手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的臨床意義

         20世紀(jì)是傳統(tǒng)外科發(fā)展的極盛時(shí)代，在艇短的50年中，新的領(lǐng)域被開(kāi)拓、新的 “禁區(qū)”被打開(kāi)，帶來(lái)了醫(yī)療技術(shù)上的巨大成就，而外科技術(shù)的進(jìn)展，則隨著科技的發(fā)展而加速。在這種環(huán)境下，醫(yī)用機(jī)器人與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)生，正是臨床外科 技術(shù)的不斷發(fā)展和革新，以及計(jì)甜機(jī)、機(jī)器人等高新技術(shù)的不斷進(jìn)步所共同作用的結(jié)果。正因?yàn)榇祟?lèi)系統(tǒng)順應(yīng)了外科技術(shù)發(fā)展的潮流，滿足了醫(yī)患雙方不斷增加的臨床需求，所以這個(gè)新興領(lǐng)域的研究才得以迅速的發(fā)展，并取得了令人矚日的成就。 外科是以手術(shù)為主要手段來(lái)治療疾病的學(xué)科。
         外科技術(shù)的發(fā)展，就是要使得手術(shù)效果不斷提高、手術(shù)創(chuàng)傷不斷縮小、手術(shù)安傘性不斷增強(qiáng)。而要達(dá)到這樣的目標(biāo)，就 對(duì)外科醫(yī)生的操作精度、操作能力提出了很高的要求。而醫(yī)生受到人體生理結(jié)構(gòu)的限 制，在定位精度、重復(fù)定位精度、操作精度、操作穩(wěn)定性、負(fù)載能力、抗疲勞能力、 抗輻刺能力等方面都有很火的局限（見(jiàn)表7-1），而這些正是計(jì)算機(jī)和機(jī)器人的優(yōu)勢(shì) 所在。因此，將計(jì)算機(jī)和機(jī)器人引入外科手術(shù)，將切實(shí)解決臨床中遇到的很多問(wèn)題， 進(jìn)一步促進(jìn)外科技術(shù)的發(fā)展。但反過(guò)來(lái)，計(jì)算機(jī)和機(jī)器人在決策能力、處埋定性信息 的能力、建活性和適臆能力等方面叉遠(yuǎn)不及人類(lèi)。因此在進(jìn)行外科手術(shù)這樣的復(fù)雜的、 需要隨機(jī)應(yīng)變的操作州，外科醫(yī)生還是操作的主角，而計(jì)算機(jī)和機(jī)器人只是作為醫(yī)生的得力助于，幫助脎小更好、史快、的完成手術(shù)。

         在臨床應(yīng)用中引入醫(yī)用機(jī)器人與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的目的有以下幾點(diǎn)。

         (1)減少外科手術(shù)的創(chuàng)傷。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航與醫(yī)州機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)主要目標(biāo)就是減少手術(shù)創(chuàng)傷，并且讓操作接近于傳統(tǒng)的手術(shù)治療，同時(shí)在手術(shù)之后，盡量減小手術(shù)帶 來(lái)的負(fù)面影響。 
         (2)提高手術(shù)精度。手術(shù)的正確性會(huì)極大地影響著一個(gè)手術(shù)的成功率。這里提到 的“正確性”，包含兩層意思。層意思是指能夠準(zhǔn)確地定義手術(shù)計(jì)劃，也就是說(shuō)要定量地考慮一個(gè)手術(shù)的形態(tài)和功能；第二層意思是要能夠準(zhǔn)確地分解手術(shù)計(jì)劃，也就 是說(shuō)一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地“執(zhí)行”由治療專(zhuān)家制定的每一步手術(shù)計(jì)劃。

         (3)提高手術(shù)的可靠性和安全性。即提高手術(shù)干預(yù)的成功率。

         (4)減少并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。降低手術(shù)的創(chuàng)傷和提高手術(shù)的準(zhǔn)確率，從而屁著降低手術(shù)后對(duì)病人導(dǎo)致的不良后果，減少并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

         (5)減少介入時(shí)間長(zhǎng)度。雖然醫(yī)用機(jī)器人與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的終目的是提高手 術(shù)的干預(yù)質(zhì)量，但在某些情況下，它的臨床價(jià)值卻在于它能大幅度地減少手術(shù)時(shí)間。

         (6)方便醫(yī)生操作。通過(guò)系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)出有效的和可靠的工具，可以減輕醫(yī)生的工作強(qiáng)度、減少醫(yī)生的精神壓力。

