骨科手术中的计算机
导航技术
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骨科手术中的计算机导航技术....................................................................................1
1 课题简介..................................................................................................................3 2 选择的数据库 ..........................................................................................................3
2.1 中文数据库 ...........................................................................................................................................3 2.2 外文数据库 ...........................................................................................................................................3 2.3 网络信息资源.......................................................................................................................................4
3 检索策略与检索结果 .............................................................................................4
3.1 中文数据库 ........................................................................................................................................4 3.1.1 维普数据库 ..................................................................................................................................4 3.1.2 万方数据库 ..................................................................................................................................5 3.1.2.1 学位论文 .............................................................................................................................6 3.1.2.2 期刊 ......................................................................................................................................7 3.1.2.3 会议 ......................................................................................................................................8 3.1.2.4 专利 ......................................................................................................................................9 3.1.3 中国知网 ......................................................................................................................................9 3.2 外文数据库 ........................................................................................................................................11 3.2.1 SPRINGERLINK ..........................................................................................................................11 3.2.2 SCIENCEDIRECK ........................................................................................................................12 3.2.3 PQDT ............................................................................................................................................13 3.2.4 欧洲知识产权 ..........................................................................................................................13 3.3 网络信息资源....................................................................................................................................13
4 课题综述 ..............................................................................................................14
4.1 前言 .....................................................................................................................................................14 4.2 正文 .....................................................................................................................................................15 4.2.1 发展简史 ...................................................................................................................................15 4.2.2 工作原理 ...................................................................................................................................16 4.2.3 组成及分类 ...............................................................................................................................16 4.2.3.1 组成 ...................................................................................................................................16 4.2.3.2 分类 ....................................................................................................................................17 4.2.4 应用 ............................................................................................................................................18 4.2.5 存在的问题 ................................................................................................................................20 4.2.6 发展方向......................................................................................................................................21 4.3 结语 .....................................................................................................................................................21 4.4 参考文献 ............................................................................................................................................22
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1 课题简介
在传统的骨外科手术中，医生主要凭借经验来进行手术路径的规划及相应操作。但是，即使是非常有经验的骨科医生, 用传统方法进行较精确定位的手术, 也有出现偏差的可能性。所以就迫切的需要一种精确的技术，使手术器械的位置在术中通过影像实时显示，从而来简化手术操作，缩短手术时间，减少手术创伤，减弱术中放射线的照射，使骨科手术变得更安全、更准确、更微创。本论文就是来具体了解一下骨科手术中的计算机导航技术，以及它的应用及发展。
2 选择的数据库
2.1 中文数据库
1) 维普数据库 2) 万方数据库 3) 中国知网
2.2 外文数据库
1) SPRINGERLINK 2) SCIENCEDIRECK 3) 欧洲知识产权局 4) PQDT
