【摘要】 目的 探討與評估計算機輔助外科手術（CAS）在骨科中的具體應用情況。 方法 從CAS的應用現狀、系統組成、工作模式等入手，探討其在骨科各領域中的具體應用及發展趨勢。 結果 由淺入深展開討論，較為系統、全面地總結了CAS的優缺點。 結論 CAS將成為骨科手術中的重要工具，是一種良好的技術方法。濟南軍區總醫院骨創傷外科王衛國
【關鍵字】 計算機輔助；骨科外科手術；立體定位技術
計算機技術的迅猛發展,促進了醫學影像視覺化技術的發展,為使外科手術醫師對手術器械與患者解剖結構這兩者的位置關係一目瞭然,使外科手術更具有精確性、安全性和方便性，人們將計算機技術、虛擬現實技術、醫學成像技術、影象處理技術及機器人技術與外科手術相結合，產生了計算機輔助外科手術（computer assisted surgery,CAS）。CAS是基於計算機對大量資料資訊的高速處理及控制能力，通過虛擬手術環境為外科醫生提供支援，使手術更安全、更準確的一門綜合性新技術。計算機技術，空間定位技術等進行影象三維重建及融合，使醫生能夠在術前充分評估病人的情況，詳細規劃手術路徑、方案、模擬手術、術中追蹤手術器械，引導手術，確定手術範圍，從而使外科手術更精確、安全、微創化。
CAS在骨科手術中的具體應用稱為計算機輔助骨科手術（computer assisted orthopedic surgery,CAOS），它綜合了當今醫學領域的先進裝置：計算機斷層掃描（CT）、磁共振成像（MRI）、正電子發射斷層掃描（PET）、數字血管減影（DSA）、超聲成像（US）、以及醫用機器人（MR）。它旨在利用CT、MRI、PET、DSA等的影象資訊，並結合立體定位系統對人體肌肉骨骼解剖結構進行顯示和定位，在骨科手術中利用計算機和機器人進行手術干預。CAOS為骨科醫生提供了強有力的工具和方法，在提高手術定位精度、減少手術損傷、實施複雜骨科手術、提高手術成功率方面有卓越的表現,未來將成為外科手術的重要工具。CAOS技術從90年代初在歐洲和北美問世，雖應用時間較短，但發展十分迅速，應用日益廣泛。現就其在骨科的應用情況做一介紹。
1 CAOS應用現狀
醫學影像技術的發展（如CT、MRI等可以顯示結構複雜部位的三維結構）雖然使醫生對病人的情況做出比以前更充分、精確的評估，然而這些影象特徵並不適用於手術過程中，術中醫生主要靠二維的X光影象，且有暴露於射線的危險。因此發展術中三維成像系統對部分骨科手術十分必要。手術導航的出現為上述問題提供了重要線索，其設計原理來自全球衛星定位技術。計算機輔助外科手術（CAS）最早起源於神經外科的立體定向技術，空間定位技術經歷了機械手定位法、光學定位法、和不受光線遮擋的電磁定位法。由於空間定位技術的發展其裝置對手術的影響越來越小，逐漸被應用於脊柱外科的手術。隨著醫學影像技術、計算機技術的快速發展，CAOS經歷了初期基於術前C T影象引導（Preoperative CT-Based Image Guidanc）的需要手工註冊的CAOS系統，術中CT或X光影象引導（Introperative CT-Based Image Guidanceor Fluoroscopy-Based Image Guidance）的自動註冊的CAOS系統，三維C型臂（Three Dimen-sional C-Arm Fluoroscopy）的導航，未來的CAOS系統會是自動註冊匹配的基於術中真實三維影象的技術。
1.1 CAOS系統的組成
CAOS系統可分為硬體和軟體部分。各種導航的硬體組成大致相同：包括成像裝置、導航定位工具、計算機工作站等。各種導航的定位工具也大致相同：包括動態參照基（Dynamic Reference Base, DRB）、校正裝置（Calibrationfixture）、發射器（Transmitter）、接受器（Receiver）等。軟體主要是指計算機的操作程式：包括影象的處理、匹配演算法、工具註冊、定位、角度、距離的測量等作業系統。其中影象處理涉及三維重建,影象分割,影象融合等。軟體系統是CAOS技術的核心。目前，各種CAOS產品的軟體互不相容且不同的手術如膝關節置換、髖關節置換、椎弓根螺釘導航等要求不同的軟體包。因此，開發相容的軟硬體可能是未來CAOS發展的方向。
