手术导航系统的临床意义

         20世纪是传统外科发展的极盛时代，在艇短的50年中，新的领域被开拓、新的 “禁区”被打开，带来了医疗技术上的巨大成就，而外科技术的进展，则随着科技的发展而加速。在这种环境下，医用机器人与计算机导航系统的产生，正是临床外科 技术的不断发展和革新，以及计甜机、机器人等高新技术的不断进步所共同作用的结果。正因为此类系统顺应了外科技术发展的潮流，满足了医患双方不断增加的临床需求，所以这个新兴领域的研究才得以迅速的发展，并取得了令人瞩日的成就。 外科是以手术为主要手段来治疗疾病的学科。
         外科技术的发展，就是要使得手术效果不断提高、手术创伤不断缩小、手术安伞性不断增强。而要达到这样的目标，就 对外科医生的操作精度、操作能力提出了很高的要求。而医生受到人体生理结构的限 制，在定位精度、重复定位精度、操作精度、操作稳定性、负载能力、抗疲劳能力、 抗辐刺能力等方面都有很火的局限（见表7-1），而这些正是计算机和机器人的优势 所在。因此，将计算机和机器人引入外科手术，将切实解决临床中遇到的很多问题， 进一步促进外科技术的发展。但反过来，计算机和机器人在决策能力、处埋定性信息 的能力、建活性和适臆能力等方面叉远不及人类。因此在进行外科手术这样的复杂的、 需要随机应变的操作州，外科医生还是操作的主角，而计算机和机器人只是作为医生的得力助于，帮助脎小更好、史快、的完成手术。

         在临床应用中引入医用机器人与计算机导航的目的有以下几点。

         (1)减少外科手术的创伤。计算机导航与医州机器人系统的一个主要目标就是减少手术创伤，并且让操作接近于传统的手术治疗，同时在手术之后，尽量减小手术带 来的负面影响。 
         (2)提高手术精度。手术的正确性会极大地影响着一个手术的成功率。这里提到 的“正确性”，包含两层意思。层意思是指能够准确地定义手术计划，也就是说要定量地考虑一个手术的形态和功能；第二层意思是要能够准确地分解手术计划，也就 是说一个导航系统能够准确地“执行”由治疗专家制定的每一步手术计划。

         (3)提高手术的可靠性和安全性。即提高手术干预的成功率。

         (4)减少并发症的风险。降低手术的创伤和提高手术的准确率，从而屁著降低手术后对病人导致的不良后果，减少并发症的风险。

         (5)减少介入时间长度。虽然医用机器人与计算机导航技术的终目的是提高手 术的干预质量，但在某些情况下，它的临床价值却在于它能大幅度地减少手术时间。

         (6)方便医生操作。通过系统的人机工程学设计出有效的和可靠的工具，可以减轻医生的工作强度、减少医生的精神压力。

         (7)减少医职人员的危险。远离辐射倥器，或尽量减少使用辐射仪器的时问，可 以减少医生受到的辐射伤害。

         (8)成为手术模拟器的基础。

         将手术计划和实际的手术导航系统结合起来，建立 一个手术模拟平台，用于新手的手术训练。采用虚拟人体代替尸体对医生进行训练， 这些对于医学院的学生来说是非常有价值的，特别在收集一些困难的临床病例的信息 和培养大批量的临床医生上是非常有价值的。 目前，医用机器人与计算机导航的技术和产牖已经在很多不同的外科门类中得到 应用，包括神经外科、创伤骨科、脊柱外科、关节外科、泌尿外科、跟科、牙科、心脏外科、放射外科等。