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2.3 网络信息资源
3 检索策略与检索结果
3.1 中文数据库
3.1.1 维普数据库 检索式：
检索结果，共检索到9篇，其中4篇和课题相关 课题综述中用到了如下文献： 1）
题名：计算机导航在骨科手术中的应用
机构地区：上海第二医科大学附属第九人民医院骨科,上海市 作者：孙月华 俞超 李华 张蒲 朱振安 戴克戎
出处：《中华创伤骨科杂志》 2005年第7卷第7期 610-613页,共4页
文摘：目的将计算机导航技术应用于骨科手术，并对其进行初步分析方法2004年2～12月，计算机导航系统辅助下共行134枚椎弓根螺钉固定，51枚股骨颈骨折空心钉内固定，58枚交锁髓内钉远端交锁螺钉固定。结果所有病例全部在导航下完成手术，术中明显减少C型臂X线机透视次数，未发生血管和神经
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损伤并发症。结论计算机导航手术安全有效，更有利于做创手术的开展。 2）
题名：计算机导航在骨科手术中的应用与进展 作者：刘巍 尹芸生
机构地区：山西医科大学第二医院骨科,山西太原
出处：《实用骨科杂志》 2005年第11卷第5期 432-435页,共4页 文摘： 计算机辅助骨科手术（Computer aisted orthopedics surgery,CAOS）即利用各种影像设备如CT、MRI、PET、DSA、US等结合导航系统,对人体骨骼解剖结构及手术器械进行显示和定位,通过计算机制订手术计划,在术中进行操作干预的一项技术.最早应用于神经外科领域的立体定位,肿瘤切除化疗等.其最大的优势是：简化了手术操作,缩短了手术时间,减少了手术创伤,减弱了术中放射线的照射,使骨科手术变得更安全、更准确、更微创。
3.1.2 万方数据库 检索式：
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检索结果，共检索到24篇，其中10篇和课题相关 课题综述中用到了如下文献： 3.1.2.1 学位论文
题名：计算机辅助骨科手术导航系统的研究 作者：戚春燕
学科专业： 生物医学工程 授予学位： 硕士 学位授予单位： 东南大学 导师姓名： 鲍旭东 罗立民 学位年度： 2008 文摘：计算机辅助手术导航系统用导航图像指导手术,在临床获得了广泛的应用,在骨科手术中主要应用于脊柱外科、关节外科和创伤外科等。根据导航图像建立的基础及空间配准方法的不同,骨科手术导航系统可以分为无影像导航系统、基于CT图像的
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导航系统、基于二维透视图像的导航系统和基于模态的导航系统。手术导航系统的关键技术主要涉及术前医学图像处理、术中空间定位及配准等几个方面。本文研究了现有的骨科手术导航系统,提出了利用激光扫描数据的表面配准技术,实现基于CT图像的骨科手术导航。论文通过人机交互确定配准初值,使用重采样的激光扫描数据进行粗略配准,并采用基于距离和曲率的错配点排除策略,达到了较高的配准精度。 3.1.2.2 期刊 1）
题名：计算机辅助导航系统在骨科手术中的临床应用 作者： 王伟 吕龙
作者单位： 内蒙古自治区医院骨科,内蒙古,呼和浩特,010017 期 刊： 内蒙古医学杂志 年，卷(期)： 2007, 39(7) 文摘：计算机辅助导航手术系统将空间立体导航技术、计算机图像处理及可视化技术与临床手术结合起来,使手术器械的位置在术中通过影像实时显示,从而确保手术的安全.因精确性、安全性及快速性的特点使其在临床逐渐得到广泛应用,在脊柱、关节外科、创伤外科等方面也充分发挥了重要作用。随着科技的发展,计算机辅助导航系统将发挥更大的作用。 2）
题名：计算机辅助骨科导航技术面临的主要问题
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作者： 肖德明
作者单位： 518020,广东省深圳市,暨南大学第二临床医学院,深圳市人民医院
期 刊： 中华创伤骨科杂志 ISTIC 年，卷(期)： 2005, 7(7) 文摘：计算机辅助骨科导航技术近年来发展迅速,现已几乎涉及骨科所有领域,并取得初步成果。但由于此项技术的研发及应用尚处于起步阶段,目前面临以下主要问题:①无统一的技术标准,包括设备技术标准、手术操作规范和评价标准;②临床应用中尚存不少问题 ,如操作繁琐、手术时间延长以及易出现操作错误和错误信息反馈;③设备昂贵、技术尚待完善。了解其面临的问题有助于我们对这项技术的深入理解,并减少经济及临床应用上的风险,避免出现一拥而上的局面。 3.1.2.3 会议
题名：计算机辅助导航骨科手术及医用机器人技术在创伤骨科的应用 作者单位： 北京积水潭医院创伤骨科 母体文献： 2006年骨科新进展研讨会论文集 会议名称： 2006年骨科新进展研讨会 会议时间： 2006年1月14日 会议地点： 北京
主办单位： 中华医学会,北京医学会
文摘：本文介绍了计算机辅助导航骨科手术(computer
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aistedorthopaedics surgery CAOS)及医用机器人技术在创伤骨科应用中的主要进展、当前在临床应用中存在的主要问题和相关对策、并对其未来的发展趋势进行了预测。骨科医生要正确认识计算机辅助导航骨科手术及医用机器人技术，在充分了解CAOS的技术特点、基本原理、操作程序的基础上，对要实施的手术具有深刻的理解，才能开展CAOS手术。目前，迫切需要建立CAOS技术标准、临床适应症和手术操作规范，进行CAOS产品之间的技术比较和评估，便于医生选择合适的CAOS产品。伴随快速发展的信息技术，数字化手术室、智能化微创导航手术系统、医用机器人辅助的远程医疗将有可能威为未来CAOS技术的主要组成部分。
3.1.2.4 专利 检索式：
检索结果，共检索到0篇 3.1.3 中国知网 检索式：
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检索结果，共检索到8篇，其中7篇和课题相关 课题综述中用到了如下文献： 1）
