骨盆骨折计算机辅助手术进展

骨盆骨折计算机辅助手术进展　　摘要：计算机辅助骨科手术(CAOS)的发展使骨科手术发生了里程碑式的变化，已成功应用于骨盆截骨、简单髋臼骨折、骶髂螺钉固定等多种骨盆手术中。骨盆复杂的解剖结构，使得现有的空间配准技术对复杂的骨盆骨折存在较大局限，成为CAOS导航研究的难点所在。在传统的CT三维重建基础上进行虚拟手术规划，借助超声测距原理将术中超声图像与术前的多模态医学图像实时配准，通过同步动力化技术跟踪骨折复位情况、确认手术效果，可实现骨盆骨折手术的微创、实时、非x线暴露的三维导航目的。该文就CA0S应用于骨盆骨折的近期研究进展作一综述。　　关键词：计算机辅助手术;骨盆骨折;超声;图像配准　　近年来，计算机辅助骨科手术(computer-assistedorthopedicsurgery，CAOS)得到迅速发展c]。]，其中影像辅助导航使得很多复杂手术不再单纯依赖手术者的经验，而更多地取决于手术，被认为是骨科手术里程碑式的革命]。骨盆区域解剖结构及毗邻关系复杂，骨折后结构遭受破坏，更加大了手术难度，而CAOS应用于骨盆骨折有较大的实用意义。然而，现有cAOs技术在骨盆骨折临床应用中存在较大局限，尚待进一步完善。现综述如下。　　1、CAOS导航技术在创伤骨科的应用现状　　基于CT的导航系统最早应用于临床，其通过术前CT扫描，将图像传人导航工作站并建立三维图像，实现术前手术规划。术中通过位置跟踪器获得手术图像与解剖结构之间的位置关系，与术前CT图像进行配准，指导医生进行手术操作。术前高速螺旋CT获取的影像质量高，对显示复杂的三维结构及关节周围带来很大方便，但现有的术中最近点迭代(ICP)配准算法、遗传配准算法及参照技术复杂，且无法实时显示并监测手术效果[4]。在创伤骨科手术中，骨折端只有在复位固定后才不会发生位置改变，传统基于术前CT的导航技术在创伤骨科的应用存在较大局限。2O世纪90年代中期，适用于手术室环境的小型可移动式CT(mobileCT)问世，使得术中骨组织实际移位情况及解剖结构之间的空间位置关系可及时反馈给导航系统。然而可移动式CT价格昂贵，设备使用率较低，且CT具有放射性，增加了手术时间和风险，目前仍难以推广。　　基于X线的导航系统，分为二维和三维X线两种，其中基于二维C臂机的X线导航系统在创伤骨科中应用最为广泛。通过C臂机可获得实时X线图像解剖结构及其与手术工具、c臂机之问的位置关系，便于指导医生对手术工具的判断和准确操作。导航手术需要示踪器标记手术对象的解剖位置，在整个手术过程中要求示踪器牢固固定在骨性结构上，如果术中移位(骨折块移位、骨质疏松等)则会发生定位错误，且示踪器每次只能固定一块基准骨或骨折块，对于多节段、粉碎性以及位置深在的骨折块，往往难以进行有效的术中实时跟踪和配准。因此，基于X线的导航技术目前仅限于无明显移位或已闭合复位的骨盆、髋臼骨折固定，是目前最常用的导航技术]。三维C臂机(如SiemensIso-C3D)可对手术区域进行190。轴向扫描，获取约100张图像，通过重建可以实现术中三维导航，该技术简化了术中配准过程]。然而由于三维X线系统只能完成12.5c范围的图像重建，可很好地应用于跟骨、胫骨平台、桡骨远端、股骨颈等关节内骨折]，但其成像质量也明显差于术前CT图像，且机器操作灵活性较差，对于骨盆、髋臼骨折等需较大区域骨折复位固定的手术应用存在局限。　　非影像依赖的导航系统，不需要术前或术中的放射学影像，而是通过在手术范围附近的固定解剖结构上安装动态参考坐标系，利用标记点的空间运算确定解剖结构的空间位置，主要适用于膝关节置换、交叉韧带重建等手术。Dardenne等应用超声波确定骨盆的前平面，通过髋关节的旋转计算髋臼中心，从而辅助髋关节假体的放置。该对于骨盆创伤手术中确定骨盆空间位置有借鉴意义。　　2、CAI导航技术在骨盆骨折的应用现状　　目前，包括骨盆截骨、简单髋臼骨折、骶髂螺钉固定等多种骨盆手术中已成功应用CAOS规划和导航技术l8。Mosheif~、Reddix等口。利用导航技术为骨盆、髋臼骨折作了充分的手术前规划。Hufner等开发出新的CAOS软件系统应用于骨盆环骨折复位内固定手术。　　Stockle等成功地对30例患者应用CAOS进行骨盆手术，显示其优越性。Hamelinek等列在CAOS下行髋部骨折螺钉植入治疗，显示其有更高的精密度和准确度。　　Kahler等研究应用CAOS对髋臼骨折螺钉内固定，有95螺钉与目标的差异小于51Tim，且90螺钉可以经皮植入。王坤正等报道的容积重建技术包含了髋臼骨折术后骨质内、外部结构的信息，是目前显示髋臼术后形态的最佳方法，对骨折术后疗效判断有较高的价值。