徐海棟，付 強綜述，趙建寧審校

0 引 言

數(shù)字技術(shù)在脊柱微創(chuàng)外科中的應(yīng)用，是指以脊柱微創(chuàng)外科理念為基礎(chǔ)，計算機圖像處理技術(shù)為輔助工具，涉及到脊柱微創(chuàng)手術(shù)的相關(guān)解剖學(xué)、立體幾何學(xué)、生物力學(xué)、材料學(xué)、信息電子學(xué)、機械工程學(xué)多種學(xué)科知識綜合應(yīng)用，使得脊柱微創(chuàng)外科具有良好的術(shù)前設(shè)計思路、對操作醫(yī)師進行虛擬操作培訓(xùn)、術(shù)中即時的操作導(dǎo)航及手術(shù)重建過程中方案的個性化設(shè)計。其良好的三維可視性，為脊柱外科提供精準(zhǔn)的診斷、操作指導(dǎo)，有效地降低了手術(shù)的損傷，提高醫(yī)療質(zhì)量和安全，并且為個性化手術(shù)方案制訂、療效的預(yù)測及相關(guān)基礎(chǔ)研究開拓了思路，在脊柱微創(chuàng)外科領(lǐng)域發(fā)展迅速?，F(xiàn)將其主要應(yīng)用綜述如下。

1 術(shù)前的手術(shù)評估、設(shè)計及虛擬操作

傳統(tǒng)的脊柱外科診療過程中，臨床醫(yī)師通過各種影像學(xué)圖片進行術(shù)前的評估、手術(shù)方案的設(shè)計。由于脊柱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之各種疾病造成的畸形、退變及損傷會造成結(jié)構(gòu)異?；蛘吒淖?，臨床醫(yī)師對具體患者的脊柱節(jié)段缺乏直觀的了解，只能通過經(jīng)驗進行評估。脊柱外科常規(guī)手術(shù)通過較大的暴露內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，避免對毗鄰的血管、神經(jīng)、重要組織的損傷。而脊柱微創(chuàng)外科的理念是通過較少的損傷達到解決目標(biāo)節(jié)段的問題、重建穩(wěn)定性的目的［1］。減少手術(shù)暴露的創(chuàng)面，提高了手術(shù)的難度和風(fēng)險性［2］，要求臨床醫(yī)師術(shù)前對患者的三維結(jié)構(gòu)的了解更為精準(zhǔn)。X線、CT及MRI是目前術(shù)前評估的重要參數(shù)，為臨床廣泛應(yīng)用。主要的問題是這些影像資料均為二維顯像，不能直觀表達為脊柱三維立體結(jié)構(gòu)［3］。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)圖像的三維重建，建立起二維圖像到三維立體解剖結(jié)構(gòu)之間的橋梁［4］。三維重建技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域近年來得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)成為臨床醫(yī)師檢查診斷脊柱疾病的重要輔助手段之一，開始發(fā)揮越來越重要的作用［5］。通過脊柱的影像學(xué)資料進行數(shù)字化三維重建，獲得病變脊柱的三維立體圖像，可以進行平移、旋轉(zhuǎn)操作，觀察冠狀位、軸位及矢狀位等不同截面的具體情況及測量相關(guān)數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)術(shù)前的評估和疾病的精準(zhǔn)診斷，采用的數(shù)字化技術(shù)軟件有多種。Materialise's Interactive Medical Image Control System即Mimics交互式醫(yī)學(xué)影像學(xué)控制系統(tǒng)軟件，是基于臨床醫(yī)學(xué)影像學(xué)的逆向工程軟件和計算機輔助設(shè)計軟件，可以對各項數(shù)據(jù)進行設(shè)置參數(shù)并編輯圖像［6］。其軟件應(yīng)用的最大特點是將斷層掃描轉(zhuǎn)化為CAD/CAM機械工作軟件處理的數(shù)據(jù)格式［7］。醫(yī)學(xué)有限元分析軟件Ansys是用來作為基于CT圖像處理的骨骼重建和有限元分析軟件，可以實現(xiàn)三維重建的同時分析力學(xué)分布、內(nèi)固定后生物力學(xué)性能等功能［8－9］，故也是重要的數(shù)字化骨科技術(shù)軟件之一。其他的軟件還有Dicom醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊標(biāo)準(zhǔn)軟件、Geomagic逆向工程軟件、Unigraphics影像學(xué)邊界定位記錄軟件等，主要的目的是將影像學(xué)資料轉(zhuǎn)化為可以進行計算機內(nèi)重建模型并進行分析的數(shù)據(jù)。