题名：计算机辅助导航技术在骨科手术中的应用 作者：邱贵兴
作者单位：中国医学科学院协和医科大学北京协和医院骨科 出处：中华骨科杂志, Chinese Journal of Orthopaedics, 编辑部邮箱 2006年 10期
文摘：影像导航技术问世之前,骨科医生在术中,凭借人体的骨骼解剖特点、术前患者的影像学资料(X线片、CT、MRI)和术中的X线透视进行定位。但是,解剖变异或解剖标志的缺乏等往往会导致术中的定位偏差。因此,手术者的实践经验就非常重要。然而,即使是非常有经验的骨科医生,用传统方法进行较精确定位的手术,也有出现偏差的可能性。近年来,计算机辅助影像导航系统用于术前制定手术计划和术中导航,在手术过程中跟踪手术器械,帮助骨科医生更精确和更安全地进行多种复杂手术。因此,该技术有许多不可替代的优越性,已被越来越广泛地应用于骨科手术中。 2）
题名：计算机辅助手术系统对骨科植入物准确稳定置入的导航作用 作者：王胜林
作者单位：承德医学院附属医院CT科 河北省承德市
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出处：中国组织工程研究与临床康复, Journal of Clinical Rehabilitative Tiue Engineering Research, 编辑部邮箱 2008年 22期
文摘：检索Pubmed数据库和中国期刊全文数据库文献,总结计算机辅助手术导航系统的研究现状及最新进展。计算机辅助手术导航系统是经典立体定向、现代影像诊断、微创手术、电子计算机和人工智能技术结合的产物。其工作原理是利用数字化影像信息通过媒介体输入计算机工作站,经运算处理后重建三维模型影像,手术医生通过相关软件,在此影像基础上进行术前计划并模拟进程,通过高解像度的显示屏从各个方位观察到当前的手术入路以及各种参数,完成微创手术。计算机辅助手术导航系统一般由手术导航工具、位置跟踪仪、监视器、工作站4个部分组成;依据不同的分类标准,有不同的分类形式。导航技术在骨科的所有领域几乎均有应用。尤其在骨科植入物置入准确度和置入物稳定性方面具有更多的优势。但亦存在图像显示与实际操作不符及应用中有遮挡问题等。
3.2 外文数据库
3.2.1 SPRINGERLINK 检索式：
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检索结果，共检索到26篇，其中14篇和课题相关 课题综述中用到了如下文献： 1）
Title：电脑辅助骨科手术 Author(s)：Nobuhiko Sugano Source：骨科学手术 第8卷, 3号 (2003), 442-448, DOI: 10.1007/s10776-002-0623-6 Abstract：计算机辅助手术（CAS），利用机器人或图像引导技术，已经被引入各种骨科领域。导航和机器人系统是中科院最先进的部分，其功能和应用范围正在不断增加。手术导航是一个可视化系统，使有关的手术工具或植入器官能在计算机上显示出相对的位置信息。有三种类型的手术计划，涉及导航系统。一个是容积图像的使用，如电脑断层扫描，磁共振成像。另一种是利用术中透视图像。最后一种是利用动力学信息关节或骨骼形态的目标信息。
3.2.2 SCIENCEDIRECK 检索式：
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检索结果，共检索到0篇 3.2.3 PQDT 检索式：
检索结果，共检索到0篇 3.2.4 欧洲知识产权 检索式：
检索结果，共检索到 1篇 ，其中1篇和课题相关
3.3 网络信息资源
检索式：
检索结果，共检索到 127000篇 课题综述中用到了如下文献： 链接：
http://www.daodoc.com/ 标题：计算机辅助手术导航系统应用于骨科手术
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文章来源：慧聪网
主要内容：计算机辅助手术导航系统（CASNS）是三维定位系统，其原理基于全球卫星定位系统。预先扫描得到物体，通过计算机合成三维图像并建立虚拟坐标空间，手术过程中导航仪追踪带有定位器的手术器械在物体中的位置（实际坐标空间），将两个坐标空间匹配就可实时显示定位图像。CASNS由扫描CT、导航工作站和能够发射信号的手术器械组成。该技术最早应用于颅脑外科，1993年Steinmann等将其用于脊柱外科，此后逐渐发展。
4 课题综述
4.1 前言
计算机导航技术问世之前, 骨科医生在术中, 凭借人体的骨骼解剖特点、术前患者的影像学资料和术中的X 线透视进行定位。但是,比较容易导致术中的定位偏差。因此, 手术者的实践经验就非常重要。然而,对于人体这样各种组织精密配合的整体，一些复杂的高难度手术，即使是技术娴熟、经验十分丰富的医生，用传统方法也难以在手术过程中完全确定手术器械的精确位置。临床和实验研究已经显示, 用传统定位方法行腰椎椎弓根钉植入的失误率为20%～30%。然而, 如果使用计算机导航技术, 椎弓根钉植入的失误率只有0～4%[1]。近年来,计算机辅助影像导航系统用于术前制定手术计划和术中导航, 在手术过程中跟踪手术器械, 帮助骨科医生更精确和更安
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全地进行多种复杂手术。因此, 该技术有许多不可替代的优越性, 已被越来越广泛地应用于骨科手术中。
4.2 正文
4.2.1 发展简史
1986 年Roberts 首次报告使用声波数字化仪跟踪手术器械或显微镜的方法, 从而开创了无框架立体定向神经外科。
1991 年日本的Wanatabe 和美国的Pell 相继发明了遥控机械臂定位系统, 可以不受瞄准线约束。但因其体积过大, 使医生的操作受限。
1992 年, 使用红外线跟踪技术的影像导航系统在美国开始应用于临床。这是世界上首台光学手术导航系统, 由于其精度较高, 所以成为目前市场上的主流产品。
1995 年, Gunkel 推出了电磁感应型导航系统,但由于手术室各种金属器械及仪器都会影响电磁场, 从而影响其精度, 所以未能很好推广。
