作者：田伟
出版社：人民卫生出版社
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计算机导航辅助脊柱外科手术学试读：
前言
近几十年来,科技的飞速发展使人类生活发生了巨大的变化,医疗作为社会生活一个非常重要的方面也同样受到了相当大的影响。一方面,随着生活质量的提高,人们对医疗有了更高的要求,希望用更小的创伤获得更好的疗效;另一方面,随着影像、设备制造、软件等的进步,外科医生也有了更好的途径和工具来满足病人的需求。
脊柱外科手术属于风险大、致残率高的手术领域,在科技进步的浪潮中首当其冲。脊柱毗邻重要神经、血管结构,手术复杂性高,手术的准确性极其重要。但是,目前单纯依靠人眼和透视解决不了准确性的问题,一旦不准确,造成手术误伤血管、神经,就会给医患双方均带来痛苦和损失。即使没有神经血管损伤,不准确的操作也会造成减压不充分或者内固定位置偏移,固定力下降等问题。随着科学技术的进步,一种超越人的能力的智能手术方法被发明和应用于临床,这就是计算机导航辅助外科技术。它的精度可以达到0.25mm,在其引导下术者就能够完成肉眼和透视都无法实现的高精度手术。可以说,这一技术的出现,开创了脊柱外科的新时代。
此外,计算机导航辅助外科技术也为微创技术的弊端提供了一种极好的解决方案。虽然脊柱外科医生在脊柱微创手术(minimally invasive spine surgery,MISS)治疗方面一直进行着孜孜不倦地追求,但MISS技术一直就像一朵带刺的玫瑰,虽然很诱人,但很难在临床实践中推广应用。主要原因是在微小切口下手术视野不清晰,病变结构不能精确定位,导致神经损伤等比较严重的并发症发生率反而比切开手术要更高、且更严重,脊柱内植物尤其是椎弓根螺钉的置入精确性也更难保证,而且手术时间延长,医生的学习曲线也较长。因此微切口(minimallyaccess)并不能等同于真正意义上的微创(minimally invasive)。2004年Iso-C 3D、2005年O-arm等术中即时三维成像设备开始应用,使术中即时三维导航成为可能,给MISS技术带来了新的曙光。该技术直接采集术中实时三维数据与导航系统自动配准,可操作性与准确性提高,满足了微创手术精确定位的要求,而且不需要进行术野的充分显露,满足了微切口手术的要求,因此这两项技术的融合极大地推动了MISS技术的临床可推广性。在大量计算机辅助MISS手术的研究开发与临床应用基础上,我们率先提出了计算机辅助微创脊柱外科(computer-assisted minimallyinvasive spine surgery,CAMISS)的理念。CAMISS被作为一种理念提出,是因为它对MISS技术的改变是本质性的:不仅是以前不太可能完成的一些高风险手术(如上颈椎和上胸椎的复杂手术)可以精确、安全地在微创下完成,一些常规MISS手术的安全性和可操作性也明显提高,手术的长期疗效也优于传统方法。
迄今为止,现代计算机辅助骨科相关技术尤其是导航技术在我国的临床应用与研究已经有10余年的历史,作为该技术最早的践行者之一,我们深刻感受到了该技术的进步对脊柱外科发展的巨大影响。近年来,随着智能技术的突飞猛进,机器人技术也被引入到脊柱外科手术实践中,同导航技术一样,作为脊柱外科智能手术体系的重要组成部分,其战略地位正在世界范围内受到高度重视。现已公开报道的骨科机器人达30余种,但真正用于临床的不超过10种。自2002年起,北京积水潭医院骨科专业团队,从临床视角出发,联手北京航空航天大学、北京天智航医疗科技股份有限公司及中国科学院深圳先进技术研究院,医工企联合攻关,研制出骨科手术机器人系列产品,创建了以影像导航和机器人技术为核心的智能骨科手术体系。该体系实现了真正意义上的常规手术微创化、复杂手术安全化、关键操作智能化,是骨科手术史上一项革命性的进步,对于推进脊柱外科进入新的智能辅助精准时代,提升脊柱外科综合治疗水平具有重要的现实意义。
目前,我国拥有计算机导航设备及手术机器人设备的医疗机构正在逐渐增多,但是很多设备都处于闲置状态,不少脊柱外科医生仍然觉得该技术操作复杂,难以学习掌握,甚至由于盲目使用,反而造成手术精确性下降,手术并发症增加。究其原因,还是因为对导航技术和手术机器人技术缺少深入的理解和认识,缺少规范的技术操作指导。因此,我们基于临床中所遇到的实际问题,对导航技术和手术机器人技术进行了多年的研究探索,解决了其在脊柱外科实用性、适应证、操作规范和新技术、新术式开发等一系列问题,并将其编撰成此书,贡献给广大脊柱外科医生。本书分为五大部分共17章内容。第一部分较为系统地论述了此类新技术的基础理论知识,以便读者能够深入、全面掌握此类技术,以利于其规范的临床推广应用;第二至第五部分则依托北京积水潭医院丰富的病例资源和临床经验,采用大量图片的方式向读者阐明导航及机器人辅助脊柱外科手术的详细过程,将多年来我院专家在计算机辅助脊柱手术上的临床实践经验和规范的手术步骤呈现给读者。
计算机导航及机器人辅助脊柱外科手术是一个全新的医学领域,虽然我们的编者都想尽力让本书真正成为脊柱外科医生的案头必备参考书,但是由于没有太多前人的经验可以借鉴,难免存在遗漏和不足之处,希望广大读者给予点评和指正,我们一定会在今后进行修订和完善。希望本书对愿意致力于或已经在逐步开展计算机辅助脊柱外科手术的读者提供一个较高的起点和规范地指导,使他们能更快地正确掌握此类新技术,缩短学习曲线,推动我国医疗卫生事业和智能骨科技术的发展。
感谢北京积水潭医院脊柱外科的同事们,他们的经验总结是本书最宝贵的地方。同时,也要特别感谢参与稿件整理和编排的每一位骨科同仁以及人民卫生出版社的编审,他们的辛勤劳动才使本书呈现在广大读者面前。对此,再次表示我诚挚的感谢和敬意。田 伟2017年8月视频目次