         一、脑神经外科
         计算机辅助手术导航系统早就是在脑神经外科手术中得到应用的，在颅骨切开术中，应用CT图像引导手术导航系统，准确地定位脑肿瘤的位置和大小，并通过可视化手段让医生看到在病灶周围的血管结构和神经，再经过详细的手术计划论证，后 确定一个佳的进刀方案，尽量减少肿瘤周围健康的脑神经和脑组织在手术中的损伤。 在脑神经外科手术中，早采用的是立体定向方法。
         这个方法就是在病人的头部 固定一个立体定向框架，通过准确测定立体框架上的标志点的空间位置，把它用于图像的配准和定位。在立体定位神经外科手术中，术前CT和MR图像已经和立体定向框架或者定位机器人相连接，用于确定实际手术中的位置。在开放式神经外科手术中，国外已经有人使用机械手、超声定位或者光学定位器作为被动导航系统在术前CT和 MR图像（定位、配准）巾的一个定位工具。结合被动定位器或者自动操作器手术显微镜已经和术前的CT和MR图像进行了衔接。 目前研究开发和使用多的是无框架定位方法，通过在皮肤或者脑部头骨中设置标志点，而不采用笨拙的立体框架作为标志点安放的剥象，减轻了病人的负担，同时 增加了手术的灵活性。目前这样的无框架立体定向系统已经成功应用于临床，不过经过临床应用发现无框架导航系统的精度仍略低于有框架的系统。

         二、创伤骨科

         在刨伤骨科手术中，长骨骨折占有很大的比例，而目前对长骨骨折进行治疗常 采用的是闭合髓内钉内固定。闭合髓内钉内固定在骨折固定手术中的优点是创口小， 固定好，愈合快，但是髓内钉的远端锁定在临床手术中却是一个重大难题。由于髓内 钉插入长骨髓腔之后，远端螺孔的位置和方向无法确切获悉，因此，需要有外部锁定装置确定远端锁孔的位置，然而精度不高。
         目前虽然有很多人想通过研制高精度的机 械定位装置来解决这个问题，但结果都不太理想。另外，在实际临床手术中，为了较准确的确定髓内钉的位置，在锁定过程中还要有多次X线照射来确定其位置，如果一次锁定不成功，还需要重新再来，迭很容易造成医生和病人接受大剂量的射线照射，以及多次钻孔给病人带来的极大痛苦和损伤。 当在创伤骨科手术中引入导航系统以后，利用术中C臂实时X绒图像，再由光 电、电磁、机器人等不同的定位系统，能确定髓内钉远端孔的位置，并且通过导航系 统的虚拟仿真，使得在术中能不断地调整螺钉的前进方向，让它的方向和螺iL的中心 法线方向重合，提高了锁定的精度。目前这样的导航系统已经成功应用于临床，并且证明其确实能有效的降低术中的辐射。

         三、脊柱外科

         由于脊柱的特殊解剖结构，手术的高精确性和安全性是人们首先考虑的问题。在目前的脊柱骨折手术治疗中，椎弓根螺钉是一种广泛使用手术方法。在传统的临床手术中，需要在腰部处开刀，暴露脊椎的后部，由于这个解剖是局部的，因此无法详尽 地了解脊椎的形状和位置，以及脊柱前部的解剖组织结构，故在手术过程中，往往无 法将椎弓钉置人到佳位置，有时甚至导致手术的失败，据国外临床实验研究统计，腰段椎弓根螺钉置人的失败率为20% - 30%，其后果是产生神经根、脊髓、血管损伤，将给病人带来极大的痛苦。 
         计算机导航系统通过对二维医学图像的重建和虚拟现实技术，使手术区域的解剖结构与手术器械在手术区域的空间位置相匹配并显示在屏幕上，医生可多平面直观地 观察手术操作过程，再加上辅助定位和操作的机器人的引入，不仅提高了手术精度， 而且提高了手术安全性。而旦，在传统手术中，为了获得满意的手术效果，往往大量
依靠术中X线透视，而过多的辐射不利于人体健康。计算机导航手术通过虚拟成像和 多坐标系间的配准技术，测定术中示踪器相对位置的改变，及时连续地在屏幕上显示手术器械所处的部位和方向，极大地减少了患者和手术室工作人员的X线辐射，从而 保护了患者和医护人员。由于在术中无须再次透视，也缩短了手术时间。