1999 年首台完全针对骨科的手术导航系统进入市场。 应用术前的CT 和MR 扫描数据进行骨结构的三维重建, 在术前进行手术方案设计,并在术中对正常或病变结构进行精确定位,以协助医生安全、精确地完成手术[1]。
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4.2.2 工作原理
1.利用数字化扫描技术，得到病人术前影像信息，通过各种传输媒介输输入工作站。
2.工作站经过计算处理，得到医生所需的影像信息，如由CT或删图像重建出的三维模型。手术医生通过工作站，在此影像信息基础上进行术前计划，并模拟手术进程。
3.在实际手术过程中，统一术前影像信息坐标系与手术场景坐标系。 4.通过空间定位技术动态追踪手术器械相对病人解剖结构的当前位置。井明确显示在病人的二维或三维影像资料上，手术医生通过显示屏，观察当前手术入路以及角度，深度的参数，从而最大限度地避开危险区，在最短时间到达靶点病灶，完成手术。 4.2.3 组成及分类 4.2.3.1 组成
计算机辅助导航系统一般分为4个部分[2]：
1.手术导航工具：眉定在手术工具上，可被位置跟踪工具感知的标记物，用于发射或反射光信号以确定手术工具的位置。 2.位置跟踪工具：通过接收手术导航工具的信号，监视手术器械的位置。
3.监视器：反映手术器械的位置和患者的影像资料[3]。
4.工作站：显示手术部位图像，将虚拟坐标系统与实际坐标系通过
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计算匹配．反映手术器械的位置和患者的影像资料。
4.2.3.2 分类
计算机辅助手术导航系统大致上可以分为以下四个主要的类型： 1.基于CT图像的骨科手术导航系统：CT依赖的导航系统最早应用于神经外科，目前在骨科应用比较广泛，最早应用于脊柱椎弓根螺钉固定系统[4]。
2.基于二维透视图像的骨科导航系统：二维X线依赖的导航C臂现在已经成为骨科手术的基本设备，其最大的特点是实时迅速的显像，无须术前模拟。
3.基于CT图像和激光扫描配准的骨科导航系统：与无影像的和基于二维透视图像的骨科导航系统相比，基于CT数据的导航方法有其不可忽视的优势。它不仅适合微创手术的要求，而且提供病个体的三维组织信息。
4.无影像的骨科导航系统：无影像的导航系统适用于解剖结构暴露充分的手术，典型的是全膝关节置换术。该系统采用非影像定位跟踪技术，手术中以模拟标本的立体几何图像进行导航[4]。
以上四种类型的导航系统都有着各自的优劣。其中基于CT数据 的骨科导航系统为手术医生提供三维的骨组织作为导航图像，在临床上积累了一些成功的案例，但是空间配准方案操作复杂、精度不高。为此，提出在骨科手术导航中使用基于激光扫描的表面与CT模型的
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配准来实现空间配准，并对基于CT图像和激光扫描配准的骨科导航系统提出了基本构建。 4.2.4 应用 1.脊柱外科
在脊柱外科应用最广泛，而且发展最快，1994年正式用于临床[5] 。最常用的导航是：
1) 依赖CT的导航。如椎弓根螺钉的置入，术前通过CT对手术部位脊柱进行三维重建，在脊柱上确定3～6个术中可分辨的标记点。术中通过带有动态参考系统的操作器械进行点对点匹配。当二者完全匹配时再钻孔置入螺钉[6]。由于CT良好的三维图像，最常用于颈椎和胸椎上段。
2) 依赖X线的导航。术中通过X线获得图像，然后通过计算机工作中心设计引导下置入椎弓根螺钉。不需要术前模拟，而且术中图像可以更新，但是无法得到良好的三维图像，所以更广泛应用于腰椎和下胸椎[7]。 2.微创骨科
随着微创的要求变高和X线的局限性，计算机导航在创伤骨科的应用将更加广泛，主要集中在骨盆骨折和长骨骨折[8]。骨盆骨折有些位置比较深而且移位比较小，X片不容易发现，而且手术入路比较困难，很难达到坚强固定。用CT依赖的导航则变的简单方便，将参考架固定于病人骨折肢体表面，术前进行CT扫描，手术摸拟人路
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位置术中导航仪帮助引导、配准，经皮即可到达理想部位，达到坚强准确固定骨折。 3.ACL的重建
膝关节交叉韧带的重建关键在于股骨远端和胫骨近端的两个移植交叉韧带骨孔位置的确定。通过术前模拟来确定合适的钻孔点位置和方向。术中进行图像配准来完成交叉韧带的重建，而且计算机辅助还可以确定交叉韧带合适的张力。这个系统特点是术中导航和图像重叠技术的融合，外科医生可以在术中清楚看到模拟的膝关节，准确确定交叉韧带的位置，在监控下完成钻孔，并通过模拟膝关节的运动确定交叉韧带的张力。 4.关节置换
包括髋关节置换和膝关节置换。髋关节置换的应用比较早。最主要的问题是确定假体的位置和轴线。术中通过导航系统指导医生在合适的位置安放假体。计算机辅助导航手术对于假体安放位置要优于传统手术，减少了全髋置换中由于位置不合适而造成的假体脱位。 5.肿瘤
如何能够精确切除靶区肿瘤组织，进行化疗和放疗，是医学界的一大难题。计算机导航在此方面优势明显。计算机辅助导航手术通过CT定位系统能对高度不规则肿瘤制订精确的三维立体显像，提供肿瘤实际形状，能严格区分肿瘤与周围的正常组织，以达到准确切除和得到最佳照射角度，使放射野避开重要组织器官，并使放射计划的剂量分布更为精确合理。不仅对放射治疗的计划设计和照射质量的提高
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有明显作用，而且将显著提高某些肿瘤的控制率和病人的生存率[9]。
除了上面提到的五个主要方面，计算机导航技术在骨科的所有领域几乎都有应用，比如骨科植入物方面、关节镜外科方面等等[10]。 4.2.5 存在的问题
虽然目前临床应用已经相当的广泛，但是由于技术以及设备上的不完善，在实际应用的时候还是存在不少问题的[11]。
1.导航系统应用中的遮挡问题：尽管每种导航技术不同，但都是由追踪系统来定位手术器械及手术对象的解剖位置。目前追踪系统主要采用光学系统操作，实际应用中若有任何遮挡就会出现问题，如助手及护士的遮挡、手术室其它强光源的影响等，因此常需重新确认定位，使手术时间大大延长。 2.