视频1:导航辅助枕骨大孔减压、Magerl+Brooks内固定、植骨融合术(自体髂骨)
视频2:导航辅助微创C侧块、C椎弓根螺钉内固定、椎板间植骨12术(自体髂骨)
视频3:导航辅助寰椎后弓切除+经皮寰枢椎侧块固定术
视频4:导航辅助枢椎齿状突空心螺钉内固定术
视频5:导航辅助Hangman骨折C椎弓根螺钉内固定术2～3
视频6:导航辅助微创胸椎黄韧带骨化灶切除、椎弓根螺钉内固定术
视频7:导航辅助腰椎半椎体切除、侧弯矫正、椎弓根螺钉内固定术
视频8:导航辅助腰椎管减压、椎间盘切除、滑脱复位、椎弓根螺钉内固定、椎间融合器植入术
视频9:导航辅助经皮微创腰椎峡部拉力螺钉内固定术第一部分 计算机导航技术辅助脊柱外科手术概述第一章 计算机导航技术在脊柱外科的应用简介
近年来,随着计算机技术和精密机械自动控制技术的日益成熟,其在医学领域的应用进展迅速,计算机医学图像处理技术、立体定位导航技术、医用机器人技术以及远程医疗技术等相结合,形成了一门崭新的医学生物工程研究学科——计算机辅助外科手术(computerassisted surgery)技术,简称CAS。与此相对应,其在骨科领域的应用称为计算机辅助骨科手术(computer-assisted orthopaedic surgery)技术,简称 CAOS。
纵观骨科学的发展历史,现代骨科学领域的进步都与科学技术的进步密切相关,并且受到科学技术发展水平的限制。在不同的时代,外科医师的追求其实都是一致的,都希望通过最精确、最微创的方法,最大限度地解决患者的病痛,同时最大限度地保留患者的生理功能。但是这一愿望会受到同时代科学技术发展水平的限制。最初的骨外科手术是以截肢等毁损性手术为主,随着19世纪无菌技术和麻醉技术的进步,20世纪X线和抗生素的发现和应用、输血技术的发展,生物医学工程和材料学的进步,使骨科技术逐渐发展到以矫正畸形、切除病灶同时保留肢体功能为主,如各种关节置换技术和内固定技术等。现在,如何才能最大限度地减少手术创伤,仍然是外科医师不懈追求的目标。计算机断层影像(computer tomography,CT)、核磁共振影像(magnetic resonance image,MRI)以及计算机三维影像重建技术等现代影像技术已经基本可以实现骨科疾病的术前精确定位诊断,但是在骨科手术过程中,能够应用的影像技术仍然以术中X线透视和平片为主,仅能提供解剖结构的二维信息,可能会误导术者,而且术中放射线量过多会对术者和患者造成放射性损伤。那么,如何才能实现术中即时的三维立体解剖结构重现呢?随着立体定位技术和影像融合技术的发展,计算机导航辅助骨科技术应运而生,其原理源自全球卫星定位系统(global positioning system,GPS),是通过定位系统将虚拟坐标系(virtual coordinate system,术前或术中获取的影像资料)和世界坐标系(world coordinate system,手术操作的实际空间)进行匹配的过程,其基本要素为基准点的建立、参考点的照合和实时跟踪等。
计算机导航技术在脊柱外科的应用是计算机辅助骨科手术技术的一个重要组成部分。脊柱外科手术近年得到了很大的发展,但是由于脊椎手术本身的特点及脊柱的复杂结构,手术难度和危险性很高。许多手术技术需要进行复杂的立体操作,这些操作在非可视的情况下进入脊柱内部,会进一步增加手术的风险性,如椎弓根螺钉内固定、寰枢椎关节间固定(Magerl术)及经后路椎体截骨矫形等。自20世纪50年代开始,医学领域开始对立体定向系统的应用进行探索,90年代出现计算机导航辅助脊椎椎弓根内固定的报道,虽然对于导航系统在脊柱外科领域的应用价值存在争议,但随着该技术的逐步发展完善,显示出了精确定位的明显优点,提高了手术的安全性,并且术中X线照射量会大大减少。因此越来越多的脊柱外科医师认可并接受了该项技术。我国也已经成立了中国计算机辅助外科学会,多学科的交叉合作和联合研发,必将有力地推动该技术在我国的推广普及和规范化发展。
计算机辅助骨科技术另一方面的应用在手术机器人系统的研发和使用上。机器人系统应用于骨科临床的尝试已经有很多,但是对其临床实用性一直存在争议。此类系统一般均价格昂贵,但临床可应用的领域有限。早期的外科机器人系统多由工业机器人系统改造而成,体积较大,临床应用和器械消毒均非常不方便。而且,对于完全依赖机器人进行的关键步骤操作,大多数外科医师心存疑虑,担心系统一旦发生故障,后果有可能是灾难性的。随着科学技术的进步,更加具有临床实用性的小型化机器人也逐渐发展起来,如Shoham等设计的MARS(miniature robot for surgical procedures)系统。该系统重量只有200g,体积为5cm×5cm×7cm,具有6个方向的自由度。该系统在术中可以直接固定在解剖结构上,进行脊柱外科椎弓根螺钉或创伤骨科远端带锁髓内针的置入。在骨科临床应用中,被动式导航系统仍然占有绝对的主导地位,是目前的发展方向。但是,随着机器人系统研发的进步,主动式导航系统在未来有可能成为最具发展潜力的外科技术。
总之,随着现代脊柱外科手术技术的进步,使手术操作向着非可视的立体操作方向发展,对术者的技术要求更高,但人工操作技术难以保证某些复杂操作的精确性。另外,患者对于治疗结果的要求也越来越高,并可能引发出相应的医疗纠纷。因此,急需一种新的技术辅助外科医生提高操作准确性。计算机导航技术是脊柱外科智能手术的起点,是外科手术的一个新纪元,显示了明显提高手术安全性的巨大优点,预示了外科手术的智能化发展方向并为机器人手术技术的探索奠定了基础,将来有可能成为脊柱外科手术的必备条件。(田 伟)参考文献
1.田伟,刘波,李勤,等.透视及导航下颈椎椎弓根螺钉内固定术的临床应用经验.脊柱外科杂志,2003,1(1):15-18.
