作者：田伟,牛晓辉
出版社：人民卫生出版社
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计算机导航辅助骨肿瘤外科手术学试读：
前言
骨肿瘤是指发生于骨骼系统的肿瘤，其发病率低，但不管是基层医院、骨科专科医院或综合医院，骨科医生都会在临床上或多或少诊治过该类疾患。在某种意义上来说，骨肿瘤这类疾病属于交叉学科，他需要医生同时具备肿瘤学的知识和骨科学的知识。在中国，除了专业的骨肿瘤医生外，骨肿瘤一般主要由骨科医生诊治。遗憾的是，很多骨科医生并没有专业的肿瘤学知识。
因此，我们此前编写出版了《骨肿瘤标准化手术》，旨在对看似没有规律的骨肿瘤诊治进行分类、归纳和总结，按照肿瘤学处理的原则要求，提供标准化的手术方案。但由于骨肿瘤手术对肿瘤学和骨科学两类知识的要求，设计好的手术方案，顺利实施并不是一件容易的事。比如：术前设计在肿瘤正常组织以外1cm做切除，但在实际实施时或者少于1cm，使肿瘤复发风险明显增高，或者明显多于1cm，造成不必要的过多切除，给重建带来困难，甚至影响术后功能。因此，如何精确实施手术方案、做到精确骨肿瘤切除是我们一直思考的问题。
精准医疗是目前比较热门的概念。骨科手术操作的精准医疗同样受到广泛关注，例如：骨科大夫经常做的平面截骨的精确度问题，2010年有学者在JBJS(Am)上发表文章，目的是验证骨科大夫进行平面截骨的精度，作者设计了一个实验，由6个非常有截骨经验的医生进行操作，在模型上做模拟平面截骨，结果发现：在无辅助设备指引的情况下，徒手进行操作，平均误差达到5.2mm；而如果采用计算机导航辅助，虽然仍然徒手操作，但切除的精度大大提高，截骨平面误差减少到2.8mm（具有统计学意义）；如果由机器人在计算机导航辅助下进行操作，误差进一步减少到1.7mm（同样具有统计学意义）。因此，计算机导航辅助技术对于骨肿瘤医师的手术操作无疑是大有裨益的。
2007年,中国医药生物技术协会计算机辅助外科技术分会在北京成立，该分会极大地促进了计算机导航辅助骨肿瘤手术的发展。北京积水潭医院骨肿瘤科有着40多年的历史，作为国内最早建立的骨与软组织肿瘤专业诊治中心，目前已发展为国内规模和影响力最大的专业骨与软组织肿瘤诊治中心。我们的骨与软组织肿瘤数据库有19 000多个病例。到目前为止，我们的数据库中保存着800余例计算机导航辅助骨肿瘤手术的详细资料。在本书中，我们精心选择了不同部位，不同种类的典型手术，以图谱的形式详细阐述计算机导航辅助手术的具体思路和步骤，并对计算机导航辅助骨肿瘤手术的基本理念和概念进行阐述，供各位读者参考。
但是，我们也必须指出：计算机导航辅助只是为了实现术者的手术目的，提高精确度，缩短学习曲线，计算机导航辅助本身并不能代替术者思考，术前计划需要术者亲自来完成，这就包括：肿瘤范围需要术者亲自去确定，外科切除边界更是“人”给的。
最后感谢北京积水潭医院骨肿瘤科全体医生和资料室秘书在繁忙的临床工作中挤出时间精心选择病例、整理资料并最终成文。田 伟 牛晓辉2016年7月第一部分 总论第1章 计算机导航辅助技术在骨科手术中的应用——发展和现状背景
计算机辅助导航技术在过去几十年不断进展，已经逐渐在骨科各亚学科中得到广泛应用。这项技术能为外科医生提供术中的实时信息，可以帮助外科医生提高手术的精确度和实现术前计划，减少手术显露范围，减少手术操作相关的并发症，从而最终提高患者的治疗效果。计算机辅助导航技术的应用在脊柱外科和关节置换手术中描述最多，在其他骨科亚学科中的应用正在迅猛发展。这项技术预示着未来骨科手术方式的改变。简介
随着计算机技术及影像技术在医学上的不断进步，过去30年间，计算机辅助导航手术得到了迅速发展，从最开始在神经外科及脊柱外科的应用，到现在已发展到众多骨科亚学科的应用。这项技术的优势包括术中实时提供给术者精确的解剖学信息，可以提高手术的精确度和减少术中软组织的分离。这项技术尚未被广泛接受，主要原因在于增加费用，增加手术时间，需要人员培训以及导航手术与传统骨科手术对比提高临床效果和功能的文献还不够多。尽管如此，除了这些局限性，随着技术的进步，对计算机辅助外科的接受将会不断增加。计算机辅助导航的进展
用医学影像建立精确可视的3D解剖视图是计算机辅助导航技术的必需条件。20世纪70年代CT技术和80年代MRI技术的进步加快了导航技术的应用。Roberts等最早描述了神经外科中的立体定向概念，可以使外科医生能在术中实时追踪手术器械在术前CT或MRI上的精确位置。这项技术的发展成为了现代计算机辅助导航技术系统的基础。
早期的计算机导航技术包括对大脑针吸活检及大脑肿瘤切除的术中导引技术，后来发展到在大量的外科手术中应用。计算机辅助导航技术已经应用到许多领域，包括神经外科、耳鼻喉科和颅脑颌面外科。在骨科手术中的应用进展主要源于骨科对影像技术的依赖，骨科手术经常需要重建解剖结构和植入内置物。现代导航系统可以提供实时的解剖学信息反馈，可以避免在危险解剖区域进行手术操作，可以提供内置物位置的实时反馈，可进行复杂的3D数据测量等，这项技术的应用还在不断发展。计算机辅助导航