1.2 CAOS工作方式
術前採集影象，即病人術前有關的X線片、CT、MRI的影象資訊輸入CAOS系統的電腦，通過軟體包的處理進行三維構建，根據病人的解剖資訊醫生可以制定術前計劃和模擬手術，確定內植物的大小，植入的路徑，精確位置。進入手術室後在C型臂的影像增強器上安裝校正裝置，C臂的視訊光纜連線導航，在病人身上固定發射器，連線發射器，接受器於導航系統。調節C臂與病人手術部位的距離，獲得影象資訊，配準影象，註冊工具，計算機經過運算進行定位，追蹤器械，顯示影象，證實工具指示的位置與導航影象上的位置相同後開始手術。不同的導航具體的操作不同，但大致程式相似。術中導航系統跟蹤手術器械，並實時顯示多維影象指導手術。由於CAOS的引入，骨科醫生可以更完美地解決解剖比較隱蔽、晦澀、複雜的手術。
2 CAOS在脊柱外科的應用
CAOS最早應用於椎弓根螺釘技術，從腰椎、下胸椎應用椎弓根螺釘固定到上胸椎和頸椎，在脊柱側彎畸形矯正、頸椎側塊螺釘技術、脊柱前路內固定系統及椎體切除等廣泛推廣應用，技術日趨成熟。由於在脊柱畸形矯正、脊柱骨折等手術中解剖變異大，個體差異明顯，椎弓根螺釘植入解剖學標誌不明顯，CAOS技術可將螺釘位置不當的發生率降至最低，因此應用CAOS系統比傳統螺釘植入技術更精確、安全，手術人員和病人術中暴露射線量明顯減少，手術更趨微創化。
2.1 腰椎
傳統的腰椎弓根螺釘技術螺釘位置不當的發生率較高，Foley等應用導航技術在6具屍體上從T11～S1植入椎弓根螺釘沒有一例穿破皮質。Kalfas等臨床應用導航在30名病人腰椎上共植入150枚螺釘，149枚螺釘位置都良好。
2.2 胸椎
由於胸廓的存在，胸椎椎弓根較小，術中X光透視受胸廓的影響使椎弓根螺釘植入的準確性降低，實驗室和臨床調查研究顯示胸椎應用傳統技術椎弓根的穿孔率為15.9％～54.7％。Merloz等報道在胸段脊柱側彎矯正手術中應用CAOS只有6.6％的螺釘位置不良。
2.3 頸椎
頸椎解剖複雜，與神經、椎動脈毗鄰緊密，且椎動脈變異較大，手術要求更精確，難度大。臨床研究顯示下頸椎側塊螺釘固定技術達1 4％的誤植率，5％的人有明顯的神經根損傷症狀，而應用C A O S系統則顯著提高了手術的安全性和準確性。Bloch等應用CAOS系統在17具屍體上行C1～C2側塊螺釘固定有6％的標本不能接受螺釘固定，傳統的X光和解剖學標誌有23％的標本不能運用螺釘固定。Welch等利用導航行經口齒突切除，腫瘤切除，取得了理想的效果。Kotani等報道應用CAOS行頸椎椎弓根螺釘植入的穿孔率明顯低於傳統手術組，螺釘的位置更精確、理想。隨著CAOS系統的發展頸椎椎弓根螺釘固定不再是一項技術挑戰，而會更精確、安全。另外，CAOS系統也被應用於經皮腰椎弓根螺釘固定、脊柱內窺鏡、頸、胸、腰椎前路椎體、腫瘤切除減壓手術，運用導航可以追蹤的特殊咬骨鉗，椎體、腫瘤切除更安全，降低了血管神經損傷的危險性。CAOS經過將近10年的臨床應用，在椎弓根螺釘手術中的優勢是明顯的。從循證醫學的角度來看，應用CAOS系統可能會成為行椎弓根螺釘固定手術的一項金標準。
3 CAOS技術在關節外科的應用
3.1 全髖置換
應用CAOS系統行全髖置換，髖臼假體外展角度的變異減少，假體與人體更匹配，安裝過程也更精確，手術質量明顯提高，對避免術後一些併發症有著重要意義。Teenders等報道了一項隨機對照前瞻性研究，通過對150例全髖關節置換病人進行隨機分為CAOS手術組和傳統手術組，測量術後髖臼假體外展角度發現兩組之間有著統計學意義，另外DiGioia等報道應用導航行全髖置換可以使手術切口減少50％，並且由於髖臼假體的正確放置術後功能也有所提高。