2.刘亚军,田伟,刘波,等.CT三维导航系统辅助颈椎椎弓根螺钉内固定技术的临床应用.中华创伤骨科杂志,2005,7(7):630-633.
3.田伟,刘亚军,刘波,等.计算机导航在脊柱外科手术应用实验和临床研究.中华骨科杂志,2006,26(10):671-675.
4.刘亚军,田伟,刘波,等.X线透视与计算机导航系统引导颈椎椎弓根螺钉内固定技术的对比研究.中华外科杂志,2005,43(20):1328-1330.
5.梁国穗.导航手术正在改革创伤骨科和外科.中国医药生物技术,2007,2(2):87-88.
6.彭玉.不断提高我国计算机辅助外科的工作水平.中国医药生物技术,2007,2(2):85-86.
7.田伟.C-CAS必将促进中国外科计算机辅助技术研究应用与交流.中国医药生物技术,2007,2(2):86-87.第二章 计算机导航在脊柱外科的应用技术
计算机导航系统的原理与目前广泛应用的全球定位系统(global positioning system,GPS)相似,是世界坐标系(术中解剖结构的三维坐标系)与虚拟坐标系(导航影像的三维坐标系)的照合,必须首先选择参考点,然后根据参考点来确定目标在三维空间中的位置。因此,基准点的建立、图像配准以及立体定位技术是其基本要素。可以应用于外科导航手术的立体定位技术主要包括光学定位法、机械定位法、超声波定位法和电磁定位法。
现代脊柱外科计算机导航系统主要使用的是红外线光学导航,该系统分辨率高,可以三维定位,不受手术室内其他设备的干扰,但是也有一定局限性,需要有光学观感设备随时交换信息,不能直接面对阳光。根据红外线发射和接收方法不同,可分为主动红外线光学导航系统和被动红外线光学导航系统。主动红外线光学导航系统的红外线发光二极管被安装在各个示踪器(tracker)和智能手术器械(smart tools)上,其发射的红外线信号由摄像机(camera)接收后传至导航工作站进行处理。被动红外线光学导航系统中,安装在各个示踪器和智能手术器械上的是红外线被动反射球,红外线发射装置被安装在摄像机上,摄像机发射的红外线被反射球反射后再折返至摄像机,由摄像机接收后传至导航工作站进行处理。
计算机导航技术根据交互方式不同,可分为主动交互式导航、半主动交互式导航、被动交互式导航三种模式。主动交互式导航系统主要指手术机器人系统,手术过程中不需要手术医师的干预,机器人按照设定的手术计划完全凭借机械手进行精确的手术操作。该系统既要求手术机器人有足够的精确性和灵活性以满足复杂脊柱外科手术的需要,又必须有足够的安全保障措施以保证患者及医护人员的安全。半主动交互式导航系统允许手术医师在机器人控制的安全范围内随意移动使用手术器械,其目的是既保证机器人的精确性,又发挥手术医师人手的灵活性。目前上述两种导航系统大多处于实验研究阶段,临床应用有限。被动式导航系统仅显示和引导手术工具的空间运动轨迹,手术操作仍然需要由手术医师完成,该系统是目前临床应用最为普及的导航系统。
根据不同的图像采集方法,目前脊柱外科常用的导航模式包括以下三种:①C形臂透视二维图像导航(fluoroscopy-based navigation system);②CT三维图像导航(computed tomographybased navigation system);③电动C形臂术中即时三维图像导航(Iso-C 3D navigation system)。它们各有优缺点(表2-1),如果临床适应证和方法选择正确,均可保证手术的精确性。表2-1 三种导航模式的优缺点对照
C形臂透视二维图像导航,术中以C形臂透视采集不同体位二维图像并将图像传输至导航系统,图像传输完毕即可使用,无需人工进行点照合(point-to-pointmatching)和面照合(surfacematching)。然后在二维虚拟影像引导下,进行手术操作(图2-1)。图2-1 C形臂透视导航辅助腰椎椎弓根螺钉内固定
实验研究证明透视导航法辅助颈椎椎弓根螺钉置钉准确率与传统透视法相比,其差异无统计学意义,说明导航系统本身的精确度是可以接受的,可以达到虚拟透视的效果。但是该方法受到透视图像本身的限制。首先,阅读脊椎二维透视图像需要一定的临床经验;其次,细小的颈胸椎或严重畸形的椎弓根需要精确的置钉角度,较难把握。该方法的优点是操作简单,术中不需选取有特征的骨性参考点进行手动注册。主要适用于较粗大的腰椎椎弓根手术。尤其是多次手术后的病例,由于其局部解剖标志结构不清,应用该导航方法辅助可以节省手术时间,而且置钉准确率更高。在进行无明显畸形的腰椎椎弓根螺钉内固定时,也可应用该技术进行经皮微切口操作。