现代手术导航系统主要基于使用追踪红外线的立体摄像头，可以判断发射红外线的参考标记点的空间位置。这些标记点可以固定在某个解剖结构上或者手术器械上，从而可以提供手术器械的精确位置，提供内置物相对于固定解剖标记点的精确位置，可以在手术中监测手术器械是否处于危险的区域。计算机可以通过一组定位标记点确定其空间定位，从而可以追踪显示位于某解剖区域内的所有精确位置。用于导航的解剖图可以基于多种影像，包括：术前的CT或MRI，术中的透视影像或CT，或者通过患者特殊的标记点用普通的正常图像构建出解剖图。
计算机根据手术器械尖端和解剖标记点的距离而生成解剖地图，因此术中摄像头可以活动，并且不影像解剖地图的生成。
这套导航系统可以被整合并固定在一间手术室里，也可以呈移动式的在多间手术室使用。可移动性可以增加使用的灵活性，当然不利因素是手术室会更加混乱并且增加重新设置导航设备的时间。尽管存在不同，但典型的导航系统需要包含以下的部件：①立体摄像头；②含有外科导航软件的计算机；③显示器；④带有参考标记点的外科器械；⑤固定的解剖标记点。
随着技术的进步，导航设备不断更新并且尽可能少的占用手术室空间。新一代的导航系统可以使用手持的无线显示器，这样可以避免手术医生视野离开术野而分心。
在导航操作开始时需要先进行注册，这样可以使导航系统允许使用设定的解剖地图。可以通过患者的解剖标志进行点注册从而与术前的影像相融合，也可以使用术中采集的影像。对于复杂的手术（例如脊柱手术）对导航精度要求高需要使用术前或术中患者本身的影像而进行导航。相反，对于肢体的手术如果重点在于力线（例如关节置换术），无图技术则应用更加广泛，这样可以减少额外的手术时间和减少放射线暴露。
导航系统可以是被动的、半主动或全主动。被动系统提供实时的解剖位置，但是允许医生无限制的操作，可以提供手术器械或植入物相对某固定解剖标志点的实时位置并显示在屏幕上。在半自动的系统中，允许系统进行一些自动的动作，例如移动手术夹具或电钻导向器，但这种系统仍然在手术医生的控制之下。全自动系统可以自动进行各种手术操作，并且避免手术医生进入事先设定不让进入的解剖区域。已经存在的全自动系统，例如ROBODOC（Integrated Surgical Systems，Davis，CA，USA）和CASPAR（URS Ortho GmbH，Rastatt，Germany）已经显示出满意的效果，但仍需进行广泛的应用。计算机辅助导航技术在目前骨科手术中的应用
过去几十年计算机辅助导航技术在骨科手术中得到迅速发展，目前在几乎所有骨科亚学科都得到应用。脊柱外科
计算机辅助外科技术在脊柱外科中的广泛应用主要原因在于脊柱的复杂解剖结构和周围的高危险解剖结构，传统手术操作不能轻易显露。主要用于减压和植入内置物手术，主要是椎弓根钉的置入。偶尔脊柱外科手术会发生神经的、血管的或者内脏的并发症，这些并发症的结果可以是很严重的。使用传统手术方法，椎弓根钉的错误位置置入率可达21%～55%，有些报道使用传统的标准椎弓根钉技术大约25%的置入位置接近危险的解剖结构。为了减少错误置入的概率和减少潜在的灾难性后果，外科医生很有兴趣在脊柱外科领域加快发展导航技术。
在早期的脊柱导航应用中，Merloz等证明了导航可以增加椎弓根置入的准确性。这使得在近20年导航技术在脊柱手术中得到广泛应用。最近技术得到进步，已经整合了术中的CT影像（例如O-arm-Medtronic Navigation，Inc，Minneapolis，Minnesota，USA），这项技术的出现使得术中可以实时得到多平面的脊柱解剖图像，并且可以得到实时的椎弓根钉位置信息，如果需要进行椎弓根钉翻修也可以实施。
在2010年一项Verma等进行的Meta分析共收入了1288例患者的5992例椎弓根钉置入数据，计算机导航置入的准确率高于徒手置入的准确率（93.3% vs.84.7%）。最近的一项Meta分析也显示使用导航可以减少椎弓根钉穿透的风险（6% vs.15%）和神经并发症的风险（0 vs. 3%）。在一项更加细致的椎弓根钉位置的研究中，Tang等发现使用导航后可以得到类似的精度提高和减少并发症的发生。
另一项导航技术的优势在于脊柱外科中的微创操作。术中减少了软组织的显露可以减少医源性的损伤，减少术后疼痛、感染风险以及住院时间。以往脊柱融合技术需要进行广泛的显露，但现在经皮操作即可完成。骨科中微创操作已经成为一个重点关注的领域，而计算机辅助导航技术可以帮助完成。关节置换术
在关节置换术中，机械轴的重建、假体的位置以及解剖结构的保留对于术后功能和假体的生存率至关重要。计算机辅助导航系统可以给手术医生提供准确的实时的数据，因此在关节置换领域引起了广泛的兴趣。关节科医生广泛的使用术前影像或无图技术进行导航，其中术前影像导航主要用于复杂的畸形或翻修手术中。
在全膝关节置换术中，矢状面和冠状面的平衡对于术后功能和假体的生存率非常重要，有研究表明即使对于经验丰富的医生，仍然可出现高达26%的临床明显的力线不佳。导航技术可以帮助医生更加精确地进行关节置换，减少矢状面及冠状面的力线误差。除了力线，新的导航技术可以提供实时的术中信息，包括关节的松紧度及软组织平衡等。这项技术可以帮助术者量化并调整软组织平衡，从而提高全膝关节置换的寿命及患者的功能。
