中华骨科杂志 2 0 0 6年 1 0月第 2 6卷第 1 0期 C h i nJ O r t h o p ,O c t o b e r 2 0 0 6 ,V o l . 2 6 ,N o . 1 0

    计算机辅助骨科手术 ( c o m p u t e r - a s s i s t e do r t h o p a e d i c

    s u r g e r y , C A O S )是利用计算机对数字化医学影像的高速处理

    及控制能力, 通过虚拟手术环境为骨科医生从技术上提供支

    援, 使手术更微创、 更安全、 更准确的一门新技术。正因为这

    是一项基于术中图像, 应用相应定位手段, 对手术部位及术

    中的手术器械进行实时跟踪、 显示、 引导而进行手术的技术,其工作原理犹如在航空、航海中为飞机和舰船进行导航一

    样, 所以也有很多学者把 C A O S称为影像辅助导航手术( i m -

    a g eg u i d a n c ef l u o r o s c o p i cn a v i g a t i o ns u r g e r y , I G F N S ) 。 C A O S应

    用的是以计算机图像处理工作站及影像跟踪设备为核心的

    手术系统, 此系统的基本功能是将医学影像设备提供的图像

    进行信息化处理, 并结合立体定位系统( s t e r e o t a c t i cl o c a l i z a -

    t i o ns y s t e m ) 对真正的人体肌肉、 骨骼解剖结构进行显示和定

    位, 借助计算机和医用机器人进行手术。骨骼及其周围的肌

    肉等软组织构成了人体最重要和复杂的运动系统。在手术

    中, 如何避开错综复杂的神经、 血管, 以最小的手术侵袭, 准

    确地固定和修复骨骼一直是创伤骨科医生的梦想和面临的

    挑战。C A O S的出现使这种梦想变为可能。近年来,伴随

    C A O S技术和设备的不断发展,越来越多的骨科医生开始在

    临床工作中应用 C A O S ,并作为开展创伤骨科微创手术的主

    要技术和手段。由于 C A O S综合了计算机、 医学图像处理、 精

    密机械制造和医用机器人技术, 是多学科智慧的结晶, 使其

    在很多方面具有传统骨科手术无法比拟的技术优势, 极大促

    进了骨科手术向真正意义的外科微创化、 智能化目标发展。

    一、 C A O S发展的简单历史回顾

    计算机辅助手术( c o m p u t e r a s s i s t e ds u r g e r y ,C A S ) 的临

    床应用已有 2 0余年的历史, 从 C A S转向 C A O S是从 2 0世纪

    9 0年代初开始的。当时神经外科领域的脑立体定向导航手

    术, 使脑组织的解剖结构能够直观、 立体地被计算机三维重

    建, 利用最初的定位导航框架, 能够对深部的脑组织实施精

    确、 微创的手术, 此技术在应用于神经外科领域的脊柱手术

    时被骨科医生所关注,发现了其在骨科应用的重大价值。

    C A O S技术真正应用于创伤骨科是 N o l t e 等( 1 9 9 5年) 应用计

    算机辅助微创导航手术系统在赫尔新基实施了世界第一例

    腰椎椎弓根螺钉内固定术。 自此, C A O S在骨科手术中的优势

    逐渐显现。 所以 C A O S是在 C A S技术已经相对初具规模的基

    础之上发展起来的。近十年来, 随着医学影像设备的不断完

    善、 计算机技术的高速发展、 全球 I n t e r n e t 技术的普及, 更加

    速了 C A O S的发展, 可以说 C A O S是在一个高技术平台上起

    步的。计算机辅助手术的关键技术是计算机对医学影像的处

    理和术中的定位导航, 这些核心技术经历了解剖部位体表标

    记定位、 有框架标记定位、 无框架标记定位到目前的主动式

    跟踪红外定位、 被动式跟踪红外定位阶段, C A O S的发展也大

    致经历了以上阶段, 只不过是发展得更快 。由于骨科手术所

    涉及的骨骼、 关节及其周围软组织最容易被医学影像设备反

    映清楚, 所以 C A O S在骨科手术领域的应用也最为广泛和活

    跃。骨骼和关节在物理学上被认为是刚体( r i g i ds t r u c t u r e ) , 在

    手术操作过程中不会因为器械的移动和体位的变化而变形,手术中内固定材料、 人工假体的植入特别依赖骨骼表面标志

    和术中医学影像, C A O S能够为骨科手术提供精确术前、 术中

    定位,在计算机图像处理工作站上可以进行术前模拟操作、手术路径规划, 在术中可以进行实时跟踪、 监测, 并显示手术

    器械、病灶及周边组织、内固定物、人工假体的相关位置。

    C A O S不断发展的过程也是骨科医生不断探索、 不墨守成规、不断吸收新技术、 勇于迎接挑战的过程。

    二、 C A O S在创伤骨科手术中应用的基本工作原理

    C A O S是应用不同的跟踪定位手段对经过计算机处理过

    的手术部位及手术器械进行导航, 目前的跟踪定位手段有光

    学定位、 超声波定位、 机器人定位、 电磁定位, 这些方法各有

    优缺点, 但结合创伤骨科的手术特点, 目前的 C A O S技术主

    要应用光学定位方法中的红外光学定位技术。创伤骨科的影

    像学特点是移位骨折复位前后的影像变化很大, 这就决定跟

    踪定位的图像是不断变化的, 需要影像设备能够随时提供给

    计算机伴随治疗过程不断变化的术中影像,在创伤骨科, 一

    般应用 “C ” 型臂 X线透视机进行术中影像的实时采集。 C A O S

    在创伤骨科手术中应用的基本工作原理就是在手术室中建

    立一系列带有红外线发射与接收装置的可跟踪系统, 再应用

    能够识别这些光学信号的摄像机将每个带有光学信号的手

    术部位( 解剖部位) 、 手术器械、 “C ” 型臂透视影像进行手术空

    间的位置跟踪。计算机图像处理工作站能够把摄像机记录的

    每个跟踪目标的空间位置进行空间坐标的数字化测算, 并将

    数据存储在计算机中; 计算机还能够把 “C ” 型臂透视影像与

    真正的手术部位进行空间位置的准确叠加与对映, 使术者能

    够在计算机上看到手术器械与手术部位及透视图像之间的

    实时位置( 图 1 ) 。 根据不同的创伤骨科手术步骤, 应用与之相

    应的手术软件, 就能够让医生按照计算机的操作界面提示进

    行精确的手术操作。C A O S的关键技术就是影像对映技术及

    空间定位技术, 直接影响导航手术的精确性。骨科医生应该

    对上述工作原理有正确的认识, 才能够把自己的临床思维与

    计算机的导航界面进行很好的结合, 从而完成手术。

    三、 C A O S的系统组成及基本设备

    ( 一) 系统组成

    · 骨科教程·

    计算机辅助骨科手术在创伤骨科中的应用

    王满宜 王军强

    作者单位:1 0 0 0 3 5 北京积水潭医院创伤骨科

    7 0 3 · ·中华骨科杂志 2 0 0 6年 1 0月第 2 6卷第 1 0期 C h i nJ O r t h o p ,O c t o b e r 2 0 0 6 ,V o l . 2 6 ,N o . 1 0

    1 . C A O S主处理系统可完成三大功能: ( 1 ) 数据获取及建

    模, 包括图像数据的获取、 定位参考坐标系统的定义、 数学模

    型的建立及医用机器人的校正 ......