CT三维图像导航,需要术前采集薄层CT影像数据,将CT数据输入计算机导航系统,进行术前设计。根据其三维重建图像,在拟手术椎体后方表面结构分别选取至少3个解剖标志清楚的参考点,待术中进行点照合,并可以利用其设计软件设计椎弓根螺钉的置入位置及螺钉的长度和直径(图2-2)。术中需要根据术前设计的参考点,进行点照合和面照合注册,导航系统自动测算系统精确度。如果误差可接受(导航精确度在0.5mm以内),则可以在CT三维重建影像引导下,进行椎弓根螺钉置入等手术操作(图2-2)。图2-2 颈椎椎弓根螺钉内固定,术前利用CT导航三维重建软件设计椎弓根螺钉置入的位置及螺钉的长度和直径
CT三维导航操作直观形象,可以清晰显示骨性结构。在高风险的颈胸椎后路椎弓根内固定手术中或对于严重胸腰椎畸形、过度肥胖、脊椎肿瘤等病例,术中透视常不理想,尤其适用该技术。对于黄韧带骨化灶切除减压或经椎体楔形截骨手术,术中可以使用导航系统帮助精确判断减压范围或截骨程度和深度。
CT导航系统可以进行术前计划,了解椎弓根形态有无变异,设计螺钉型号和置入方向。但患者CT资料只能在术前获取,如术中体位变化明显,则虚拟三维图像不能真实反映三维关系,有误导术者的可能。例如在为寰枢椎半脱位患者施行Magerl术时,术中寰枢椎的位置关系与术前获取CT图像时的位置常常发生变化,手术医师必须清楚地了解这一问题,如果此时还完全按照术前获取的CT图像进行置钉操作,则会被误导。在这种情况下,术中注册必须采用单椎体注册的方式,在枢椎椎体选取骨性结构作为注册参考点,导航图像中只有枢椎的骨性结构能够正确反映即时的解剖结构,手术医师只是通过导航系统帮助选择螺钉置入的入点,螺钉置入的方向和深度还需要通过C形臂透视确认。
需要手动注册是C T三维导航的另一缺点,在点注册的过程中,因为参考点选择和人工操作的误差,增加了手术时间并有可能降低导航精确度。此外,手动注册需要选取明显的骨性解剖结构作为参考点,对于缺乏骨性标志点的齿状突螺钉内固定和经皮椎弓根螺钉内固定,该技术也不适用。图2-3 术中即时三维导航辅助椎弓根螺钉内固定骨性结构显示清晰,可以满足临床需要
术中即时三维图像导航,术中三维导航影像数据由电动C形臂在术中即时影像三维重建获取。根据设定,C形臂自动连续旋转190°,采集100幅数字点片图像并自动重建三维图像。将图像传输至导航系统,系统同时进行自动注册。图像传输完毕即可使用,无需人工进行点照合和面照合。然后在术中即时三维重建图像引导下进行手术操作(图2-3)。图2-4 术中即时三维导航辅助齿状突螺钉内固定可以根据三维导航图像引导,进行个体化螺钉置入
术中即时三维导航可以获取术中即时三维重建图像并自动传输到导航系统,可以像透视导航一样进行自动注册和图像实体融合。基本继承了透视导航和CT导航两种方法的优点,克服了它们的缺点。虽然其三维图像较CT图像粗略,尤其立体重建图像更为明显,但是真正引导操作的三维断层图像和CT图像区别不大,可以满足对骨性结构精确定位的需要。由于不需要术中直视下找到骨性结构作为参考点,在齿状突螺钉内固定(图2-4)和经皮椎弓根螺钉内固定术(图2-5)中,该技术也可以得到很好的应用,提高置钉准确率。有学者认为该技术具有良好的应用前景并有可能逐渐替代其他两种导航模式。但是,目前电动C形臂的价格昂贵,而且采用该技术需要使用可以透X线的碳素手术床以减少图像伪影,制约着该技术的临床推广应用。此外,电动C形臂的三维成像质量也有待进一步提高,其摄片范围受到影像增强器尺寸影响,在长节段手术中常不能一次包括所有手术节段,需要重复导航操作步骤(图2-4、图2-5)。图2-5 术中即时三维导航辅助经皮椎弓根螺钉内固定(刘亚军)参考文献
1.田伟.使用计算机导航技术辅助脊柱骨折和不稳定的固定手术.中华创伤骨科杂志,2004,6(11):1218-1219.
2.刘亚军,田伟,刘波,等.CT三维导航系统辅助颈椎椎弓根螺钉内固定技术的临床应用.中华创伤骨科杂志,2005,7(7):630-633.
3.田伟,刘亚军,刘波,等.计算机导航在脊柱外科手术应用实验和临床研究.中华骨科杂志,2006,26(10):671-675.
4.刘亚军,田伟,刘亚军,等.X线透视与计算机导航系统引导颈椎椎弓根螺钉内固定技术的对比研究.中华外科杂志,2005,43(20):1328-1330.
5.梁国穗.导航手术正在改革创伤骨科和外科.中国医药生物技术,2007,2(2):87-88.
6.彭玉.不断提高我国计算机辅助外科的工作水平.中国医药生物技术,2007,2(2):85-86.
7.田伟.C-CAS必将促进中国外科计算机辅助技术研究应用与交流.中国医药生物技术,2007,2(2):86-87.
8.Amoit LP,Labelle H,DeGuise JA,et al.Computer-assisted pedicle screw fixation.A feasibility study.Spine,1995,20(10):1208-1212.