在更加复杂的膝关节置换手术中，例如合并关节外畸形及骨量丢失的翻修病例，标准的力线测量方法并不可靠，导航技术则提供了精确可靠的测量。但手术医生必须在假体置入前注意，对于翻修病例，基于术前CT的导航可能会因为伪影受到影响，而采用无图技术可能在注册时因为缺少真实的解剖标志而受到影响。因此术者要对这些病例进行导航计划时需谨慎考量。过去10年许多文献对计算机辅助全膝关节置换术后的影像及临床功能进行研究，许多研究都表明使用导航技术后对全膝置换术后的力线有明显提高。Hetaimish等进行的Meta分析显示使用导航后不论胫骨还是股骨假体其力线均优于未使用导航的病例。De Steiger等进行的大型研究表明对于65岁以下患者导航手术进行的全膝置换随访9年后可以降低翻修率（6.3% vs. 7.8%）。这也提示通过力线的改善可以降低翻修率，长期的研究可能会证实导航技术对全膝置换术假体生存率的提高。
在全髋关节置换术中，髋臼假体的位置对术后功能非常重要，通常，术者根据Lenwinnek等提出的“安全区”进行手术，如果假体位于这个“安全区”外则提示术后功能差，包括活动度减少，假体脱位、磨损等。传统的手术技术依赖直视和术中触摸解剖标志（例如髋臼横韧带）。需要注意的是这些标志可能会受到畸形、退变及患者体位的影响。即使经验丰富的医生也可能出现髋臼假体位置的不当。两项Meta分析比较了导航技术辅助及徒手的全髋关节置换术，导航手术可以减少髋臼位置的不当，但手术时间会更长，其中一项研究显示两组的失血量并无显著差异。
股骨偏心距重建和肢体长度是进行全髋关节置换的另一个重要的考虑因素。肢体长度不等可能导致疼痛，僵硬，患者不满意以及预示着早期假体失效。有研究表明使用导航技术后肢体不等长可以得到改善。肢体不等长是患者最常见的不满意主诉和第二诉讼原因，因此导航技术具有潜力提高患者的满意度和减少诉讼的发生。创伤骨科
在上世纪90年代，Hofstetter等描述了一种基于术中X线图像的实时导航技术，这项技术使创伤骨科开始使用导航技术，可以使用外科器械进行导航，对于植入物也只需要一次术中X线透视。使用计算机辅助导航技术可以使骨折复位更加精准，可以减少软组织的剥离，更加有利于骨折的愈合。计算机导航在创伤骨科中有许多应用，最常用在骨折的复位，长骨的髓内固定，经皮螺钉固定以及异物或内置物取出。随着影像技术的进步，导航技术将应用于更加复杂的创伤手术操作中。
髓内针置入手术时使用追踪器对骨折近端和远端进行定位，置入髓内针过程中也可对针尖进行定位。这可以使进针点更加准确，更加容易置入锁定钉和阻挡钉，减少过多的放射线暴露。也可以标记未受伤的股骨，计算和匹配股骨前倾角，对受伤股骨进行远端锁定时减少旋转对位误差。可以使用导航系统轻松的计算出髓内针的长度和锁定螺钉的长度。尽管实验室的研究证实使用导航后更加准确，但仍需长时间的临床随访，观察是否使用导航技术辅助髓内针置入能提高治疗效果。
导航技术也被用来进行经皮的微创固定，例如股骨颈骨折的固定。Liebergall等回顾性的分析了导航辅助下经皮股骨颈固定和传统的手术固定，发现导航辅助的固定螺钉更加平行且并发症更少，翻修更少。
创伤骨科手术中，术中影像通常用来评估植入物的力线和骨折复位情况。导航的一个初始优势在于减少术中透视的X线暴露。导航系统本身无放射线危害，可以根据已经保存的图像提供实时的多平面的图像信息，这允许术者在不反复透视的情况下调整导针、螺钉或假体的位置。因此导航技术可以减少患者及手术医生的X线暴露。许多研究表明跟传统内固定手术相比，使用了导航技术可以减少25%～90%的术中透视次数。
在创伤骨科中使用导航技术的一个局限在于准备导航系统的时间和手术时间的延长。在其他骨科亚学科，使用导航技术也会增加手术时间，但这往往被增加了手术的精确性和改善了假体的力线而忽略，而在创伤骨科急诊，手术时间往往会成为一个制约因素。一些研究表明在创伤骨科手术中使用导航技术会增加5～40分钟的手术时间，这对于虚弱和多发创伤患者是不能被接受的。因为手术时间延长的影响，导航技术在创伤骨科的出现比其他亚学科要晚。
使用术前影像为基础进行导航对创伤骨科来说并不是很理想，因为骨折复位后骨性标志的相对位置会发生变化。因此需要采用术中的影像为基础来导航，包括透视、3D透视和术中CT。采用透视进行导航时需要采集骨折骨骼的正侧位影像，在系统中进行注册，这样就可避免术中反复移动C形臂和减少患者及术者的X线暴露。最近3D透视开始出现，可以获得类似CT的图像，但其在创伤骨科中应用的局限3性在于其扫描范围小（12cm），因此对长骨和骨盆的固定不适用，但对于其他复杂的骨折，例如跟骨、胫骨平台或股骨颈骨折仍然非常有用。因为移动设备（如O形臂）的出现，术中CT仅仅最近才开始应用，这对更加复杂的骨折，例如骨盆或脊柱，能提高手术的精确度。运动医学
在运动医学领域导航也有应用，但使用导航没有在关节置换及脊柱外科领域多。主要在前交叉韧带重建术中使用导航，因为不准确的隧道位置可能引起较差的手术效果，例如松弛和不稳定，以至于需要进行翻修。采用导航技术可以精确的确定隧道位置，从而与传统手术相比更符合膝关节的动力学。CASPAR是一个基于术前CT的主动进行前交叉韧带重建隧道准备的系统，Burkart等进行的研究表明CASPAR系统可以达到与经验丰富医生类似的效果。因此，理论上，该技术可以减少初学者及年轻医生进行手术时移植物位置相关并发症的发生。