良好的術(shù)前計算機內(nèi)病變脊柱節(jié)段三維重建的實現(xiàn)，為精確診斷、術(shù)前評估提供了有利的數(shù)據(jù)資料，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗醫(yī)學(xué)術(shù)前評估方式。并且可以利用三維重建圖像進行手術(shù)操作設(shè)計及術(shù)前虛擬練習(xí)。計算機輔助設(shè)計手術(shù)操作設(shè)計可以獲得患者的三維數(shù)字模型，對其進行各個方位的測量、觀察、放大以及進行各種虛擬操作過程，選擇數(shù)據(jù)庫內(nèi)各種植入物數(shù)據(jù)參數(shù)帶入，制訂最佳的手術(shù)方案［10］。對于飛速發(fā)展的脊柱微創(chuàng)外科，注重的是操作的微創(chuàng)性和精準(zhǔn)性，有著良好術(shù)前三維重建資料的數(shù)字技術(shù)后，提高了手術(shù)的安全性和術(shù)前評估價值。脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)的另一個重要的特點就是其具有一定的手術(shù)適應(yīng)證，通過術(shù)前精準(zhǔn)評估，可以使得操作者對能否進行微創(chuàng)手術(shù)、手術(shù)過程中的注意點及術(shù)后損傷重建有預(yù)先評估，降低了手術(shù)的不確定性因素、手術(shù)的風(fēng)險性，同時提高術(shù)者操作的熟練性，適當(dāng)擴展了微創(chuàng)技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用［11－12］。

術(shù)前虛擬操作對于脊柱微創(chuàng)外科來說意義也是非常重大的，因為通過術(shù)前虛擬操作，提高了手術(shù)操作者對操作空間內(nèi)結(jié)構(gòu)的熟悉程度，減少手術(shù)的并發(fā)癥及風(fēng)險。脊柱微創(chuàng)手術(shù)主要是通過腔鏡或管道技術(shù)進行脊柱目標(biāo)節(jié)段的相關(guān)操作［13－14］，不同于常規(guī)開放手術(shù)的直視下操作，其學(xué)習(xí)曲線較為陡峭［15］。通過術(shù)前虛擬操作，也是訓(xùn)練手術(shù)醫(yī)師操作的過程。目前進行虛擬脊柱外科操作的軟件有ASKyphoplan 軟件、Spine View 軟件等［16－17］?？梢酝ㄟ^多種軟件技術(shù)，虛擬在脊柱目標(biāo)節(jié)段或部位進行相關(guān)的減壓、截骨、內(nèi)固定、融合等手術(shù)操作，提高術(shù)者操作過程中對于解剖結(jié)構(gòu)、目標(biāo)節(jié)段部位、主要操作過程的熟悉，避免由于脊柱微創(chuàng)手術(shù)操作中解剖結(jié)構(gòu)不熟悉、部位不準(zhǔn)確及操作過程引起過多的損傷等問題。從而提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性、安全性和微創(chuàng)性［18－20］。在三維模型上對患者進行尺寸、面積和體積測量，確定手術(shù)的路徑、組織的切除和移位、確定組織與器械間的位置關(guān)系，再進行虛擬操作，使醫(yī)師熟悉手術(shù)的路徑與過程［21］。

2 術(shù)中操作即時導(dǎo)航技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)

手術(shù)操作過程中的即時導(dǎo)航技術(shù)是指在手術(shù)過程中，通過計算機技術(shù)模型建立的靶向性實體工具或計算機屏幕，操作過程具有精準(zhǔn)的方向性［22］。該技術(shù)又分為快速成型模塊匹配靶向性工具和計算機導(dǎo)航技術(shù)2種不同的方式。

快速成型模塊匹配靶向性工具是基于快速成型技術(shù)基礎(chǔ)上的術(shù)中即時導(dǎo)航輔助工具。通過前期數(shù)字化模型的建立，采用CAD-RP數(shù)字工程轉(zhuǎn)化，將加工材料層層固化、堆積，經(jīng)激光處理，構(gòu)建實物三維CAD模型，俗稱快速成型技術(shù)。將虛擬在計算機內(nèi)的三維圖像實體化呈現(xiàn)在臨床醫(yī)師面前，便于醫(yī)師熟悉解剖結(jié)構(gòu)和操作過程。進一步發(fā)展為術(shù)中置釘操作過程的匹配靶向性工具，將傳統(tǒng)的眼-手配合經(jīng)驗置釘過程轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)定位操作過程［23－24］，減少了手術(shù)操作的風(fēng)險性和損傷性，符合脊柱微創(chuàng)外科理念。當(dāng)然脊柱微創(chuàng)外科技術(shù)并非僅僅是為了內(nèi)固定物的植入精準(zhǔn)性提高這個方面，還涉及到其他的操作過程。但是作為操作過程的重要環(huán)節(jié)內(nèi)固定物的植入是需要關(guān)注的術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)的核心與重點之一。

計算機導(dǎo)航技術(shù)是指計算機輔助脊柱外科手術(shù)過程中利用X線裝置、CT及MRI提供的即時圖像與術(shù)前建立起的三維模型進行匹配，通過術(shù)中先進的定位系統(tǒng)，進行配準(zhǔn)、定位、導(dǎo)航過程。醫(yī)師通過計算機屏幕上的指導(dǎo)進行預(yù)先計劃的過程操作，可以看到常規(guī)手術(shù)不能看見的周邊組織和深層組織，按照術(shù)前確定的切割路徑和工具位置，精準(zhǔn)施行手術(shù)過程，實現(xiàn)手術(shù)的精確化和微創(chuàng)化目的［25－26］。術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)為脊柱外科醫(yī)師手術(shù)操作過程帶來了即時動態(tài)的術(shù)中情況反饋、提供了微創(chuàng)操作的便利性，手術(shù)操作過程更為精準(zhǔn)，使得操作過程向預(yù)定、完美、微創(chuàng)方向發(fā)展。