然而，对于解剖结构严重紊乱的复杂骨盆创伤，由于难以确定基准骨和设置跟踪标，现有的空问配准技术存在较大局限，成为骨科导航研究的难点所在。　　2.1空间配准技术是骨盆创伤术中实时导航的关键难题空间配准技术是计算机辅助手术导航系统中的关键技术之一，直接关系到整个系统的精度和计算机辅助手术的成败。常用的配准方法主要有基于标志点配准法和面配准法，主要通过以下具体手段实现骨科导航。　　术前在基准骨上植入钛钉等有创工具作为外部标志点的配准方法，配准效果比较精确，但将给患者带来额外的创伤和痛苦。根据导航定位的要求，基准骨块要求至少植入3枚钛钉标志点，由于骨盆创伤形态复杂，当存在多个游离骨块或是骨块位置深在时，往往难以设置足够多的标志点。在皮肤表面贴标志点的配准方法不增加患者创伤，但只能用于软组织层较薄且相对骨组织移位很小的部位，如颅部、额头、耳后等，骨盆区域软组织较为厚实，且软组织层厚随着体位的改变引起表面形态差异很大，就不适合采用该配准方法。采用激光扫描的表面配准法，需要扫描部位解剖特征稳定(术中扫描部位的形态与CT扫描时的形态相对稳定)，如果在术中实时扫描骨组织，则需要手术显露部位足够大，同时需要将骨组织表面的软组织剔除干净，以提高扫描精度。然而骨盆表面多为肌肉、筋膜等软组织附着点，无法完全剔除干净，术中骨面渗血也会干扰激光扫描的精确性。　　对于复杂骨盆创伤而言，上述空间配准方法均存在一定局限，因此拟寻求一种适用于骨盆创伤手术的空间配准方法，是导航技术成功应用的关键所在。　　2.2骨盆手术导航中基于超声图像的配准技术研究现状超声波是最早用于手术导航的定位跟踪系统之一，但超声波定位会受到温度、空气的非均匀性以及发射器尺寸等因素的影响，受噪声和多次反射等干扰较大，系统的绝对精度为2～4n'lin，故目前多采用更为精确的红外线光学定位系统。　　手术中超声波(intraoperativeultrasound，IOUS)通过耦合剂直接作用于组织或器官的表面，干扰因素相对较少，精度较高。Oszwald等l1比较了耦合红外线导航跟踪器的非侵人性A型超声探头与传统的侵入性机械式导航探头，发现红外线导航跟踪器精度相差仅0.5n'lJTl，而超声波无创的特点具有明显优势。B型超声技术成熟，设备普及率高，操作简便而最为常用。临床常用的B型超声在601TlIn探测范围内，纵向和横向精度≤1rnin，已能满足术中导航需要。将B型超声探头与红外线导航定位参考架耦合，通过注册可获得探头的术中导航空间坐标系。更有amin等多名临床研究者1.在微创骨科手术及动物实验中分别采用A型及B型三维超声自校准技术、自动鲁棒算法等配准方法，收到了肯定的效果。　　术中软组织漂移和骨块移位造成的导航影像与真实位置之间的结构误差是导航手术中的难题，一旦发生可能导致手术失败，因此需要术中实时影像检查进行补偿[2。目前术中应用基于超声图像的导航技术有两种方法：①问接应用：通过超声来定位跟踪发生的解剖变化，根据这些变化来调整术前的影像资料，依此进行导航;②直接应用：根据术中高质量的超声图像，经三维重建后直接进行导航。由于超声骨显像质量不佳，三维重建速度较慢，目前在骨科导航中多间接应用超声的定位功能。　　Kowal等开发出一种完全自动的分割方法，成功地从B超图像识别出骨轮廓曲线，借由该方法可进一步通过超声波的测距功能，获得骨轮廓对应点云数据与超声探头间的距离，从而获得骨盆在术中的空间坐标系。　　骨折复位过程实时监控是导航技术的难点之一。简单骨折可通过分割图像上的骨性目标，并且对每一个骨折片段进行独立的参照和跟踪，采用同步动力化技而达到术中实时监控。然而对于骨盆创伤手术而言，多个游离的骨折块难以一一设置导航位置跟踪器，且为减少创伤，术中常采用闭合间接复位技术，此时通过术中超声来定位跟踪骨块的位置变化，就有可能实现无创、无x线的骨折复位实时监控。　　3、结语　　基于x线的导航系统，通过设置跟踪标志对骨折端进行术中实时测量评估，在创伤骨科中应用最为广泛，然而对于多节段、粉碎性及位置深在的骨折块，往往难以进行有效的术中实时跟踪和配准。采用基于术前CT的传统导航系统，骨折端位置在复位固定后往往会发生改变，难以确认手术效果。鉴于骨骼表面具有很强的超声反射界面，可通过耦合导航定位参考架的超声探头，实时获取软组织覆盖部位骨骼的几何特征与空间坐标信息。可在传统的CT三维重建基础上，进行虚拟手术规划，借助超声测距原理将术中超声图像与术前的多模态医学图像实时配准，通过同步动力化技术跟踪骨折复位情况、确认手术效果，从而实现骨盆骨折手术的微创、实时、非X线暴露的三维导航目的。