朱 荔，白玉樹(shù)，李 明

近年來(lái)脊柱外科手術(shù)得到了巨大的發(fā)展，但脊柱外科解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毗鄰重要血管神經(jīng)，手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)性很高，同時(shí)脊柱手術(shù)趨向微創(chuàng)化精準(zhǔn)化，迫切需要新的方法提高手術(shù)安全性和降低并發(fā)癥。20世紀(jì)90年代初，導(dǎo)航技術(shù)開(kāi)始被應(yīng)用到脊柱手術(shù)中，旨在提高術(shù)野的可視度和手術(shù)精度[1-3]。目前導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到脊柱外科的各個(gè)方面，如椎弓根螺釘置入[4-5]、人工椎間盤(pán)置換[6]、脊柱腫瘤手術(shù)摘除[7]等。本文將近年來(lái)脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展綜述如下。

1 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(computer assisted surgery，CAS)

目前脊柱外科手術(shù)中較流行的導(dǎo)航方式為計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)技術(shù)。CAS是指將患者數(shù)字化掃描影像信息(CT、MRI、C形臂影像等)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)工作處理站，進(jìn)行三維重建、圖像配準(zhǔn)、圖像融合等。在實(shí)際手術(shù)過(guò)程中使用立體空間定位技術(shù)動(dòng)態(tài)追蹤手術(shù)器械及患者解剖結(jié)構(gòu)的當(dāng)前位置，并實(shí)時(shí)顯示在患者的二維、三維影像資料上，手術(shù)醫(yī)生通過(guò)高解像度的顯示屏從各個(gè)方位(軸向、矢狀位、冠狀位、術(shù)野前方透視層面等)觀察到當(dāng)前手術(shù)入路及各種參數(shù)(角度、深度等)[8]。脊柱手術(shù)中常應(yīng)用的基于影像學(xué)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)輔助方式可以分為以下4種。

1.1 術(shù)前CT成像導(dǎo)航系統(tǒng)

即利用術(shù)前得到的CT信息對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行三維重建，并在術(shù)中將三維信息與真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)相互對(duì)應(yīng)。該方法為術(shù)者選擇最佳入點(diǎn)和進(jìn)入途徑提供了參考，尤其是在解剖異位、創(chuàng)傷、畸形、腫瘤等情況下。但是術(shù)前導(dǎo)航系統(tǒng)不能反應(yīng)術(shù)中正確的空間定位。

1.2 術(shù)中X線透視成像導(dǎo)航系統(tǒng)

即采用術(shù)中C形臂X線機(jī)實(shí)時(shí)采集的X 線透視圖像進(jìn)行導(dǎo)航定位。這種導(dǎo)航雖然用二維圖像提供了術(shù)中空間定位，且術(shù)中射線暴露較少，但是圖像質(zhì)量較低，對(duì)胸骶椎等部位影像重疊較難看清。而且該技術(shù)在透視影像獲取后, 不能再監(jiān)測(cè)到術(shù)中的位置改變，對(duì)于隨呼吸運(yùn)動(dòng)而位置波動(dòng)的胸椎有較大的局限性。

1.3 術(shù)中CT成像導(dǎo)航系統(tǒng)

即利用手術(shù)中實(shí)時(shí)采集的2D圖像進(jìn)行3D重建實(shí)現(xiàn)定位能夠達(dá)到與患者真實(shí)解剖的良好對(duì)應(yīng)，并獲得清晰的圖片。但是實(shí)時(shí)CT大幅度增加了射線輻射量，同時(shí)設(shè)備相對(duì)昂貴，需要專(zhuān)門(mén)的手術(shù)室環(huán)境，在一定程度上限制了該導(dǎo)航的發(fā)展[9]。

1.4 術(shù)中三維C形臂(Iso-C3D)成像導(dǎo)航

即基于C形臂的三維成像技術(shù)，術(shù)中三維C形臂自動(dòng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)190°采集100幅數(shù)字點(diǎn)片圖像并自動(dòng)重建三維圖像，然后在術(shù)中即時(shí)三維重建圖像，引導(dǎo)置釘[10]。此導(dǎo)航技術(shù)與患者解剖實(shí)現(xiàn)了更精確的對(duì)應(yīng)，并且避免了體位改變、解剖關(guān)系變化帶來(lái)的干擾[11]，但是仍存在相應(yīng)的局限性。譬如旋轉(zhuǎn)C形臂采集圖像時(shí)需要移除不透X光的牽引裝置，并需要麻醉師配合患者在采集圖像的2 min內(nèi)停止呼吸，而最大的限制莫過(guò)于有限的掃描容積(<12 cm×12 cm×12 cm)，這便意味多節(jié)段的脊柱手術(shù)需要多次采集圖像才能完整的反應(yīng)復(fù)雜的解剖關(guān)系[12-13]。