9.Ludwig SC,Kowalski JM,Edwards CC 2nd,et al.Cervical pedical screws:Comparative accuracy of two insertion techniques.Spine,2000,25(20):2675-2681.
10.Richter M,Mattes T,Cakir B.Computer-assisted posterior instrumentation of the cervical and cervico-thoracic spine.Eur Spine J,2004,13(1):50-59.
11.Tian W.The Study of Accuracy of Screw Placement in Cervical Pedicle Assisted by Computed Navigation System.ⅩⅫANNUAL MEETING OF CSRSBERLIN.May 2006;35.
12.Rampersaud YR,Pik JH,Salonen D,et al.Clinical accuracy of fluoroscopic computer-assisted pedicle screw fixation:a CT analysis.Spine.2005 Apr 1;30(7):E183-190.
13.Shoham M,Burman M,Zehavi E,etc.Bone-mounted m iniature robot for surgical procedures.concept and clinical applications.IEEE T Robotic Autom,2003,19:893-901.第三章 计算机导航辅助下微创脊柱外科手术简介一、计算机导航辅助微创脊柱外科手术定义
计算机导航辅助下微创脊柱外科手术(CAMISS)是由国际上通用的计算机辅助(computer assisted,CA)和微创脊柱手术(minimally invasive spine surgery,MISS)两个词拼写而成的,即计算机辅助下的微创脊柱外科手术(computer assisted minimally invasive spine surgery,CAMISS)。这是一个新的词汇,代表着当代骨科发展最新成果和趋势。CAMISS本身不仅是一项技术,而且是代表了当代医学治疗的一种新思维。
脊柱外科学的发展历史与科学技术的进步密切相关,新技术的出现,不断拓宽外科医生的视野,让我们了解了更多的疾病,可以使用更多的方法帮助病人解决病痛。不同的时代,在认识疾病的基础上,外科医生一直追求通过使用更精确、损伤更少的方法,更大限度地帮助患者解决他们的病痛,同时尽量完整地保留患者的生理功能。军事上有一句常用语叫做“外科手术般的精确打击”就是对外科手术本身的最好评价。脊柱外科技术近年来得到很大的发展。许多原来治疗难度很高的疾病被重新认识,比如上颈椎疾病、脊柱侧弯、韧带骨化症等。在此基础上,许多医生开始尝试治疗这些疾病,但由于脊柱结构的复杂性,脊柱外科医生又希望能够最大程度地解决这些疾病,使得手术难度和危险性超过了以往。现代社会的生活节奏越来越快,越来越多的患者难以忍受长时间的休养康复。另外,社会保险系统要求尽量节省费用。这些因素都使外科医生即便进行常规手术也要尽快帮助病患恢复,因此现代医学对微创手术的要求超过了以往。社会的老龄化,使得老年人成为脊柱外科治疗新的重点人群。老年人往往同时合并多种疾病,身体机能下降,整体状况不允许接受大的手术打击,但很多脊柱疾病严重影响其生存状况,又必须解决,因此精确且微创的手术方案成为现代脊柱外科的趋势。二、微创脊柱手术的发展
20世纪60年代兴起的关节镜技术,被认为是骨科领域最早的微创技术。但直到1985年英国泌尿外科医生Payne和Wickham首次提出“微创外科(minimally invasivesurgery,MIS)”的概念,1987年法国医生Mouret成功施行了世界首例腹腔镜胆囊微创切除术以后,“微创外科”才逐渐被广泛接受。目前微创外科还没有确切的定义,通常是指以最小的侵袭和最小的生理干扰达到最佳外科疗效的一种新的外科技术,它不是独立的新学科或新的分支学科,而是一种比现行的标准外科手术具有更小的手术切口、更佳的内环境稳定状态、更轻的全身反应、更少的瘢痕愈合、更短的恢复时间、更好的心理效应的手术。顾名思义,微创脊柱外科手术则是微创外科技术在脊柱外科领域中的应用。
脊柱外科微创技术始于20世纪60年代经皮穿刺技术治疗椎间盘突出症。1963年,Smith采用X线透视引导,将木瓜凝乳蛋白酶注入病变的椎间盘治疗经保守治疗无效的单纯性腰椎间盘突出症,该手术并发症较多,远期疗效受到质疑。70年代后期,在此基础上加以改进,在病变的椎间盘内置入套管并通过套管用特制器械对髓核组织进行机械切割,使并发症有所降低。90年代,有人通过置入椎间盘的工作套管放入激光光导纤维,利用激光的能量使腰椎间盘髓核组织气化,降低了椎间盘内部的压力,减轻或解除对神经根的压迫,从而使椎间盘突出症的症状消失,达到治疗的目的。这类经皮技术创伤小、恢复快,不干扰椎管内的结构,并发症低,操作简单,疗效尚可,目前仍在临床上应用。
内窥镜的发展使得脊柱微创技术进入新的一页,应用内镜技术进行脊柱外科手术始于80年代,而90年代后,经内镜脊柱外科技术有了长足的进步。椎间盘镜手术系统是这类内镜手术的代表,例如MedMetrx椎间盘镜系统,椎间盘镜手术系统非常成功,在临床得到广泛应用,但近10年来,逐渐被更加微创的椎间孔镜手术系统取代,例如Wolf、Joinmax、Maxmore等内镜系统。内镜手术的另一方面是内镜辅助手术,如腹腔镜辅助下腰椎病灶清除术和腰椎内固定融合术;胸腔镜辅助下胸椎病灶清除术和脊柱侧弯矫形术等。