另一个运动医学领域应用导航技术在于软骨缺损，进行软骨移植需要进行精确测量，这可以使用导航技术进行帮助，理论上可以减少移植软骨的松动和减少供区并发症，但这还没有被文献所证实。骨肿瘤
其他骨科领域导航技术广泛使用测量和力线工具，在骨肿瘤领域主要应用其定位准确的特征。因为骨肿瘤手术复杂且变化多样，因此导航技术在骨肿瘤领域的应用似乎有无限的潜力。骨肿瘤往往累及复杂的不典型的解剖结构，并且靠近重要的神经血管，因此，利用导航的精确和减少显露的优势就非常明显。
在过去30年间，影像技术、材料技术及假体设计都取得了显著进步，这使得保肢手术得到广泛应用，而且不会增加局部复发率和减少患者的长期生存率。整块切除对于复杂解剖部位的肿瘤仍充满挑战，例如骨盆肿瘤的整块切除。骨盆肉瘤切除时污染边界和局部复发率仍然较高。使用导航技术后可以进行精确的术前计划和术中的实时观察，CT或MRI引导的导航技术可以用于骨或软组织肿瘤的切除。另外，导航技术可以辅助切除后的重建。
计算机辅助骨肿瘤手术的结果是充满希望的，Wong等证实导航手术增加了肿瘤计划切除和重建骨缺损的准确性。Jey等证实使用导航后骨盆或骶骨恶性肿瘤的囊内边界由29%下降到8.7%。最近由Cho，Wong和Kumta发表的文章显示导航技术能使骨盆和骶骨骨肉瘤的局部复发率降低50%。总的来说，导航技术适用于复杂解剖部位和临近重要结构的骨肿瘤手术，可以帮助实现精确的切除和达到安全的边界。计算机辅助导航技术也用于复杂的假体重建和对异体骨进行适形以重建骨缺损。对于简单的切除不推荐使用导航技术，但对于复杂的切除，例如骨盆肿瘤的切除和复杂的不规则形状切除则导航技术非常有帮助。
除了复杂解剖部位，导航技术也应用于保留关节或保肢的骨肿瘤手术，多平面或不规则切除的手术，计算机辅助定制假体或异体骨的重建。保留关节的手术中可以使用导航技术精确的切除肿瘤，保留自身的关节及周围软组织，实现更好的重建和达到更好的功能。多平面的切除可以在导航技术辅助下实现，保留了更多的骨量，可以允许更多的重建选择而不牺牲肿瘤的边界和肿瘤学结果。计算机辅助导航技术可以帮助医生精确切除，并且使用定制假体进行重建。例如使用术前MRI和/或CT可以帮助术者进行计划，设计进行不规则形状的切除，还可以根据导航设计出患者特异的手术器械以适应患者独特的解剖，例如通过这些信息可以设计出一个截骨导板，应用在异体骨上对异体骨进行适形准备，最终植入患者的骨缺损处。
尽管导航技术应用在骨肿瘤的精确切除中非常令人振奋，但仍存在一些局限性。其中一个局限性在于导航注册时完全基于骨性解剖标志，因此对于软组织的切除仍然依赖于传统的手术技术。
另一个局限性是骨肿瘤所特有的，那就是术前计划和手术的时间间隔。像关节炎或脊柱手术即使经过几周时间患者的骨性标志几乎不会改变，而恶性肿瘤则在不断生长，可能引起骨性标志的改变，从而导致术前设计的数据与术中实际的情况不一致。其他的局限性与骨科其他亚学科类似，包括手术时间的增加，费用的增加，很难量化计算机辅助导航的准确性和缺乏大样本的临床数据来支持其临床效果。计算机辅助导航的新兴领域
近年来，导航的影像技术得到不断进步，术中CT（例如O形臂）已经开始应用，可以提高准确性和提供实时的位置确认。神经外科已经开始使用术中MRI来增加大脑肿瘤的术中可视性。先进的技术可以整合这些大容量的数据使得术中应用成为可能。
应用导航技术除了术中给患者带来的好处之外，也可以应用导航技术对医生进行训练。通过实时的信息反馈，年轻的经验不足的医生可以锻炼他们的术中决策力，实时进行术中的调整以避免错误的发生。导航技术也可以通过微创操作而提供实时的术中三维解剖影像，计算机辅助导航的训练应该被整合到骨科住院医生的培训中。对于普通骨科医生，如果某项手术经验不足也可使用导航技术来提高准确性。
目前大多数的导航系统仍属于“被动”系统，而一些具有“主动”特征的导航系统使得“机器人医生”的概念离我们越来越近。主动系统，例如ROBODOC（Integrated Surgical Systems，Davis，CA，USA）和CASPAR（URS Ortho GmbH，Rastatt，Germany），可以根据术前计划进行主动操作。在两项研究中，使用ROBODOC系统和传统的全髋关节置换术相比，可以增加安全性和有效性。使用ROBODOC系统后股骨假体安放位置更好，在翻修病例中使用导航系统取骨水泥比徒手取更加安全和迅速，股骨侧骨折的发生率也低于传统手术组。MAKOplasty（MAKO Surgical Corp，Michigan，USA）系统使用相似的技术，手术医生可以控制操作，但系统设定了操作的边界，在操作边界之内医生可以进行控制。尽管过多的依靠主动导航系统进行操作会引起担心，但这方向的广泛潜力仍值得关注。局限性和具体操作中的问题
除了大量证实的和推断的计算机辅助导航的益处，仍有一些因素不利于导航技术的广泛应用。几乎在所有骨科亚学科手术中使用导航技术都会增加手术时间和费用，并且在导航应用前都需要对相关人员进行培训，具体操作前有需要考虑准备的问题。手术操作时间