         (7)減少醫(yī)職人員的危險(xiǎn)。遠(yuǎn)離輻射倥器，或盡量減少使用輻射儀器的時(shí)問(wèn)，可 以減少醫(yī)生受到的輻射傷害。

         (8)成為手術(shù)模擬器的基礎(chǔ)。

         將手術(shù)計(jì)劃和實(shí)際的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，建立 一個(gè)手術(shù)模擬平臺(tái)，用于新手的手術(shù)訓(xùn)練。采用虛擬人體代替尸體對(duì)醫(yī)生進(jìn)行訓(xùn)練， 這些對(duì)于醫(yī)學(xué)院的學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常有價(jià)值的，特別在收集一些困難的臨床病例的信息 和培養(yǎng)大批量的臨床醫(yī)生上是非常有價(jià)值的。 目前，醫(yī)用機(jī)器人與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的技術(shù)和產(chǎn)牖已經(jīng)在很多不同的外科門(mén)類(lèi)中得到 應(yīng)用，包括神經(jīng)外科、創(chuàng)傷骨科、脊柱外科、關(guān)節(jié)外科、泌尿外科、跟科、牙科、心臟外科、放射外科等。

         一、腦神經(jīng)外科
         計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)早就是在腦神經(jīng)外科手術(shù)中得到應(yīng)用的，在顱骨切開(kāi)術(shù)中，應(yīng)用CT圖像引導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，準(zhǔn)確地定位腦腫瘤的位置和大小，并通過(guò)可視化手段讓醫(yī)生看到在病灶周?chē)难芙Y(jié)構(gòu)和神經(jīng)，再經(jīng)過(guò)詳細(xì)的手術(shù)計(jì)劃論證，后 確定一個(gè)佳的進(jìn)刀方案，盡量減少腫瘤周?chē)】档哪X神經(jīng)和腦組織在手術(shù)中的損傷。 在腦神經(jīng)外科手術(shù)中，早采用的是立體定向方法。
         這個(gè)方法就是在病人的頭部 固定一個(gè)立體定向框架，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定立體框架上的標(biāo)志點(diǎn)的空間位置，把它用于圖像的配準(zhǔn)和定位。在立體定位神經(jīng)外科手術(shù)中，術(shù)前CT和MR圖像已經(jīng)和立體定向框架或者定位機(jī)器人相連接，用于確定實(shí)際手術(shù)中的位置。在開(kāi)放式神經(jīng)外科手術(shù)中，國(guó)外已經(jīng)有人使用機(jī)械手、超聲定位或者光學(xué)定位器作為被動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在術(shù)前CT和 MR圖像（定位、配準(zhǔn)）巾的一個(gè)定位工具。結(jié)合被動(dòng)定位器或者自動(dòng)操作器手術(shù)顯微鏡已經(jīng)和術(shù)前的CT和MR圖像進(jìn)行了銜接。 目前研究開(kāi)發(fā)和使用多的是無(wú)框架定位方法，通過(guò)在皮膚或者腦部頭骨中設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)，而不采用笨拙的立體框架作為標(biāo)志點(diǎn)安放的剝象，減輕了病人的負(fù)擔(dān)，同時(shí) 增加了手術(shù)的靈活性。目前這樣的無(wú)框架立體定向系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于臨床，不過(guò)經(jīng)過(guò)臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)無(wú)框架導(dǎo)航系統(tǒng)的精度仍略低于有框架的系統(tǒng)。

         二、創(chuàng)傷骨科

         在刨傷骨科手術(shù)中，長(zhǎng)骨骨折占有很大的比例，而目前對(duì)長(zhǎng)骨骨折進(jìn)行治療常 采用的是閉合髓內(nèi)釘內(nèi)固定。閉合髓內(nèi)釘內(nèi)固定在骨折固定手術(shù)中的優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)口小， 固定好，愈合快，但是髓內(nèi)釘?shù)倪h(yuǎn)端鎖定在臨床手術(shù)中卻是一個(gè)重大難題。由于髓內(nèi) 釘插入長(zhǎng)骨髓腔之后，遠(yuǎn)端螺孔的位置和方向無(wú)法確切獲悉，因此，需要有外部鎖定裝置確定遠(yuǎn)端鎖孔的位置，然而精度不高。
         目前雖然有很多人想通過(guò)研制高精度的機(jī) 械定位裝置來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但結(jié)果都不太理想。另外，在實(shí)際臨床手術(shù)中，為了較準(zhǔn)確的確定髓內(nèi)釘?shù)奈恢?，在鎖定過(guò)程中還要有多次X線照射來(lái)確定其位置，如果一次鎖定不成功，還需要重新再來(lái)，迭很容易造成醫(yī)生和病人接受大劑量的射線照射，以及多次鉆孔給病人帶來(lái)的極大痛苦和損傷。 當(dāng)在創(chuàng)傷骨科手術(shù)中引入導(dǎo)航系統(tǒng)以后，利用術(shù)中C臂實(shí)時(shí)X絨圖像，再由光 電、電磁、機(jī)器人等不同的定位系統(tǒng)，能確定髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端孔的位置，并且通過(guò)導(dǎo)航系 統(tǒng)的虛擬仿真，使得在術(shù)中能不斷地調(diào)整螺釘?shù)那斑M(jìn)方向，讓它的方向和螺iL的中心 法線方向重合，提高了鎖定的精度。目前這樣的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于臨床，并且證明其確實(shí)能有效的降低術(shù)中的輻射。