90年代以后,椎弓根螺钉内固定系统的出现使得脊柱外科手术的治疗水平进入了新时代,从初始的腰椎椎弓根系统到现在的胸椎椎弓根系统、颈椎椎弓根系统,从脊柱创伤、脊柱退行性疾病到脊柱肿瘤,脊柱畸形矫正的治疗疗效得到了跨越式的提升。椎弓根螺钉的设计,也向着固定更牢靠、更符合生物力学原理、使用更方便、创伤更小的方向发展。2002年,Foley和Gupta首先报告了应用经皮Sextant椎弓根螺钉系统内固定技术,基于此技术,真正意义上的胸腰椎内固定治疗得以实现并广泛开展,经过十余年的发展,全世界主要医疗器材生产公司都推出了各自的经皮椎弓根螺钉内固定系统。今天,经皮椎弓根螺钉固定技术已经成为微创脊柱外科技术的一项主要代表技术,成为开放式内固定的替代选择。
尽管微创脊柱外科技术是未来脊柱外科的发展方向,但微创脊柱外科存在一些“天生”的难点。微创手术的精髓是以比传统手术更小的损伤达到与传统手术相同或更佳的疗效,但由于操作空间小、二维视野、手术器械长、解剖标志不清等不利因素,微创手术反而可能增加术中并发症,微创脊柱手术(MISS)曾被形象地比喻为“在瓶子里建一艘船”。Ringel等报告了104例患者胸腰段经肌间隙置入螺钉,术后均做CT检查,高达11例(10.6%)的患者需行翻修手术,其中2例由于螺钉误置造成神经症状。微创手术的神经损伤事件常有报道,特别是对刚开始进行脊柱微创外科手术的外科医生来说,需要一个相当长的学习曲线才能达到较为满意的微创效果。因为需要在X线引导下置钉,微创手术术中需要反复透视确认,增加了医务人员和患者的放射损伤风险。研究显示,X线透视引导椎弓根螺钉置入使外科医生暴露在10或12倍于常规脊柱骨科手术的辐射剂量下。三、脊柱计算机辅助手术体系的发展
随着脊柱外科医疗实践的不断深入,越来越多的实践证明医生手术技术和经验即使达到顶峰也有明显的局限性,我们没有透视眼也没有机械般稳定的手,因而在术中难以判断解剖个体差异,仅仅X线二维透视难以准确定位及判断器械在体内的方向。
科学技术的进步使新的超越人能力的智能手术方法被发明和应用于临床,近年来,计算机技术的迅速发展促进了可视化技术的进步,将物理学、电子技术、计算机技术、材料学和精细加工等多种高科技手段结合,可将透视成像系统与影像导航结合,逐渐形成了外科导航系统。2004年Iso-C3D、2005年O-arm等术中即时三维C形臂开始应用,使术中即时三维导航成为可能。术中实时三维导航提供了每一个手术部位的三维信息,精度可达到0.25mm,是肉眼和透视均无法达到的精度,从而成为一种安全有效的手术技术保障,开创了一个脊柱手术治疗的新纪元。
田伟等学者进行了大量脊柱导航置钉的基础研究和临床实践,实验研究共植入螺钉398枚,结果请见表3-1。表3-1 采用不同方法置入颈椎椎弓根螺钉精确性结果
临床病例中,透视导航组共272枚螺钉,优243枚(89.3%),良29枚(10.7%)。CT导航组共571枚螺钉,优485枚(84.9%),良82枚(14.4%),差4枚(0.7%,均发生于早期颈椎手术病例)。Iso-C术中三维导航组共142枚螺钉,优136枚(95.8%),良6枚(4.2%,5枚为颈椎,1枚为腰椎)。10年来的实践证明,计算机导航系统能显著提高脊柱外科手术的安全性。四、计算机辅助微创脊柱外科手术体系的提出与涵盖
微创脊柱外科手术是脊柱手术发展的要求,但如何克服微创脊柱手术视野局限、并发症发生率高、学习曲线长、X线暴露时间长是我们面临的困难。有没有一种安全有效的方法能够使我们拥有透视眼看到体内的解剖结构,解决上述问题呢?答案是有。应用计算机导航系统辅助MISS使术中解剖结构精确定位成为可能,可以弥补MISS显露不清的缺陷,从而提高手术的精确性,减少并发症。Fraser等报告,在微创腰椎手术中,90.9%的术中即时三维导航组螺钉及73.7%的透视组螺钉没有穿破椎弓根,两者的准确性差异有统计学意义(P<0.05)。并且,由于CAOS可提供实时影像,可减少术中放射线过多暴露的风险,还可缩短MISS手术的学习曲线。
计算机辅助微创脊柱外科手术体系不仅仅是计算机手术导航体系在脊柱微创手术的应用,它还包括术前设计、手术器材设计、术中导航、术后评估与康复。
当代计算机技术的发展,使得术前通过采集CT与MRI的数据进行模拟手术成为可能。以MIMICS等为代表术前设计软件,可以模拟术中的截骨和术中置钉过程,并且可以与导航软件拟合,从而帮助手术顺利完成。
3D打印技术的出现,使得内置物的个性化成为可能,配合术前采集的数据,可以制造出术中与体内解剖结构更加贴合的内置物,从而提升了手术效果。五、CAMISS手术在不同部位手术的应用1.颈椎
一直以来,上颈椎手术都是脊柱手术的难点,上颈椎结构包括颅底和颈椎体,此区域骨结构复杂,变异多种多样,同时延髓、小脑、脊
1、2髓在此区域交汇,损伤可能导致严重后果。上颈椎存在复杂血管结构,椎动脉走行变异大且位置深在,相应的静脉系统分布广泛,术中易出血,止血困难。
目前上颈椎疾病的治疗大多数采用开放式手术方式,术中需要广泛暴露,确定解剖结构,同时固定时要使用C形臂反复确认内固定的位置。近两年来,随着通道和术中导航技术的发展,我们现在可以实现上颈椎的CAMISS治疗。田伟等学者进行了CHangman骨折的微创与切2开导航手术的对比。结果表明,CAMISS较切开导航手术出血明显减少,出血量CAMISS组66.7±25.8ml,切开组250.0±141.4ml(P<0.01);6个月时VAS评分 CAMISS组0.3±0.5,切开组1.7±0.6(P<0.01);两组均没有3级的螺钉偏差,没有神经损伤。2.胸腰椎
腰椎的微创内固定手术自2003年以来,逐渐在世界上普及。目前,已有多家公司能够生产经皮腰椎椎弓根螺钉。经皮腰椎内固定如前述所说,会面临视野小、放射线暴露多等多种不利因素,而通过计算机辅助导航技术则可以克服上述不利因素。