新技术的使用都有学习曲线，骨科导航技术的使用也不例外。骨科医生必须逐渐熟悉导航系统的设备和注册过程，手术团队也必须逐渐熟悉手术流程，这与传统手术相比必然会增加手术的时间。在骨科各亚学科中学习曲线的长短与操作的难度以及病例数量有关。即使对于使用导航经验丰富的医生，使用导航技术也比传统手术时间更长。这是因为使用导航技术后手术步骤增加，必然会引起手术时间的增加。因为使用导航后操作更加准确，因此时间的增加似乎不会阻碍这项技术的广泛推广。在将来如果患者的满意度和翻修手术费用变得更为重要，则导航技术推广的阻力将会更小。费用
费用是广泛推广导航技术的另一个障碍，20世纪医疗费用提高迅速，主要在于计算机导航技术等新技术的使用。尽管可以预测使用导航技术后可以减少并发症和减少翻修手术，但这仍需要长时间的临床随访才能得到证实。因此在一些医疗保险体系里，一些传统手术效果很好的术式如果使用导航技术其费用将不会报销（例如初次的无并发症的全膝关节置换术）。具体操作的考虑
在进行导航的具体操作前，需要理解一些重要的问题，导航技术会引起手术室操作流程的改变，需要为手术室安排、器械安排和消毒铺巾等预留足够的时间。这些可能不会影响手术操作时间，但确实会影响手术室的使用，当医院考虑到手术室必须充分利用而提高经济效益时可能会对导航技术有所顾虑。随着手术团队对导航技术的不断熟悉，操作会更加平顺，从而能缩短时间提高效率。
另一个重要的考虑是手术室空间，随着技术的进步，导航设备越来越小，但对于复杂的骨科病例，一些小的手术室仍没有足够的空间安放导航设备以及放置大量的骨科手术器械，随着影像技术的进步，以后还得考虑影像机器的安放位置，例如移动CT等。
对于外科医生来说，学习和应用导航技术需要时间，而且必须熟悉传统的手术技术。尽管许多研究证明了导航技术的准确性，但技术本身还是可能出现误差。如果术中发现导航技术不能继续使用则医生必须使用传统的手术方式完成手术。术者在手术中意识到并且确认导航技术的故障对于患者安全非常重要，如果确认导航技术出现误差则必须果断放弃，患者的安全是最重要的。总结
在过去40年间，影像技术在医学中得到迅猛发展，术中导航技术开始出现。骨科手术使用导航技术后可以减少手术显露，提高准确性和减少并发症，因此得以迅速发展。广泛使用导航的障碍主要在于费用增加和手术时间的增加。许多研究证明在骨科各亚学科中使用导航技术后可以增加手术的准确性，但是真正的临床获益还有待证实。尽管如此，随着医学影像技术的进步，计算机辅助导航技术在骨科中的应用仍然充满潜力。（原著：Mark Scarborough 译者：邓志平）参考文献
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9.Wong KC &Kumta SM.Use of Computer Navigation in Orthopedic Oncology.Curr.Surg.reports2，47（2014）.第2章 计算机导航辅助技术在骨肿瘤手术中的应用——发展和现状背景
计算机导航辅助技术在骨肿瘤手术中的应用在近10余年获得长足的发展。目前一般采取的手术应用步骤主要包括：术前设计肿瘤切除范围、术中依照计划进行导航下手术、确认肿瘤切除边界以提高手术的精确度。该技术使术者完成对设计边界的骨肿瘤的精确切除，保留重要的正常骨组织，为重建创造条件，尤其是在骨盆和骶骨肿瘤切除，保留关节的肿瘤切除、三维骨肿瘤切除，以及定制假体或异体骨的复杂重建方面发挥了重要作用。本章主要就其发展状况和现状进行述评。计算机导航辅助技术在骨肿瘤手术中应用的发展过程
尽管很早就出现了计算机导航技术，而且很早该技术就应用于头颅手术，但直到2004年才有学者（Hufner）报道将该技术应用于骨肿瘤的外科治疗，这个最初的报道是应用于骶骨肿瘤的切除，因为这些部位的肿瘤解剖复杂，而当时采用的计算机导航软件系统还是经过修改后的脊柱导航系统，自此以后，计算机导航辅助技术用于骨肿瘤开始了全新的纪元。
同样在2004年，Hufner团队还报道将该技术用于髋臼周围肿瘤的切除，首次报道采用注册过的凿子在计算机导航辅助下切除肿瘤。2007年，Reijnders进一步改进了计算机导航系统，并采用体内标志来提高导航注册的精确性。2008年，Wong等采用改进后的Stryker脊柱导航系统辅助手术，用于肢体肿瘤的切除，并首次报道了病例数较大的研究结果（13例），在该报道中，首次出现了MRI数据和CT数据的融合，用于对软组织包块范围更好的确定。该研究也首次通过比较术前计划、术后影像数据、术后标本，来确定手术切除的精确性。此后计算机导航软件系统可以实现CT、MRI及PET三个数据的融合。