         三、脊柱外科

         由于脊柱的特殊解剖結(jié)構(gòu)，手術(shù)的高精確性和安全性是人們首先考慮的問(wèn)題。在目前的脊柱骨折手術(shù)治療中，椎弓根螺釘是一種廣泛使用手術(shù)方法。在傳統(tǒng)的臨床手術(shù)中，需要在腰部處開(kāi)刀，暴露脊椎的后部，由于這個(gè)解剖是局部的，因此無(wú)法詳盡 地了解脊椎的形狀和位置，以及脊柱前部的解剖組織結(jié)構(gòu)，故在手術(shù)過(guò)程中，往往無(wú) 法將椎弓釘置人到佳位置，有時(shí)甚至導(dǎo)致手術(shù)的失敗，據(jù)國(guó)外臨床實(shí)驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)，腰段椎弓根螺釘置人的失敗率為20% - 30%，其后果是產(chǎn)生神經(jīng)根、脊髓、血管損傷，將給病人帶來(lái)極大的痛苦。 
         計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)對(duì)二維醫(yī)學(xué)圖像的重建和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使手術(shù)區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)與手術(shù)器械在手術(shù)區(qū)域的空間位置相匹配并顯示在屏幕上，醫(yī)生可多平面直觀地 觀察手術(shù)操作過(guò)程，再加上輔助定位和操作的機(jī)器人的引入，不僅提高了手術(shù)精度， 而且提高了手術(shù)安全性。而旦，在傳統(tǒng)手術(shù)中，為了獲得滿意的手術(shù)效果，往往大量
依靠術(shù)中X線透視，而過(guò)多的輻射不利于人體健康。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航手術(shù)通過(guò)虛擬成像和 多坐標(biāo)系間的配準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)定術(shù)中示蹤器相對(duì)位置的改變，及時(shí)連續(xù)地在屏幕上顯示手術(shù)器械所處的部位和方向，極大地減少了患者和手術(shù)室工作人員的X線輻射，從而 保護(hù)了患者和醫(yī)護(hù)人員。由于在術(shù)中無(wú)須再次透視，也縮短了手術(shù)時(shí)間。

         四、關(guān)節(jié)外科

         關(guān)節(jié)置換手術(shù)是關(guān)節(jié)外科中的一種常見(jiàn)手術(shù)，在傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，醫(yī)生根 據(jù)患者術(shù)前的X線片，判斷患肢力線，在術(shù)中憑借經(jīng)驗(yàn)放置、切割、處理模塊及候 體。而由于骨骼變形等因素的影響，可能導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)植入的位置出現(xiàn)錯(cuò)位，出現(xiàn)這 種情況的概率為2% - 6%，手術(shù)失敗后再重新植入的失敗率會(huì)更高。而假體安放位置 不妥、下肢力線不準(zhǔn)確及軟組織失衡等會(huì)導(dǎo)致置換關(guān)節(jié)處的疼痛及假體的早期松動(dòng)， 從而大大影響手術(shù)效果。
          在關(guān)節(jié)置換手術(shù)中引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)關(guān)節(jié)截骨的位囂、假體大小、接人方向及位置等術(shù)前手術(shù)計(jì)劃做出客觀的指導(dǎo)，在手術(shù)中引入光電導(dǎo)航等跟蹤設(shè)備對(duì)手術(shù)過(guò)程 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，指導(dǎo)醫(yī)生準(zhǔn)確地進(jìn)行每一項(xiàng)手水操作，不僅可以減少出現(xiàn)關(guān)節(jié)假體植 入位置不正的概率，同時(shí)也可使假體安放精確地符合肢體力線，增加運(yùn)動(dòng)范圍的“安全性”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助可使安放的人工全髖關(guān)節(jié)的外展角和前傾角誤差控制在- lº - 1º，且導(dǎo)航系統(tǒng)可使人工膝關(guān)節(jié)置換的假體優(yōu)良率從傳統(tǒng)的15%提升到33%。 另外手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)還可以幫助外科醫(yī)生檢驗(yàn)體內(nèi)關(guān)節(jié)和植入關(guān)節(jié)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情 況，以判斷手術(shù)的效果。 另外，在關(guān)節(jié)置抉手術(shù)中，骨骼開(kāi)口的位置、方向和大小十分重要。
         在傳統(tǒng)手術(shù)中開(kāi)口全憑醫(yī)生的“感覺(jué)”，無(wú)法精確控制開(kāi)口的大小，這經(jīng)常導(dǎo)致手術(shù)后聯(lián)結(jié)處骨質(zhì)愈合不理想，術(shù)后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)不能受力。而引入機(jī)器人技術(shù)以后，利用對(duì)術(shù)前CT圖像的三維重建來(lái)精確構(gòu)造骨骼的三維模型，再利用機(jī)器人動(dòng)作精度高、可控性 強(qiáng)的特點(diǎn)，由機(jī)器人在醫(yī)生的監(jiān)控下“主動(dòng)”地完成對(duì)骨骼地切削，可以大大提高開(kāi)口操作的精度，使切削縫隙從傳統(tǒng)的l - 4mm減小到0.05mm以下，手術(shù)效果穩(wěn)定性也大大提高。