田伟等对比了使用导航微创TLIF(CAMISS-TLIF)手术与传统切开TLIF(OP-TLIF)手术治疗成人腰椎滑脱症患者27例,利用随机数法分为两组,其中导航微创组13例,传统切开组14例。出血量导航微创TLIF组为376.92±165.34ml,较传统切开TLIF组的857.14±720.81m l明显减少,27例患者均获得随访,随访率100%,导航微创TLIF组随访时间3～21个月,平均12.36个月;传统切开TLIF组随访时间3～22个月,平均11.53个月。随访发现,日本骨科协会评估治疗(Japanese Orthopaedic Association scores,JOA评分)改善率导航微创组为74.74%±11.07%,传统切开TLIF组为61.97%±19.03%,有明显的统计学差异(t=0.177,P=0.045);腰痛ODI评分标准(The Oswestry Disability Index,ODI评分)导航微创TLIF组随访时为2.00±1.915分,传统切开TLIF组为7.07±7.760分,有明显的统计学差异(t=-2.289,P=0.032)。3.其他
另外,还有许多医生通过CAMISS方法进行多种脊柱疾病治疗的尝试。例如胸椎黄韧带骨化的微创切除,通过经椎板腰椎峡部裂拉力螺钉治疗腰椎单纯峡部裂的尝试也都获得了良好的效果。六、CAMISS手术的未来发展
目前,CAMISS手术主要是通过手工导航完成的,但机器人辅助经皮椎弓根螺钉已逐渐开展,从而使这项技术更加简单。
从2003年起,以色列生产的SpineAssist系统机器人分别在以色列、德国、美国投入使用,从2005年至2009年,共完成手术842例,包括腰椎椎弓根钉673例,椎弓根钉优良率达到97.3%。但这种机器人辅助系统由于只能固定于腰椎,使用范围受到一定限制。
2015年,北京积水潭医院与北京航空航天大学设计的脊柱手术机器人也投入临床使用,由于使用的是多个自由度的机械臂结构,因而除了可以用于腰椎,同样也成功用于颈椎和胸椎手术。
未来,随着人工智能的发展,机器人辅助脊柱微创手术可能成为脊柱微创手术的新标准。(何 达)参考文献
1.田伟,刘亚军,刘波,等.计算机导航在脊柱外科手术应用实验和临床研究.中华骨科杂志,2006,26(10):671-675.
2.张波,田伟,王永庆,等.ISO-3D辅助计算机导航下齿突骨折的前路螺钉内固定治疗.山东医药,2010,50(28):24-26.
3.茅剑平,田伟,孙宇庆,等.复杂寰枢椎骨折1例.山东医药,2010,50(28):51.
4.胡临,田伟,刘波,等.后路C/C椎弓根螺钉固定治Hangman骨折.23山东医药,2010,50(28):20-21.
5.Kim CW,Siemionow K,Anderson DG,et al.The eurrent state of minimally invasive spine surgery.J Bone Joint Surg Am,2011,93(6):582-596.
6.Tsutsumimoto T,Shimogata M,Ohta H,et al.Mini—open versus conventional open posterior lumbar interbody fusion for the treatment of lumbar degenerative spondylolisthesis:comparison of paraspinalmuscle damage and slip reduction.Spine(Phila Pa 1976),2009,34(18):1923-1928.
7.Kim DY,Lee SH,Chung SK,et al.Comparison of muhifidus muscle atrophy and trunk extension muscle strength:pereutaneous versus open pedicle screw fixation.Spine(Phila Pa 1976),2005,30(1):123-129.
8.Foley KT,Gupta SK.Percutaneous pedicle screw fixation of the lumbar spine:preliminary clinical results.J Neurosurg,2002,97(1 Suppl):7-12.
9.田伟,韩骁,何达,等.导航下微创与传统开放手术治疗胸腰段脊柱骨折的对照研究.中华外科杂志,2011,49(12):1061-1066.
10.何达,田伟,袁强,等.计算机辅助微创技术结合经椎板拉力螺钉峡部固定植骨治疗单纯腰椎峡部裂.中华创伤骨科杂志,2014,16(3):20-23.
11.Rampersaud YR,Foley KT,Shen AC,et al.Radiation exposure to the spine surgeon during fluoroscopically assisted pedicle screw insertion.Spine(Phila Pa 1976),2000,25(20):2637-2645.
12.Fraser J,Gebhard H,Irie D,et al.Iso-C/3-dimensional neuronavigation versus conventional fluoroscopy for m inimally invasive pedicle screw placement in lumbar fusion.Minim Invasive Neurosurg,2010,53(4):184-190.
13.Smith HE,Welsch MD,Sasso RC,et al.Comparison of radiation exposure in lumbar pedicle screw placement with fluoroscopy VS cornputer-assisted image guidance with intraoperative three—dimen sional imaging.JSpinal Cord Med,2008,3(1):532-527.