2010年，So报道了软件注册系统的新方法，采用术中X线透视和术前CT数据做匹配，比传统的点注册和面注册精确度更高。同年，Docquier报道将计算机导航同时用于肿瘤切除和随后的重建。2011年，Wu等报道将计算机导航用于髋臼周围良性肿瘤的微创治疗。同年，Cheong报道一组病人采用Stryker导航系统进行导航辅助手术的情况，该组病人有20例，作者认为经过手术整个时间较未用导航略有增多，但手术经确定较前明显提高。2012年，Wong报道20个患者21个肿瘤病变的导航辅助手术，结论是计算机导航辅助可以保证肿瘤能够按照设计的要求达到精确切除，对于骨盆、骶骨肿瘤的切除和重建有重要的意义，同时对于肢体保留关节的手术切除有很大的帮助。2013年Gerbers报道4例半侧皮质切除后计算机导航辅助下匹配异体骨的获取。2014年Gerbers报道了迄今为止比较大宗的病例结果，共130例骨肿瘤手术，结论认为计算机导航辅助有助于手术计划和实施，是一个比较有希望的新技术。2015年，Aponte-Tinao总结报道计算机导航目前的使用范围包括：囊内切除、囊外切除和多平面或不规则截骨。
北京积水潭医院自2007年以来，对计算机导航辅助骨肿瘤手术做了很多临床研究，积累了很多经验，截止2015年底，已累计完成手术数822例（图2-1）。本书的后续章节对各个部位的手术都有涉及（图2-2）。北京积水潭医院拥有比较完善的骨与软组织肿瘤数据库系统，截止2016-07-21，住院登记的骨与软组织肿瘤患者已有19 009例，其中原发骨肿瘤11 981例（图2-3），强大的数据库系统是本书后续章节能够顺利完成的基础。图2-1 北京积水潭医院骨肿瘤科自2007年以来，每年实施计算机导航辅助手术的骨肿瘤病例数图2-2 计算机导航辅助下手术的不同部位分布情况图2-3 北京积水潭医院的骨与软组织肿瘤数据库（www.sarcoma-jst.net）计算机导航辅助治疗骨肿瘤的精确度
关于骨肿瘤切除的精确度基础研究文章非常缺乏。Cartiaux等2008年报道了一个实验性的研究，研究中在完全可视和直达骨表面的理想工作条件下进行，4个有经验的肿瘤外科医生在模拟的塑料骨盆上进行模拟肿瘤切除手术，每名医生需要切除3个不同的肿瘤并进行重建。这样最终形成24个切除和宿主-异体连接供评估。其手术设定获得10mm外科边界，但在5mm误差范围内的比例只有52%（95%可信区间为37%～67%），而且宿主移植重建的匹配程度证实很差。研究结果认为：即使是非常有经验的外科医生，在提供非常理想的工作条件情况下，对于三维结构比较复杂的骨盆部位，进行肿瘤的理想外科切除和重建仍然非常困难。解决的方法无非是增大外科切除范围，或者采用计算机导航，抑或采用机器人辅助技术进行切除。
Cartiaux团队随后于2010年在JBJS（Am）上发表文章，报道了另一个实验性研究，该研究在导航引导下进行模拟截骨手术，结果切除的精度大大提高，如果采用计算机导航辅助，截骨平面平均有2.8mm的误差，但如果没有导航仅是徒手进行操作，误差达到5.2mm，而这一近2倍的差异具有统计学意义（P＜0.0001）。
2010年Docquier等及Gerbers等报道了在导航下再现与术前设计相同的切除平面以进一步契合异体骨移植，结果提示异体骨移植与切除后缺损区更好的匹配能够改善宿主与异体骨移植间的接触，减少骨折不愈合的可能。
2012年Healey等医生报道指出徒手操作的误差很大，为了研究这个误差，他们在尸体骨上进行半侧干骺端的切除匹配研究，发现徒手进行操作，平均误差为9mm，而采用计算机设计的一个模具进行截骨，平均误差仅为2mm。然而模具具有个体特异性，不同病人需要制作不同的模具，而且实际临床上的截骨往往需要的是弧形，直角截骨往往损失更多的正常骨质。
2012年Cho等报道了关于计算机导航辅助下骨肿瘤手术后的临床情况，随访至少3年，结果认为导航下骨肿瘤切除能够安全切除肿瘤病带来更好的功能学和肿瘤学结果。
2013年Wong等报道计算机导航辅助保留关节手术的精确度情况，8例患者，与设计比较，切除误差2mm，最低随访时间25个月，没有复发。同年，Jeys等报道了一个31例导航下切除骨盆、骶骨恶性肿瘤的研究同样也证实了计算机导航辅助有利于手术的精确切除，该研究中指出囊内切除的病例在使用导航后从29.0%降至8.7%。计算机导航辅助技术在骨肿瘤治疗过程中的体现步骤
计算机导航辅助下骨肿瘤的手术治疗一般有固定的步骤，每个步骤都体现了肿瘤和边界的概念（图2-4）。图2-4 计算机导航辅助下骨肿瘤切除的一般步骤术前设计图2-5 术前设计的一般步骤
计算机导航辅助下的骨肿瘤外科手术需要治疗小组尤其是术者的参与。将患者CT/MRI影像导入工作站，依据CT图像确定骨组织的侵袭范围，依据MRI确定髓内或软组织侵袭范围，将CT和MRI图像融合，形成三维的骨肿瘤模型，术者的想法非常重要，需要依据骨骼肌肉系统肿瘤外科分期（Enneking分期），标记肿瘤范围，进而设定肿瘤安全切除范围、并做标记，供术中导航使用（图2-5～图2-8）。另外在重建计划方面，给予导航下的截骨设计和术前CT影像，工程师可以在计算机辅助下设计出定制假体提高假体匹配程度，进而提高术后功能恢复水平。同样技术也用于异体骨的重建，从而使异体骨与宿主骨获得良好的接触，降低骨不愈合的风险。图2-6 股骨远端皮质旁骨肉瘤的切除示意图，应当在术前计划时完成图2-7 CT横断面显示肿瘤的切除范围图2-8 CT矢状位图体现的肿瘤切除范围术中导航实施计划
