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计算机辅助骨科手术 (computer- assisted orthopaedicsurgery, CAOS) 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 CAOS 称为影像辅助导航手术(im-age guidance fluoroscopic navigation surgery, IGFNS)。CAOS 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(stereotactic localiza-tion system) 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。CAOS 的出现使这种梦想变为可能。近年来, 伴随CAOS 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 CAOS, 并作为开展创伤骨科微创手术的主要技术和手段。由于 CAOS 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、CAOS 发展的简单历史回顾计算机辅助手术(computer assisted surgery, CAS) 的临床应用已有 20 余年的历史, 从 CAS 转向 CAOS 是从 20 世纪90 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。

CAOS 技术真正应用于创伤骨科是 Nolte 等(1995 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, CAOS 在骨科手术中的优势逐渐显现。所以 CAOS 是在 CAS 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 Internet 技术的普及, 更加速了 CAOS 的发展, 可以说 CAOS 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, CAOS 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 CAOS 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(rigid structure) , 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, CAOS 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。

CAOS 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、CAOS 在创伤骨科手术中应用的基本工作原理CAOS 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 CAOS 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。CAOS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。CAOS 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、CAOS 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: 100035 北京积水潭医院创伤骨科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。(2) 术前处理, 包括多模图像的配准(registration) 、组织器官的三维显示、手术方案和手术途径的制定、术前手术模型的建立等。(3) 术中处理, 包括术中数据获取, 如多模图像数据、机器人参数、定位系统的定位坐标、组织器官的位置等; 组织器官、机器人、手术器械的术中显示; 术中配准及定位, 包括多模图像配准、图像与定位系统的配准、手术器械和机器人的配准。术中导航主要是引导手术的进行; 机器人控制主要是指令机器人按一定的要求进行手术干预。

2.成像设备系统, 用来提供人体组织器官的解剖结构信息和功能信息。

3.立体定位系统, 用来对人体组织器官、机器人和手术器械进行定位。

4.操作系统或医用机器人, 用来进行手术操作。