14.Dennis DP.Kaplan L,Dietl R,et al.Clinical Acceptance and Accuracy Assessment of Spinal Imp lants Guided W ith SpineAssist Surgical Robot.Spine,2010,35(24):2109-2115.第二部分 计算机导航辅助颈椎手术第四章 后路寰枢椎经关节突关节螺钉内固定术一、手术指征
后路寰枢椎经关节突关节螺钉内固定术由Magerl等首先于1987年提出,故又称之为Magerl术。其用2枚螺钉分别由后下方向前上方穿过两侧C侧块关节并加压固定,从而固定寰枢椎(图4-1)。1～2图4-1 后路寰枢椎经关节螺钉固定术(Magerl术)(一)手术适应证
1.创伤性寰枢椎不稳定,如齿突骨折、横韧带断裂等。
2.先天性寰枢椎不稳定,如齿突发育不良,齿突骨等。
3.类风湿关节炎致C不稳定。1～2
4.C既往融合失败。1～2(二)手术禁忌证
1.C解剖变异,或寰椎侧块、枢椎峡部骨质破坏。1～2
2.椎动脉走行变异。
3.其他,如过度肥胖或胸椎后突,使螺钉不能置入。二、手术难点及导航优势
该手术内固定邻近延髓、椎动脉等重要器官,螺钉通道缓冲空间狭小,需要有很高的手术技术、在很好的设备条件下才能完成。已经报道的手术并发症有内固定失败(折断、松动等),C枕大神经损伤,寰2枕关节损伤,舌下神经损伤,椎管受损-脊髓损伤,椎动脉损伤等。尤其是椎动脉损伤问题在Magerl术中十分突出,得到了广泛的关注和研究。很多研究者认为,由于椎动脉的走行变异和寰枢椎解剖结构异常等原因,一些患者至少有一侧不能接受经关节突关节螺钉内固定,其比例甚至可达到人群的20%。大多数研究者认为,Magerl术应在完全复位的前提下进行,在未完全复位时椎动脉损伤的可能性极大,此时经关节突关节螺钉固定应视为禁忌,而应行枕颈融合,或其他形式的内固定。
椎动脉在枢椎段由内下向外上走行,在枢椎峡部的外下部骨质形成“椎动脉沟”的结构,若穿行于枢椎峡部的螺钉侵入椎动脉沟,便极易损伤椎动脉。所以一般认为螺钉的置入在枢椎段越靠内、靠上越是安全的。
计算机辅助的应用,使螺钉置入的过程完全在“可视”的状态下完成,在很大的程度上提高了手术的准确性和安全性,使螺钉的置入精度显著提高,减少了并发症的发生。使用导航技术可在术前和术中选择设计最适宜的螺钉通道,并在手术中完成,使患者得到更为“个体化”的手术治疗方式。因此,导航技术在上颈椎手术,特别是Magerl术中应用的优势十分明显。三、术前影像学检查及手术规划
常规颈椎开口正位和侧位X线片,颈椎MRI检查了解神经等软组织情况。条件允许的情况下,拍摄颈椎屈伸动力片,了解上颈椎稳定性。行上颈椎CT薄层扫描,并三维重建,了解上颈椎骨质的具体情况。可将CT数据输入导航系统行术前手术规划。四、开放手术步骤
1.术前将CT图像原始数据拷贝至导航工作站,使用术前设计功能评估是否存在合适的螺钉通道,并测量估算需要螺钉的直径及长度。
2.于手术室进行全身麻醉成功后,患者俯卧位,MAYFIELD架牵引固定颅骨,患者上肢用胶带固定于体侧(图4-2)。调整头架位置,在透视下确认C、C处于复位位置。12
3.颈后及右侧髂后上棘处常规消毒铺单(图4-3)。
4.C～C正中横切口(图4-4)。02
5.切开皮肤、皮下,暴露出枕骨大孔周源,剥离显露C、C棘突后12弓及侧块(图4-5)。
6.小心分离C、C椎板和附着的韧带(图4-6)。12
7.小心地将钛缆从C、C椎板下穿过(图4-7)。12图4-2图4-3图4-4图4-5图4-6图4-7
8.使用临时固定夹固定钛缆(图4-8)。
9.再次透视确认C、C复位良好,调整头架使颈部充分屈曲,并安12装导航示踪器(图4-9)。
10.依次注册导航工具及电动C形臂(图4-10)。
11.使用电动C形臂自动扫描C椎体获取术中即时三维影像并传2输至导航系统自动注册。
12.在3DC-arm导航引导下确认C、C经关节突螺钉的入针点和12入针方向(图4-11、图4-12)。
13.从C侧块向C侧块穿入1.2mm克氏针(图4-13)。21图4-8图4-9图4-10图4-11图4-12图4-13
14.确定位置无误后,沿克氏针置入直径3.5mm半螺纹松质骨螺钉各1枚固定(图4-14、图4-15),并再次透视确定螺钉位置。
15.松开钛缆的临时固定夹,用磨钻去除C及C椎板后侧皮质骨制12成植骨床(图4-16、图 4-17)。
16.从右侧髂骨取两条骨块(图4-18、图4-19)。
17.将两条骨块植入,收紧钛缆固定(图4-20),再次透视(图4-21为侧位透视;图4-22为正位透视)确定位置满意。
18.生理盐水冲洗伤口,清点纱布器械无误,放置引流管1根,用1号可吸收线将头下斜肌重叠缝合,逐层缝合皮下、皮肤,关闭切口。图4-14图4-15图4-16图4-17图4-18图4-19图4-20图4-21
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]