在计划实施前，术前影像和手术中病人注册是导航手术中的重要环节，是导航骨肿瘤手术精度的主要决定因素。其精度可通过指向特定的骨性标志或在骨表面操作的导航探针来证实。目前骨肿瘤导航主要应用的注册方法有人工注册、半自动化注册、基准标记和自动注册。注册成功后，就能通过导航系统在术中实时精确地显示解剖位置，使术者及其他手术参与者能够实时直观看到CT显示的肿瘤三维构象。按照术前标记操作，使术前设计的理想切除范围具有可操作性和可视性，同时还能指导、验证术者术前的手术计划和术中的操作结果（图2-9）。图2-9 显示根据手术术前设计进行手术实施的情况计划切除边界的确认
在肿瘤切除后，导航的示踪器仍然与剩余的骨相连，注册仍有效，因此残存骨可在导航下得以验证。通过定位在切除的骨上示踪器的尖端，导航下可以评价手术实施的具体情况，如截骨平面与术前影像计划切除平面的吻合度，同时还可以评估刮除手术距离肿瘤最近的边缘的距离，进而对边界可能不充分的地方进行再处理。计算机导航技术在骨肿瘤的适用范围
对于恶性骨肿瘤，在以下情况下使用导航可以获益：预期切除肿瘤难度较大；希望获得满意的切除平面以匹配定制假体；使异体骨移植与切除后缺损部分相契合。但是考虑到导航操作的相对复杂性和术中使用所需要的额外准备时间，并不是所有的手术都需要采用计算机导航辅助技术。临床上主要在以下几种情况下使用导航技术：骨盆和骶骨肿瘤的切除
骨盆肿瘤由于骨盆的三维解剖关系复杂，手术操作困难，在有限的视野中存在视觉偏差，肿瘤切除后的复发率高于肢体肿瘤，如过多切除正骨结构，对骨缺损重建又造成困难。利用计算机导航技术可以精确定位，能够精确地切除肿瘤，目标明确地完成术前设计的外科边界，避免盲目性，尽可能地保留髋臼等负重的正常骨质，为重建打下基础。从而极大地保留患者的肢体功能。在Cho等和Wong等分别有10例和12例导航下骨盆或骶骨肿瘤切除病人的研究中，所用病人手术均达到明确的切除边缘，在3年以上的随访过程中，局部复发率分别为20%（2/10）和25%（3/12）。而相关的一个67例接受传统手术技术切除的骨盆骨肉瘤研究中报道的复发率为70%（47/67）。Jeys等进行一个31例导航下切除骨盆、骶骨恶性肿瘤的研究中指出病灶内切除的病例在使用导航后从29.0%降至8.7%，局部复发率13%（平均随访13.1个月）。保留关节的肿瘤切除和三维的肿瘤切除
导航可以帮助高选择的病人进行精确术前设计和执行保留关节的肿瘤切除术，还可以进行精确地重建。导航下切除能够使原本的关节和周围软组织得以更多的保留下来进行重建，从而带来更好的关节功能。
在高选择的病人中，导航辅助下可进行骨肿瘤周围的三维即多平面切除。因导航可以对复杂的骨切除进行精确地设计，从而使外科医生在术中能够进行相对更保守的截骨来保留更多未受影响的骨用于重建。导航下定制假体或异体骨的重建
保留关节的肿瘤切除，因切除区域可操作范围极其有限，假体匹配要求较高，术前采用肿瘤骨制作模型，计算机导航指引截除瘤骨模型，依此特制假体，术中实施计划。此外由于肿瘤切除后缺乏标志性结构，从而使人工假体安装时精确定位变得困难，只能靠术者的经验来确定髓内针的力线和与髓腔的关系，往往会出现髓内针力线与自然力线不吻合的情况，从而增加假体松动的发生几率。计算机导航技术则能提供精确的骨切除，不仅可以保证清楚的切除边界，还能有正确的方向和定位手段来匹配定制的假体，而且可以把计算机辅助设计的假体数据输入导航系统的技术可以使我们在导航系统内看到定制的假体，帮助切除计划和重建，克服假体安放过程中的不吻合问题。同样，异体骨重建也可以通过计算机导航设计并获取匹配度很好的移植用异体骨。四肢肿瘤及其他部位病灶刮除手术外科边界的术中确认
传统的四肢肿瘤刮除手术外科边界的确定主要靠术前的影像学评估，术中则主要依据肉眼或X线拍片来判断，计算机导航技术能够将术前的影像学应用到术中，实时指导术者确认刮除边界是否已超越肿瘤边界，从而达到科学地扩大刮除的要求，避免盲目扩大或刮除不足。解剖位置复杂的良性骨肿瘤的精确定位和手术微创化
对于一些仅需去除病灶的良性肿瘤如骨样骨瘤、骨软骨瘤等，若位于解剖相对简单的部位，传统手术即可以定位并切除，而若位于解剖结构复杂的区域，传统的手术由于定位困难，常常会造成术中较大的创伤，而且非常容易不能精确去除肿瘤。计算机导航技术能精确定位肿瘤位置，并能指导术者在术中定位，减少手术创伤，尽可能保留正常解剖结构，从而达到手术部位重要结构的微创化。导航在骨肿瘤应用上的局限性
与骨科其他专业中应用计算机导航系统不同，目前骨肿瘤专业导航系统尚不成熟。术前设计是术中顺利应用导航、充分发挥导航优势的关键，而且术前设计必须有术者参与。一方面确定肿瘤范围，另一方面术者要判断术前设计的注册点及术中的可操作性，避免为了找到注册点而过度解剖周围组织。如术前不能确定注册点，术中可依据解剖范围确定虚拟图像中是否有可操作性的相对应标志；如病变骨缺乏可注册的解剖标志，术前可以在病变附近固定数枚定位螺钉作为注册点。
在导航操纵台上看到的影像是虚拟影像，影像-病人注册完全是基于骨性解剖，只有骨性解剖相关的才是精确的。术中的手术操作会使软组织发生变形，而实时解剖的位置相比术前虚拟影像的位置会发生改变，只有骨性解剖保持一致。所以，导航下能够进行精确地骨切除，但是软组织的切除仍要通过传统的外科技术。