         四、关节外科

         关节置换手术是关节外科中的一种常见手术，在传统的关节置换手术中，医生根 据患者术前的X线片，判断患肢力线，在术中凭借经验放置、切割、处理模块及候 体。而由于骨骼变形等因素的影响，可能导致人工关节植入的位置出现错位，出现这 种情况的概率为2% - 6%，手术失败后再重新植入的失败率会更高。而假体安放位置 不妥、下肢力线不准确及软组织失衡等会导致置换关节处的疼痛及假体的早期松动， 从而大大影响手术效果。
          在关节置换手术中引入计算机技术，对关节截骨的位嚣、假体大小、接人方向及位置等术前手术计划做出客观的指导，在手术中引入光电导航等跟踪设备对手术过程 进行实时监控，指导医生准确地进行每一项手水操作，不仅可以减少出现关节假体植 入位置不正的概率，同时也可使假体安放精确地符合肢体力线，增加运动范围的“安全性”。据统计，通过计算机辅助可使安放的人工全髋关节的外展角和前倾角误差控制在- lº - 1º，且导航系统可使人工膝关节置换的假体优良率从传统的15%提升到33%。 另外手术导航系统还可以帮助外科医生检验体内关节和植入关节之间的相对运动的情 况，以判断手术的效果。 另外，在关节置抉手术中，骨骼开口的位置、方向和大小十分重要。
         在传统手术中开口全凭医生的“感觉”，无法精确控制开口的大小，这经常导致手术后联结处骨质愈合不理想，术后相当长的一段时间内不能受力。而引入机器人技术以后，利用对术前CT图像的三维重建来精确构造骨骼的三维模型，再利用机器人动作精度高、可控性 强的特点，由机器人在医生的监控下“主动”地完成对骨骼地切削，可以大大提高开口操作的精度，使切削缝隙从传统的l - 4mm减小到0.05mm以下，手术效果稳定性也大大提高。

         五、泌尿外科

         腹腔镜手术应用于泌尿外科已有悠久的历史，并逐渐成为一种主流的手术方式。 先进的手术机器人系统在21世纪初被引入泌尿外科领域，几年时间得到了长足发展， 在腹腔镜手术时难度较大的小管道的吻合成为可能。

         ③节省人力。手术只要一人操作，可以坐位进行，大大降低r劳 动强度，适合复杂的和长叫间的手术。

         ④可远程手术。手术医生可能通过网络支持操 控其他地区的机器人进行手术。

         六、眼外科
         眼睛是人类重要的感觉器官，也是极其精密的器官之一，自径20mm左右的眼球，其生理结构和功能都相当复杂。因此眼科手术对操作精度的要求是极其严格的。 以视网膜修复手术为例，该手术要求能将激光瞄准到距目标25μm的范围之内，以避免 损伤视网膜血管。而一旦视网膜血管被损伤，将导致视网膜的血肿甚至失明。但仅凭借医生双手操作，将很难可靠地将手术机械瞄准到距目标100μm范吲内，并且当医生 疲劳的时候，无意识的颤抖会让操作精度进一步降低。不仅如此，眼球本身还是一个 运动的目标，它生理运动的迷度高达200Hz。
         以上种种因素导致常规手术方式不能提供足够的手术精度，而这些要求对于机器人来说却是完全可以胜任的。当把计算机和 机器人技术应用到达种手术中后，眼球本身的运动可以被迫踪，这样联生看来眼球会 是静止不动的；另外，医生的颤抖可以被过滤掉。这样系统可以达到10μm的操作精度，这是徒手操作精度的10倍。

         七、其他外科

         在颅面外科手术中，基于CT图像和解剖模型进行骨骼的优放置在临床上得到了验证。使用三维定位器在矫形手术中，用于颚骨节的重定位也有过报道。在心脏外科手术中，日前在动物实验上利用手术导航系统进行手术的尝试。另外，利用超声成像和三维定位器实现了计算机辅助一￡包手术的原型样机的开发。在牙科手术中，使用CT图像用于准确植入牙齿的病例有过报道，而且还发展了用于自动控制口腔内放射治疗 的系统，至于用于义齿加工的各种CAD/CAM系统的应用则更为普遍。 放射予术是肿瘤治疗中的一种常见手段。
         放射手术的重点在于精确的定位肿瘤，以便将辐射剂量集中在肿瘤上，并将对周围正常组织的伤害减到小。将机器人引入 放射手术可以实现图像引导下的精确放射治疗。手术中，利用实时的X线图像确定肿痛的位置，然后将该位置传输到手术机器人，利用机器人调整直线加速器的位置，使 其对准肿瘤，这样可以有效地提高放射治疗的效果。