         五、泌尿外科

         腹腔鏡手術(shù)應(yīng)用于泌尿外科已有悠久的歷史，并逐漸成為一種主流的手術(shù)方式。 先進(jìn)的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在21世紀(jì)初被引入泌尿外科領(lǐng)域，幾年時(shí)間得到了長(zhǎng)足發(fā)展， 在腹腔鏡手術(shù)時(shí)難度較大的小管道的吻合成為可能。

         ③節(jié)省人力。手術(shù)只要一人操作，可以坐位進(jìn)行，大大降低r勞 動(dòng)強(qiáng)度，適合復(fù)雜的和長(zhǎng)叫間的手術(shù)。

         ④可遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)醫(yī)生可能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)支持操 控其他地區(qū)的機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)。

         六、眼外科
         眼睛是人類(lèi)重要的感覺(jué)器官，也是極其精密的器官之一，自徑20mm左右的眼球，其生理結(jié)構(gòu)和功能都相當(dāng)復(fù)雜。因此眼科手術(shù)對(duì)操作精度的要求是極其嚴(yán)格的。 以視網(wǎng)膜修復(fù)手術(shù)為例，該手術(shù)要求能將激光瞄準(zhǔn)到距目標(biāo)25μm的范圍之內(nèi)，以避免 損傷視網(wǎng)膜血管。而一旦視網(wǎng)膜血管被損傷，將導(dǎo)致視網(wǎng)膜的血腫甚至失明。但僅憑借醫(yī)生雙手操作，將很難可靠地將手術(shù)機(jī)械瞄準(zhǔn)到距目標(biāo)100μm范吲內(nèi)，并且當(dāng)醫(yī)生 疲勞的時(shí)候，無(wú)意識(shí)的顫抖會(huì)讓操作精度進(jìn)一步降低。不僅如此，眼球本身還是一個(gè) 運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，它生理運(yùn)動(dòng)的迷度高達(dá)200Hz。
         以上種種因素導(dǎo)致常規(guī)手術(shù)方式不能提供足夠的手術(shù)精度，而這些要求對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)卻是完全可以勝任的。當(dāng)把計(jì)算機(jī)和 機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到達(dá)種手術(shù)中后，眼球本身的運(yùn)動(dòng)可以被迫蹤，這樣聯(lián)生看來(lái)眼球會(huì) 是靜止不動(dòng)的；另外，醫(yī)生的顫抖可以被過(guò)濾掉。這樣系統(tǒng)可以達(dá)到10μm的操作精度，這是徒手操作精度的10倍。

         七、其他外科

         在顱面外科手術(shù)中，基于CT圖像和解剖模型進(jìn)行骨骼的優(yōu)放置在臨床上得到了驗(yàn)證。使用三維定位器在矯形手術(shù)中，用于顎骨節(jié)的重定位也有過(guò)報(bào)道。在心臟外科手術(shù)中，日前在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上利用手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)的嘗試。另外，利用超聲成像和三維定位器實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助一￡包手術(shù)的原型樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。在牙科手術(shù)中，使用CT圖像用于準(zhǔn)確植入牙齒的病例有過(guò)報(bào)道，而且還發(fā)展了用于自動(dòng)控制口腔內(nèi)放射治療 的系統(tǒng)，至于用于義齒加工的各種CAD/CAM系統(tǒng)的應(yīng)用則更為普遍。 放射予術(shù)是腫瘤治療中的一種常見(jiàn)手段。
         放射手術(shù)的重點(diǎn)在于精確的定位腫瘤，以便將輻射劑量集中在腫瘤上，并將對(duì)周?chē)＝M織的傷害減到小。將機(jī)器人引入 放射手術(shù)可以實(shí)現(xiàn)圖像引導(dǎo)下的精確放射治療。手術(shù)中，利用實(shí)時(shí)的X線圖像確定腫痛的位置，然后將該位置傳輸?shù)绞中g(shù)機(jī)器人，利用機(jī)器人調(diào)整直線加速器的位置，使 其對(duì)準(zhǔn)腫瘤，這樣可以有效地提高放射治療的效果。