影像与手术的间隔时间是可能会导致术前设计与术中导航执行发生误差的重要因素。导航系统要尽可能使用最新影像学数据、缩短影像与手术间隔时间以避免影像与病人因肿瘤进展而导致的病理结果的不符。对导航下骨肿瘤手术未来前景的展望
计算机导航技术在骨肿瘤领域已经取得了迅猛的发展，工作流程也日趋成熟。然而目前能够专门用于骨肿瘤手术的可行导航系统仍然很少。对于医学工程学计算机辅助设计软件提供的一些高级手术设计，比如虚拟骨切除、骨切除缺损的评估、3D虚拟骨库中异体骨移植的选择等方面目前的导航系统无法提供支持。随着将计算机辅助设计的数据整合入导航计划成为可能，将来精确地进行更复杂的骨肿瘤切除和重建将成为可能。
术中导航能够使我们对解剖和病理学结构实现精确定位，但同时又涉及到庞大的导航设备，较长的准备时间，以及当下可靠的导航下切除工具的缺乏。最近有相关报道肿瘤病人特有的器械用于骨肿瘤的切除。该方法可达到与导航下手术相近的精确度，同时能够限制骨锯在计划切除平面内操作。此外，机器人辅助骨肿瘤切除术目前也在研究中，该技术可以减少术中操作与计划的偏差，还可能将导航技术与肿瘤病人特有的器械技术的优势相结合，其可行性和临床效果还需要通过更多研究来进一步证实。（牛晓辉）参考文献
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6.So TYC，Lam YL，Mak KL.Computer-assisted navigation in bone tumor surgery：Seamless workflow model and evolution of technique.Clin Orthop Relat Res.2010；468（11）：2985-2991.第3章 安全外科边界在骨肿瘤治疗中的重要性背景
骨肿瘤手术由如下三个过程组成：外科边界，术前计划和功能重建。外科边界是肿瘤手术中切除多少（或可能性）的标准。术前计划是手术前达到计划边界的过程。功能重建是恢复由于切除肿瘤而丧失的功能的过程。在实际的外科手术操作中，应平衡外科边界和由于切除肿瘤而需恢复的功能。例如，减小的外科边界会导致好的术后功能，然而，这样会导致局部高的复发风险。对于恶性肿瘤，外科边界是决定预后最重要的因素。这同样适用于用导航系统的手术。
我们推荐的外科边界评判方法，在1989年被日本骨科年会骨与软组织肿瘤委员会批准。评判方法的细节描述如下文。外科边界和术前计划评判外科边界的原则
■ 大体的评价是最基本的，并且肿瘤外围的变色区域（反应区）要按肿瘤一样治疗。
■ 外科边界被分成四种类型：治愈性，广泛，边缘和囊内边界。依据切缘与反应区的距离来分类。治愈性边界定义为切缘距反应区的距离在4cm以上，同时广泛的边界为切缘通过正常组织，但距离达不到治愈性边界。在边缘性边界中，切缘通过反应区。在囊内边界中，切缘通过病变。广泛的外科边界根据切缘与反应区的距离，进一步分为4种类型边界：W1，W2，W3，W4。
■ 屏障的概念：抵抗肿瘤侵犯的解剖结构被定义为屏障。筋膜、关节囊、软骨、骨膜、韧带、肌腱、腱鞘、血管鞘、胸膜、和神经外膜被认为是屏障，并且被判定等同于一定厚度的正常组织。例如，切缘通过屏障外侧，而且屏障与反应区之间有正常的组织，这时被换算成5cm的外科边界。厚屏障如婴儿骨膜、阔筋膜将被看作3cm正常组织，并且薄的屏障如肌膜、成人骨膜被视为2cm正常组织。当屏障与肿瘤有粘连，但表面正常时，屏障在原有的厚度基础上减去1cm。例如，此例骨肿瘤的外科边界，肿瘤仅破坏了骨皮质但成人骨膜表面看起来正常，边界是W1。而且，治愈性边界被定义为：距肿瘤的距离＞ 4cm，间隔关节软骨，切缘通过屏障外侧且屏障与肿瘤之间有正常组织。
■ 此边界评判系统按1cm正常组织准确定义，有7个级别的外科边界。囊内即通过病变内切除；边缘即通过反应区切除；广泛根据正常软组织袖的厚度分为W1（≤1cm）、W2（＞ 1cm）、W3（＞ 2cm）和W4（＞ 3cm）；治愈性W5即正常软组织袖＞ 5cm。
■ 为表示外科手段局部控制，手术被分成四种类型，例如治愈性的、广泛的、边缘的和囊内的，这是根据在特定手术中所完成的最小边界。例如，在一个外科手术中当所有的外科边界是治愈的，这手术被认为是治愈性外科边界。外科边界评判举例（股骨远端骨肉瘤）
评价外科边界依赖于股骨的纵轴，在纵轴和横轴上，分别进行评价。①在纵轴的远端，关节软骨可以作为屏障。正常情况下，关节软骨没有被肿瘤穿透。另一方面，交叉韧带的起止点由于没有关节软骨作为屏障，应当做切片评价边界。②在纵轴的近端，外科边界的评价依赖于髓内肿瘤反应区与切缘的距离。③在横断面上，肿瘤、皮质与骨膜的关系被评价。如果皮质完整，骨膜就当作屏障。如果皮质被破坏，骨膜与肿瘤接触，那么成人骨膜就被评价为W1。如果肿瘤已穿透了骨膜层，我们要检查看是否筋膜或血管外膜作为屏障。如果没有屏障，我们仅仅测量肿瘤与切缘线的距离。安全外科边界
安全外科边界被定义为至少局部控制率为90%的外科边界。在以前每年SSMS例会上，我们均报道关于外科边界的资料。根据2013年
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