3.2 膝關節置換
膝關節置換手術恢復下肢負重力線十分重要，術後關節內外翻角度小於±3°對膝關節置換的遠期效果有重要影響。Bathis等報道應用CAOS系統與傳統技術行膝關節置換比較，術後膝內外翻角度小於±3°CAOS組達96％，傳統組為78％。CAOS系統下膝關節置換下肢力線的準確性較傳統手術高，對遠期膝關節功能有重要意義。通過CAOS技術手術可以規範、一致化，從而使影響關節置換術後療效的各種複雜原因與手術原因分開成為可能，這對於評估關節置換手術的療效有著重要意義。
3.3 關節鏡及其他方面
Picard等在體外模擬應用導航系統（KneeNav-ACL系統）與傳統關節鏡下行膝關節前交叉韌帶重建術進行隨機對照實驗分析，通過對術前設定的理想位置點與實際手術骨孔之間的距離測量顯示：導航系統比傳統關節鏡手術更精確，兩組間有統計學差異。另外，Langlotz等應用CAOS進行骨盆髖臼周圍截骨，在實驗性研究中可使手術精確至0.5 mm左右，臨床上手術截骨精度可達2 mm左右。CAOS在術前幫助醫生模擬截骨，精確計算截骨的多少、髖臼的角度，術中跟蹤器械即時顯示影象，使醫生的手術更精確，避免醫源性損傷，而且有助於培訓髖臼周圍截骨手術經驗較少的醫生。
4 CAOS技術在創傷骨科的應用
CAOS在創傷骨科的應用面臨的主要問題是開發有關骨折復位的軟體，並在手術過程中監視骨折復位的情況，因為CAOS系統是基於術前或術中虛擬影象技術，術中骨折復位、骨折塊移位、參照基的移位等都會造成CAOS系統產生較大的誤差，指導手術的準確性大大降低。Hufner等開發新的CAOS軟體系統應用於骨盆環骨折復位內固定手術，與直視下對骨折塊復位比較，兩組在殘餘錯位程度和旋轉角度差異不大（平均1 mm和0.7°左右），無統計學意義。Kahler等研究應用CAOS對髖臼骨折螺釘內固定，有95％的螺釘與目標的差異小於5 mm，且90％的螺釘可以經皮植入。Jacob等報道了CAOS技術輔助骶髂螺釘植入的臨床應用，效果理想；Slomczykowaki等報道行股骨骨折帶鎖髓內釘內固定術應用CAOS系統全部鎖釘一次鎖準，而且縮短了手術時間，術中射線的暴露明顯減少。目前CAOS系統在骨折復位內固定手術應用方面是一個開發重點，且市場需求很大，如果在骨折復位軟體開發有大的突破，應用前景十分誘人。
5 CAOS存在的問題和發展趨勢
CAOS系統的不斷完善有力地推動了骨科學的發展：通過對手術器械的追蹤、顯示提高了手術的精確度和器械的可信性；促使手術器械向更精確的方向發展；可為每一具體病人度身訂做手術方案；使內植物向更精確、完美的方向發展；減少了手術的暴露，使手術更精確、安全、微創；CAOS的出現也給骨科帶來了一個全新的領域，使骨科的發展更趨向智慧化、微創化、標準化。然而，CAOS技術尚處於發展階段，高額的成本費用；工具還相當原始；笨重的裝置；煩瑣的操作；掌握CAOS技術需要有一段學習時間；術前影象配準可能產生誤差、術中註冊過程可能產生錯誤、動態參照環術中可能移位、導航本身有自己的精度、術者本人可能發生錯誤等影響其準確性；其成本與效益有待進一步評估；但隨著科學技術的進步，CAOS系統將會不斷的改進與完善，其在骨科的應用也會越來越廣泛。
總之,CAS技術是一個全新的領域,將有利於外科手術技術的發展,使手術過程更方便,更直觀,但它僅是一個診斷與治療疾病的輔助手段,必須在外科醫師嚴格而專業化的監控下工作,如有差錯,及時糾正,而不至發生不必要的結果。輔助手術系統不僅取代了常規復雜的手術,減少了病人和醫護人員的常規手術的X線輻射量,而且簡化手術操作，縮短手術和麻醉時間，極大地減輕患者肉體上的痛苦，縮短患者住院時間，降低醫療費用，使患者早日迴歸社會。因而比傳統外科手術更經濟、安全、準確、方便。
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