另一個數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用是脊柱微創(chuàng)外科操作過程中的監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測和術(shù)中超聲監(jiān)測技術(shù)都是使用儀器的數(shù)字化技術(shù)，輔助脊柱微創(chuàng)操作過程。術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測的目的是保證脊柱微創(chuàng)手術(shù)操作過程中對脊髓神經(jīng)的保護性監(jiān)測，并提示減壓性操作的有效性，降低術(shù)者和患者術(shù)中過程在透視下的過度暴露［27－28］。術(shù)中超聲監(jiān)測是更為簡單的評估椎弓根螺釘置釘方法，具有省時省力的特點，能夠準(zhǔn)確有效評估手術(shù)操作過程，尤其適合于脊柱穩(wěn)定性重建的脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)操作過程［29－30］。近年來興起的電磁導(dǎo)航監(jiān)測技術(shù)可以為脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)操作提供高精確度的三維空間導(dǎo)航，減少手術(shù)時間、透視次數(shù)及手術(shù)損傷［31］。

3 骨科專用機器人系統(tǒng)在術(shù)中應(yīng)用

骨科專用手術(shù)機器人目前主要在關(guān)節(jié)外科、創(chuàng)傷外科等領(lǐng)域應(yīng)用，脊柱外科手術(shù)機器人研發(fā)采用的是Spine Assist系統(tǒng)為支持的機器人操作系統(tǒng)，尚處于起步階段［32－33］;國內(nèi)也研發(fā)了相關(guān)的 Spine Bull's-Eye系統(tǒng)［34］。具體應(yīng)用起來可以通過靈活的多方向操作臂改善人手操作的精準(zhǔn)性和安全性，存在的問題是價格昂貴不適宜推廣。機器人輔助脊柱外科技術(shù)可以完成目前少數(shù)專家才能完成的多種復(fù)雜手術(shù)操作，降低術(shù)中術(shù)者和患者的透視暴露，提高手術(shù)精準(zhǔn)性的同時減少手術(shù)操作的創(chuàng)傷性，更加符合脊柱微創(chuàng)外科的理念。

4 脊柱微創(chuàng)外科個性化手術(shù)設(shè)計及內(nèi)植入物設(shè)計

脊柱微創(chuàng)外科在前期的數(shù)字化技術(shù)支持的條件下，完全可以實現(xiàn)個性化的手術(shù)設(shè)計和內(nèi)植入物設(shè)計。數(shù)字技術(shù)可以對患者術(shù)前進行精準(zhǔn)的建模，提供快速成型的實體模型，借助計算機技術(shù)和逆向工程技術(shù)選擇合適的手術(shù)入路、操作方式及內(nèi)固定物的植入。隨著患者對術(shù)后康復(fù)水平要求的提高，個體化手術(shù)方案的設(shè)計及重建脊柱穩(wěn)定性內(nèi)植入物的個性化設(shè)計成為以后脊柱外科發(fā)展的重點［35－36］。精準(zhǔn)的導(dǎo)航計算機模塊或?qū)嶓w匹配工具，便于和術(shù)中相關(guān)的解剖部位獲得精準(zhǔn)匹配，降低了手術(shù)的風(fēng)險和操作過程的難度。對于個性化設(shè)計的內(nèi)植入物可以為患者提供良好的個性化重建脊柱穩(wěn)定性材料，避免工廠化生產(chǎn)產(chǎn)品特異性不足的缺點。而適當(dāng)?shù)膬?nèi)固定物選擇和設(shè)計可以在計算機三維模型中進行相關(guān)的有限元生物力學(xué)分析，或者采用個性化設(shè)計的內(nèi)植入物，均確?；颊吆笃陬A(yù)后良好。通過計算生物力學(xué)應(yīng)力承載和分布，減少由于力學(xué)承載問題導(dǎo)致的脊柱穩(wěn)定重建失敗的發(fā)生及內(nèi)固定物斷裂松動的風(fēng)險，改善患者的預(yù)后［37］。

綜上所述，脊柱微創(chuàng)外科在數(shù)字技術(shù)的輔助下將會獲得更好的精準(zhǔn)性、微創(chuàng)性、個體性及操作的便利性優(yōu)勢。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，尤其是整合多種數(shù)字技術(shù)的脊柱外科手術(shù)機器人的研發(fā)和推廣以及個體化手術(shù)方案的制訂，不斷完善著臨床醫(yī)學(xué)存在的未解難題，對基礎(chǔ)研究和臨床實踐產(chǎn)生重大深遠的影響。

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