隨著CAS反復(fù)改進(jìn)，其技術(shù)體系日趨成熟，優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，譬如使手術(shù)更加數(shù)字化、實(shí)時(shí)化、智能化。但是相關(guān)設(shè)備的價(jià)格昂貴，操作相對(duì)復(fù)雜，并且手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)仍然是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的巨大難關(guān)。

2 手柄式脊柱內(nèi)固定導(dǎo)引器

基于計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，外科醫(yī)生更傾向于使用一種簡(jiǎn)單便攜的脊柱手術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工具，手柄式脊柱內(nèi)固定導(dǎo)引器由此應(yīng)運(yùn)而生。手柄式脊柱內(nèi)固定導(dǎo)引器具備以下特點(diǎn)：①體積小，容易攜帶，消毒方便。在前線野戰(zhàn)醫(yī)院或突發(fā)情況下，手術(shù)條件通常是比較簡(jiǎn)陋的。對(duì)環(huán)境依賴(lài)較強(qiáng)的CAS系統(tǒng)便受到了制約，而手柄式導(dǎo)航器正因其容易攜帶、消毒方便在非擇期手術(shù)中應(yīng)用靈活，其應(yīng)用得到更多野戰(zhàn)醫(yī)院、急救醫(yī)院的青睞。②操作簡(jiǎn)單,無(wú)需繁瑣的計(jì)算過(guò)程。CAS的關(guān)鍵技術(shù)是影像對(duì)應(yīng)技術(shù)及空間定位技術(shù)，需要階段化的學(xué)習(xí)才能熟練掌握，其中術(shù)中注冊(cè)過(guò)程繁瑣、易失敗，給術(shù)者及技術(shù)員帶來(lái)了不小的考驗(yàn)。而手柄式導(dǎo)引器原理簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)需特殊輔助人員，簡(jiǎn)化了手術(shù)難度。③能做到連續(xù)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)導(dǎo)航。同CAS一樣，可以做到實(shí)時(shí)導(dǎo)航，但其警報(bào)系統(tǒng)的發(fā)明為術(shù)者提供了更有力的保障，術(shù)者除比對(duì)觀察術(shù)中空間位置外，還可以運(yùn)用聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等感官了解手術(shù)進(jìn)程，避免手術(shù)意外。手柄式脊柱內(nèi)固定導(dǎo)引器依據(jù)其定位方法可分為以下幾種。

2.1 壓力電渦流手柄導(dǎo)引器

作用原理：探頭利用了壓力感受器的原理，采用成品電渦流傳感器分別對(duì)骨密質(zhì)與軟組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確立可靠的信號(hào)靈敏度、信號(hào)合理強(qiáng)度和安全作用距離，當(dāng)導(dǎo)引器接近穿透時(shí)即有指示燈亮起,提示手術(shù)醫(yī)師調(diào)整進(jìn)針?lè)较?。但是，每個(gè)人骨硬度存在個(gè)體差異，尤其是一些骨質(zhì)疏松的患者，即使骨密質(zhì)較硬也不會(huì)引起壓力感受器報(bào)警，這樣引導(dǎo)器的提示作用大大減弱。針對(duì)單純壓力感受器的缺點(diǎn)，采用電渦流傳感器作為探測(cè)器，對(duì)骨密質(zhì)和骨松質(zhì)間存在的硬度差異做出感應(yīng)。即便是骨質(zhì)疏松癥患者，只要骨密質(zhì)與軟組織間存在硬度差，也可在骨皮質(zhì)被穿破的瞬間發(fā)出警示[14-15]。基于壓力電渦流的手柄導(dǎo)引器在離體實(shí)驗(yàn)標(biāo)本上初步應(yīng)用效果尚可，雖仍未進(jìn)入臨床使用期，但為早期手術(shù)提供了可靠的參考。

