天,oswestry功能障碍指数从术前的47分(40~55分)降低到3分(2~6分)。随访中4例病人在两年时间里没有出现复发,术后患者症状缓解率达到100%。与其他手术方式进行了统计学对比,如ct引导下穿刺、ct引导下射频消融、外科手术闪烁扫描,及计算机辅助伽玛闪烁探测器有统计学差异,有明显优势。此技术的优点在于无创伤地确定病灶形态和位置,并且在小切口下完整的切除病灶,骨骼维持了结构力线的稳定性,无需重建,很少发生神经血管损伤,还可以获取病理组织进行术后病理诊断,这样患者术后可以早期功能锻炼,功能恢复良好。
二、骨盆肿瘤外科治疗
tobias hufner [10]等人2004年报道了在计算机导航技术下治疗3例骨盆恶性肿瘤病例。一例患者系骶前复发性间质软骨肉瘤,在导航系统识别下,进行病灶切除术,但术后1年复发;其他两例是通过术前ct和mri图像整合,在三维导航系统辅助下完整切除病灶。其中一例52岁女性骶骨复发的脊索瘤进行了左侧骶1骶2神经连同左侧骶髂关节共同切除,术后3年未见复发;另一例是39岁的妇女因患左侧骶1神经根纤维瘤,在三维导航系统下进行做了s1神经与骶骨部分切除术,病理组织学分析病灶切除完整,术后表现左侧腰5到骶1神经损伤,11个月后病人死亡。
2007年kwok-chuen wong等[11]进行了计算机辅助下进行骨盆肿瘤切除,人工假体重建。其应用导航系统脊柱软件平台,结合术前影像学资料确定肿瘤范围,术中成功切除一例髋臼骨转移癌并且完成了人工骨盆假体重建。术前应用病人的ct影像学表现构建石膏模型,进行模拟后实施此手术。同年他们[12] 又进行了5例病例肿瘤切除,其中3例假体重建,1例带血管游离腓骨填充空缺,平均手术28分钟,随访3.5到10个月没有并发症,术后患者恢复良好。
2007年ulrich stockle等[13]报道了ct与mri图像结合计算机辅助导航中切除6例骨盆肿瘤,通过术前ct图像中确定手术路径与切除范围,然后完成ct与mri结合确定肿瘤骨性边界与软组织边界,通过切口内表面注册15~20个点,完成肿瘤切除。其中有一例为髂骨翼的尤文肉瘤,而且通过2根游离腓骨完成了髂骨环的完整性。同年k.reijnders等[14]通过德国vector vision导航系统完成了两例骨盆恶性肿瘤的根治手术,其中一例32岁男性右侧髂翼内侧高分化纤维组织细胞瘤,术后病理提示完整切除肿瘤边界,术后没有并发症,术后16个月肺部转移,通过胸腔镜切除病灶,两个月后脑转移,通过伽玛刀切除脑内病灶,术后随访25个月没有发现转移灶和局部复发。另外一例是一位34岁的左髂骨软骨肉瘤男性患者,术中完整切除病灶,随访14个月没有复发。christian krettek等[15]报道了两例通过计算机辅助导航下切除骨盆肿瘤的病例:其中一例是发生在髋臼顶部的软骨肉瘤,术中完整切除病灶,并且通过计算机辅助器械完成了人工假体置换,术后6个月假体未见松动与感染;另一例是骶骨复发的脊索瘤,术中肿瘤边界外切除病灶,术后4年随访中未见复发。
三、骨肿瘤放疗
在骨和软组织肿瘤的精确定位和放疗中可起到传统治疗无法比拟的作用,16模拟定位系统可对高度不规则肿瘤制定精确的三维立体放疗计划,提供接近肿瘤实际形状的真正适形治疗,对没有骨性标志的软组织肿瘤[16]提供了比常规平片更好的靶区形态,能够清楚区分肿瘤周围的正常器官,可确定最佳照射角度和放射野来避开重要器官,并使放射计划的剂量分布更为精确合理。