导航系统的图像显示与实际操作不同：导航系统的图像显示是基于坚硬物体原则，即假定手术器械是不可弯曲的。但实际操作中有许多纤细的手术器械如克氏针及钻头很容易弯曲。
3.术中需用示踪器标记手术对象的解剖位置：示踪器要牢固固定在骨性结构上并保持在整个手术过程中始终不变，如果术中移位（骨折块移位、骨质疏松等），则会发生定位错误。
实施计算机辅助导航手术需要很高的专业性，任何不正确的
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操作和经验不足就会导致时间的延长。不正确的导航信息会增加手术的风险，甚至导致手术失败[9]。因此，医生们必须深入理解导航系统的基本原理，熟悉所用导航系统的特点与不足，最大限度的降低对导航信息的误解，同时还必须具有丰富的临床经验，必要时传统手术加以灵活应对，这样才能保证手术的顺利进行。 4.2.6 发展方向
计算机辅助手术导航系统使骨科手术微创化成为现实。使骨科植入物的放置位置准确，术后稳定性增加，其发展方向主要表现为：
1.与现有的微创技术如各种腔镜的结合。 2.与新的影像技术融合。
3.用工作站同时获得CT、MRI、PET 等多种图像信息，充分发挥各种图像的优点，获得多种的图像的融合信息。 4.增加导航的灵活性和精度。
5.手术机器人的大量使用使术前虚拟手术和远程手术的开展成为普遍。微创外科作为有创手术和无创手术发展桥梁，骨科部分疾病诊疗可能在计算机辅助手术导航系统的帮助下进入极微创或无创[11][12]。
4.3 结语
计算机导航技术作为一门近年来才发展起来的新技术，现在正在以飞快的速度发展着，也被越来越多的骨科医生所熟悉和掌握，人们
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也在不断朝着新的未知领域探索者。
还有学者将其与计算机控制的自动机械臂联合使用来开发手术机器人，这将使得计算机导航系统不再是手术中的辅助角色，而是成为能够独立完成手术的机器人。
相信导航技术将在骨科领域内有更广泛和深入的应用, 在不久的未来会有革命性[13]的突破。
4.4 参考文献
[1] 邱贵兴.计算机辅助导航技术在骨科手术中的应用[J].中华骨科杂志, Chinese Journal of Orthopaedics, 编辑部邮箱 2006年 10期 [2] 杨述华，傅德浩.计算机辅助导航系统及其在骨科的应用[J].中国医疗器械，2007，13（2）：1-4 [3] 戚春燕.计算机辅助骨科手术导航系统的研究[D].生物医学工程,东南大学
[4] 王胜林.计算机辅助手术系统对骨科植入物准确稳定置入的导航作用[J].中国组织工程研究与临床康复, Journal of Clinical Rehabilitative Tiue Engineering Research, 编辑部邮箱 2008年 22期
[5] Schlenzka D．Laine T．Lund T．Computer—aistedspine surgery：principles，technique，resuhs and per—spectives[J]．Orthopade，2000，29：658—669．
[6] 孙月华,俞超,李华,张蒲,朱振安,戴克戎.计算机导航在骨科手术中的应用[J].《中华创伤骨科杂志》 2005年第7卷第7期 610-613页,共4页
[7]刘巍,尹芸生.计算机导航在骨科手术中的应用与进展[J].《实用骨科杂志》 2005年第11卷第5期 432-435页,共4页 [8] Ulr h Stockle．Christian Krettek．Clinical applica—tions—pelvisEJ]．Injury，2004，35：46—56． [9] 王伟,吕龙.计算机辅助导航系统在骨科手术中的临床应用[J].内蒙古医学杂志
年，卷(期)： 2007, 39(7) [10] Nobuhiko Sugano.Computer-aisted orthopedic surgery[J].Journal of Orthopaedic Science Volume 8, Number 3 (2003), 442-448, DOI: 10.1007/s10776-002-0623-6 [11] 肖德明.计算机辅助骨科导航技术面临的主要问题[J].中华创伤骨科杂志
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