国内讲堂

    21 继续医学教育 第21 卷第1 2 期

    计算机辅助导航系统及其骨科应用

    杨永宏 郑杰(解放军第一一七医院骨一科, 杭州，310013 )

    作者简介

    杨永宏，男，主任医师，科主任。 研究方向：脊柱

    外科、 关节外科、 计算机

    辅助骨科导航技术。

    计算机辅助导航系统(Computer Assisted

    Navigationsystem, CANS ) 将空间立体导航技术、计算机图像处理及可视化技术与临床手术结合起来，利用计算机计算出信号传输和接收发射器位置点的

    数据，得出所需的各种曲线和角度，使无形、虚拟

    的人体参数转变成直接的动画图像。同时可使手术

    器械的位置在术中影像上实时更新显示，让医生随

    时了解手术器械的位置与患者解剖结构的关系，避

    开重要的解剖结构，确保手术的安全。还可以模拟

    手术器械的前进和后退，存储手术路线，测量植入

    物的角度、长度及直径，便于医生客观地进行手术。

    利用CANS 可减少术中X线机的使用，进而减少患

    者及手术室工作人员的X线摄入，维护其健康。

    1 CANS 的分类及其原理特点

    1.1 按照导航工具与手术环境交互方式的不同分三

    类

    1.1.1 主动式结构：主要指机械手、手术机器人，即

    术中无须人为的干涉，完全凭借机械手进行操作。

    但由于机械手在灵活性方面远不能和人手相比，因

    此往往难以满足复杂手术的要求, 从而限制了机械

    手在临床的广泛应用。

    1.1.2 被动式结构：该结构导航系统在术中通过提

    供手术工具的实时空间位置及运动轨迹，并将该信

    息提供给手术操作者，无须手术医生的判断，协助

    其准确地完成手术操作。是目前临床使用最广泛的

    一种导航定位方法。

    1.1.3 半主动式结构：该类型的导航系统属于第二

    代机器人手术系统，多数处于实验研究阶段, 尚未

    见临床应用报道。它允许医生在机器人控制的安全

    范围内随意移动手术工具, 但如果手术超越此安全

    范围, 系统将终止操作。该系统不但确保了手术的

    安全性，还充分发挥了人手的灵活性，有待进一步

    研究、应用。

    1.2 按照导航信号分四类

    1.2.1 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 CCD 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Orthopilot

    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。

    1.2.2 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。

    1.2.3 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 ......