总体而言,以上是近些年来,国际报道的计算机辅助下治疗的骨肿瘤病例,病例不甚多,但是治疗效果很好,发展潜力巨大。
讨论
计算机辅助导航系统是骨科手术革命性的改变,但仍存在较多问题。首先必须克服成本问题、安全规范和职业保守主义的障碍,才能在骨科领域更好的应用;其次技术方面,定位时任何偏差都将影像到系统的精确性,如果发生标定点位置变化,系统配准发生变化,都将做出错误信息反馈,这些细节问题还需要外科医生和工程师进一步探讨和研究;培训此技术时间长,通常培训专业医生需要半年时间,但是在半年里这项技术可能已经淘汰;通过计算机辅助手术部分地区属于非医疗保险覆盖范围,部分医院部分科室无法有效政策支持;针对部分骨肿瘤侵犯软组织术中组织漂移还是需要解决的问题,所以目前而且目前国际上针对软组织肿瘤的计算机软件还没有开发上市[14] ;还有术前准备时间较长,其中计算机图像的输入所需时间一般为1个小时左右,在繁忙的临床工作中是需要改进的问题。
目前骨科应用较多的是基于x线透视的导航系统,往往受到c型臂x线机、患者体型及其部位的影响,图像质量不高;操作步骤较为繁琐,感应器不灵敏,图像偶而出现时有时无现象,延长了手术时间;反射球距离手术部位太近影响手术操作,太远则精确度下降;另外,由于其属于高科技产品,目前成本较高,且有些配件,如反射球、固定架等需经常更换,更提高了其价格,无形中增加了患者的经济负担。因此,对于其发展首先应基于导航系统软件及相应硬件的研究和开发,更加完善操作系统及相应的硬件配置,使其精确性更加突出;简化其操作过程,适应多数医务工作者的技术水平,扩大其应用范畴;同时降低成本,促进其普及应用。另外,还可充分利用其微创优势,将其应用于内镜手术,进一步提高微创手术的准确性和安全性。相信随着现代科技的发展,计算机辅助导航系统必将对未来的临床医学做出更大的贡献
计算机辅助导航系统并未让骨科医生失业,它只是充当“外科助手”,必须在骨科医生严格而专业化的临控下工作。必须由熟练的骨科医生制定手术计划,而最重要的是,如果出了差错,需要他们及时摁动紧急按钮或继续手术。相信将来的骨科手术室,只有在手术台上的患者才是有生命的,而医护人员在辅助系统帮助下,由机器人在计算机绘制的患者体内三维图像帮助下,挥动手术工具,实施精确程度远远高于人类外科医生的手术,使手术更安全、更准确。骨科医生和工程技术人员密切合作,不断发展和完善技术,会给二十一世纪的骨科患者的健康提供又一强有力的保障。
展望
如果很好的解决了价格、系统准确性以及人机交互的问题,计算机辅助骨科技术作为一种常规骨科手术方法就指日可待了。将来此项技术与增强现实技术结合,医生可以通过佩戴透视眼镜实时看到人体的解剖结构;而如果将此项技术同通信技术结合起来,将来可以通过虚拟医院对边远地区、天空、海底的患者进行远程手术。随着该领域技术的飞速发展,这一切正在逐步成为现实。
目前因为四肢骨肿瘤都通过一般传统手术方式可以达到较为理想的手术结果,还没有文献报道通过导航系统治疗四肢骨肿瘤的病例。但是作者个人认为通过计算机导航系统的四肢骨肿瘤的治疗有这巨大的潜力,特别是四肢肿瘤的保肢手术将会很有大的发展空间。
我们相信,不久随着计算机技术的迅猛发展,特别是腔镜技术继续进步和外科手术发展,计算机辅助外科将有更大的发挥潜力,越来越多的手术可以也可能完全由计算机独立操作。在肿瘤方面的治疗中,多学科的共同发展,不但良性肿瘤得到切除,恶性肿瘤也许有一天可以达到根治治疗。
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