计算机辅助导航系统在骨科手术中的临床应用

    王 伟 综述 ,吕 龙 审校

    (内蒙古自治区医院骨科 ,内蒙古 呼和浩特 010017)

    [摘要] 计算机辅助导航手术系统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 ,使手术器械的位置在术中通过影像实时显示 ,从而确保手术的安全。因精确性、安全性及快速性的特

    点使其在临床逐渐得到广泛应用 ,在脊柱、关节外科、创伤外科等方面也充分发挥了重要作用。随着科技的

    发展 ,计算机辅助导航系统将发挥更大的作用。

    [关键词]计算机辅助手术;导航系统;骨外科学

    [中图分类号] R683 [文献标识码]A [论文编号] 100420951 (2007) 0720842203

    Application of Computer Assisted Navigation System in Orthopaedics

    WAN G Wei ,LU Long

    ( Department of Orthopeadics , Inner Mongol ia Hospi tal , Huhhot 010017 China)

    [ Abstract] Computer assisted navigation system(CANS) take advantage of the techniques of space three -

    dimensional navigation ,computer image processing and visualization. When it combines with clinical surgery ,it

    can display at real time the positions of surgical inst rument s through the images during the process of the opera2

    tion. As a result ,the safely of the operati on is ensured.Because it is precise ,safe and fast ,CANS has been in wide

    use in ciiniCS. In clinical orthopaedics ,especially in the aspect s of spine ,spinal cord ,joint surgery and t raumatic

    surgery ,CANS has played an important role. With development of sciences ,CANS is sure to find much wider ap2

    plications in clinics.

    [ Key words] Computer - assited operation ;Navigation system ;Orthopaedics

    计算机辅助骨科手术(Computer assisted ortho2

    pedics surgery ,CAOS)即利用各种影像设备如 CT、MRI、 PET、 DSA、 US 等结合导航系统 ,对人体骨骼

    解剖结构及手术器械进行显示和定位 ,通过计算机

    制订手术计划 ,在术中进行操作干预的一项技术。

    计算机导航系统(Computer assisted navigation sys2

    tem 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手术影

    像上实时显示 ,医生可以随时了解器械位置与解剖

    结构的关系 ,确保手术的安全;其最大的优势是:简

    化了手术操作 ,缩短了手术时间 ,减少了手术创伤 ,减弱了术中放射线的照射 ,使骨科手术变得更安全、更准确、更微创[1 ]。

    1 CANS系统分类及其原理

    111 按是否应用机器人[2 ]

    及其程度分类

    主动系统(active system) :机器人可以按照计划

    精确完成手术 ,但必须有足够的安全措施保障患者

    及医生免受错误操作的危险。然而机器人的灵活性

    却难以满足手术的复杂性 ,因此限制了其在临床中

    的推广及应用。

    半主动系统( semi2active system) :如控制性动

    力臂 ,大多数还处于实验研究阶段 ,尚未见到临床应

    用报道。它属于第二代机器人手术系统 ,允许手术

    医生在机器人控制的安全范围内随意移动手术工

    具 ,既有机器人的精确性 ,又有人的灵活性。

    被动系统(passive system) :在手术过程中起辅

    助作用 ,仅仅控制手术工具的空间运动轨迹 ,最终的

    手术操作还是要靠医生完成。

    112 被动系统是否采用术前 CT分类

    分为需影像的系统和无需影像的系统。无需影

    像系统还有两个亚型: ①以标志结合点动力性建模

    的系统。②以三维骨建模( bone morphing) 为基础

    的系统[3 ,4 ]。

    113 按导航信号[3 ]

    分类

    光学定位(红外线) : 是目前使用最广、精度最

    高的主流定位方法 ,以 CCD 摄像机作为传感器 ,利

    用安装在手术器械上的发光二极管发出的红外线的

    空间位置 ,判断手术器械的位置和姿态 ,指导医生完

    248 内蒙古医学杂志 Inner Mongolia Med J 2007 年第39 卷第7 期

    ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net成操作 ,典型的精度为 1mm ;优点是手术器械更换

    方便、体积小、易操作、可跟踪多个目标、速度快 ,缺

    点是易受手术室背景光线和其它反射物的干扰、价

    格昂贵。

    磁(电场)定位:利用每个电磁产生的线圈定义

    一个空间方向 ,共三个线圈 ,然后根据已知的对位关

    系就可以确定目标的空间位置。精度较高一般为

    3mm ,优点是价格相对较低、体积小 ,不被遮挡 ,缺

    点是工作范围小 ,易受铁磁性物体的干扰。

    机械定位法: 即机械手 ,至少有 6 个自由度 ,且

    每个关节均有编码器 ,可通过其几何模型和关节编

    码器的瞬时值计算出与机械手相连的手术器械位

    置。是最早应用到 COAS系统的定位方法 ,典型精

    度为 2～3mm ,优点是技术成熟可靠 ,可在特定位置

    夹持手术器械 ,缺点是系统庞大、无法跟踪移动物

    体、自由运动有限 ......