2.2 超聲定位手柄式導(dǎo)引器

作用原理：開(kāi)路器探頭分為低頻(0.2～5 MHz)和高頻(5～20 MHz)2種。0.2～5 MHz的低頻段區(qū)有助于超聲穿透骨質(zhì)，看到前方較遠(yuǎn)骨質(zhì)后面的情況，對(duì)探頭方向提供參考；5～20 MHz高頻段區(qū)雖然穿透能力較差，但對(duì)開(kāi)路器較近區(qū)域骨質(zhì)的分辨率較高，可及時(shí)反饋開(kāi)路器頭端所在位置，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)路器頭端是否穿出皮質(zhì)有很高的警示作用。但是，骨組織聲阻抗較大，常用的醫(yī)用超聲由體外入射時(shí)，軟組織與骨組織界面聲阻抗差異較大，在骨皮質(zhì)后方形成聲影，故一直以來(lái)骨組織是體外超聲的應(yīng)用盲區(qū)。然而螺釘置入過(guò)程中開(kāi)路器探頭可直接接觸骨組織表面，克服了超聲波由體外掃描時(shí)在軟組織與骨皮質(zhì)交界處顯示不清的缺點(diǎn)，這一特殊條件又為超聲應(yīng)用提供了可能性。該導(dǎo)引器將設(shè)計(jì)的特殊頻率超聲定位導(dǎo)航裝置應(yīng)用于骨組織表面，從而實(shí)現(xiàn)了釘?shù)澜⑶皩?duì)進(jìn)釘點(diǎn)和釘?shù)婪轿坏亩ㄎ弧＿@種設(shè)計(jì)不僅能夠保證螺釘置入過(guò)程的安全性，同時(shí)確保了開(kāi)路裝置的機(jī)械強(qiáng)度，間接形成了對(duì)超聲探頭的保護(hù)，延長(zhǎng)了手柄式到引起的壽命。但是，以目前的技術(shù)仍然無(wú)法將超聲探頭制作的很小巧，這在應(yīng)用到開(kāi)路器上存在一定的困難。所以超聲探頭的研究仍主要在實(shí)驗(yàn)方面，真正應(yīng)用到臨床手術(shù)中的較少[16-17]。

2.3 電導(dǎo)定位手柄式導(dǎo)引器

作用原理：首先經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等，確定導(dǎo)航器探頭位于椎骨和腦脊液中的電流值范圍，并將該數(shù)值預(yù)存在導(dǎo)航器的控制中心中。導(dǎo)航器探頭包括2個(gè)電極，位于2個(gè)電極之間的人體組織充當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)，2個(gè)電極的輸出電流信號(hào)再經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列處理后最終輸入導(dǎo)航器控制系統(tǒng)中，并將術(shù)中得到的數(shù)據(jù)與預(yù)存在導(dǎo)航器電流值加以比較，從而指示所述導(dǎo)航器探頭所處的位置。

根據(jù)脊髓液的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于椎骨的電導(dǎo)率這一特點(diǎn)，該導(dǎo)引器實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)航器探頭的定位。使用電導(dǎo)的方法穩(wěn)定性較好，抗干擾能力優(yōu)于單純電壓、電流探測(cè)。這也是目前臨床手柄式導(dǎo)航器最常應(yīng)用的方法之一。

3 導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展前景

導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展給骨科醫(yī)生帶來(lái)了前所未有的方便，依托導(dǎo)航技術(shù)，脊柱外科手術(shù)更加安全、簡(jiǎn)便、精確。導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以細(xì)分為以下幾點(diǎn)：①導(dǎo)航技術(shù)較傳統(tǒng)手術(shù)更為精準(zhǔn)。復(fù)雜的頸段手術(shù)、脊柱側(cè)凸等畸形類(lèi)手術(shù)、椎弓結(jié)構(gòu)變異類(lèi)手術(shù)以及解剖標(biāo)志點(diǎn)不明確等情況，運(yùn)用導(dǎo)航引導(dǎo)可以提高精準(zhǔn)度，使手術(shù)更加安全可靠。②導(dǎo)航技術(shù)使脊柱外科手術(shù)微創(chuàng)化。微創(chuàng)化是脊柱外科的發(fā)展方向，但微創(chuàng)化的同時(shí)，相對(duì)局限的術(shù)野也帶來(lái)了更大的難度，引導(dǎo)技術(shù)可以幫助術(shù)者迅速找到手術(shù)部位完成操作，對(duì)保持脊柱正常解剖結(jié)構(gòu)的完整性提供了保障。③導(dǎo)航系統(tǒng)可以使術(shù)者更好地計(jì)劃和模擬手術(shù)步驟，增加手術(shù)熟練度，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。④導(dǎo)航系統(tǒng)減少了術(shù)中醫(yī)師和患者接受的放射線劑量，尤其是手柄式導(dǎo)航技術(shù)的誕生，革新了骨科手術(shù)依賴(lài)計(jì)算機(jī)輔助成像的傳統(tǒng)局面，更進(jìn)一步減少了放射線的使用率。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是綜合多學(xué)科研究成果的產(chǎn)物，也是脊柱手術(shù)發(fā)展的一個(gè)新興領(lǐng)域。隨著導(dǎo)航技術(shù)在臨床上應(yīng)用上的增加, 骨科治療效果呈現(xiàn)質(zhì)的飛躍。不難預(yù)計(jì)，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是今后脊柱手術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將對(duì)脊柱外科的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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