郭卫春　黄文俊　汪光晔l.武汉大学人民医院骨科，湖北武汉　430060；.安徽省芜湖市第二人民医院骨科，安徽芜湖　4000

计算机辅助导航技术在骨科中的应用进展

郭卫春1黄文俊1汪光晔2
l.武汉大学人民医院骨科，湖北武汉430060；2.安徽省芜湖市第二人民医院骨科，安徽芜湖241000

随着信息科学和生命科学发展，计算机辅助外科手术技术为外科技术的发展开辟了一个崭新的领域。计算机辅助外科手术技术是利用现代数字影像技术如CT、MRI、PET所得到图像数据，通过计算机处理和分析，模拟手术操作，同时结合空间定位导航系统，实现术中实时三维可视定位，从而进行手术导航（3D Navigation），使外科手术更趋于精确和微创。特别是近几年来导航在骨科中的应用，在导航下开展创伤、脊柱、关节已成为近期热点，其特点是定位精确，提高了手术的精确性，减少了手术时间及X线的照射量，降低了手术并发症。本文从导航的发展、系统组成 、临床应用、存在的问题等方面进行综述，并对其发展趋势提出展望。

计算机导航；骨科；临床应用

随着计算机及图像技术的迅猛发展，计算机辅助导航系统（computer assisted navigation system，CANS）应运而生，并成为现代外科技术的重要组成部分。由于在手术过程中能示踪手术工具等，帮助术者更精确、更安全地进行多种复杂手术，计算机辅助导航系统已经在骨科各个方面具有许多不可替代的优越性。因其精确性、安全性、低辐射等特点使其在临床实践中逐渐得到广泛应用。

1　导航在医学的发展历程

100年前，由神经外科医生Clarke发明了体外瞄准系统。1986年美国Roberts首先神经外科领域使用导航系统。20世纪90年代，美国医师Steinmann等将计算机辅助手术导航系统用于脊柱外科，这被认为是脊柱外科发展的里程碑。1992年著名的神经外科医生Kevein Foley将StealthStation导航系统成功用于脊柱外科。1993年Saragaglia小组开始研发的膝关节手术导航系统，4年后成功用于临床膝关节置换术。1995年，来自瑞士伯尔尼大学的NoIte应用计算机辅助微创导航手术系统实施了世界第1例腰椎椎弓钉内固定手术。1998年开始，计算机导航下进行的人工全膝关节置换术被欧美广泛使用；2001年，德国OrthoPilot膝关节置换计算机导航系统得到了FDA认证；2004年，美国将导航系统大规模用于医学，从此该技术广泛应用于欧美等发达国家。计算机辅助导航系统对人工关节置换的精确性有了极大的提高。此外，计算机辅助导航在人工髋关节、人工肘关节等其他关节的置换术也有了进一步的发展。

2　导航的原理

计算机辅助手术导航系统是医学影像学技术与计算机的完美结合。通过影像学资料在显示器上虚拟成形，显示手术器械和手术部位的解剖关系，辅助术者准确完成手术预案及操作。计算机辅助手术导航系统是在术前对患者进行C臂影像、CT、MRI等影像学扫描，得到患者影像学信息，经过CD-R光盘、网络等媒介输入到计算机，通过运算重建出得到三维模型影像，术者即可在相应的操作系统上进行术前预案并模仿手术过程。术中系统的红外线摄像头通过反射弧可以动态观察手术器械对应的患者解剖结构的位置，将信息以三维的方式显示在显示屏上，可动态地从轴位、矢状位、冠状位等解剖位置观察术路径深度及相应的角度，避开危险区域，短时间内到达患处，缩短手术时间，减少出血量、手术伤口及并发症，达成微创手术。3导航的组成及分类

计算机辅助手术导航系统构成有以下4部分：①手术导航工具：通过发射或反射光信号，从而确定手术工具的位置；②位置跟踪仪：用于接收光电信号，从而监测及追踪手术器械的位置；③导航系统显示屏：术中实时反映手术器械的位置及患者的影响数据；④工作站：将虚拟坐标系与实际坐标系通过计算匹配。

计算机辅助手术导航系统分类方式多种多样。其分类方式多种多样，按照信号传导介质，分为光学定位、磁场定位、声波定位、机械定位；按照获取影像的建立，分为基于CT的导航系统、基于X线透视的导航系统（分为二维导航和三维导航）、基于MRI的导航系统、完全开放式导航系统 （非影像依赖导航系统）；按照与人的交互方式，分为主动式导航系统、半主动式导航系统、被动式导航系统。

4　计算机辅助导航技术在骨科的临床应用

随着近年来导航技术引入骨科，导航技术几乎运用到了骨科的各个领域。在脊柱外科方面：在过去20年中，脊柱融合联合椎弓根技术在脊柱肿瘤、脊柱骨折、脊椎退变的治疗已经受到广泛的接受。由于脊柱及其邻近关键结构的复杂解剖，导航下椎弓根植入技术得到医学界的接受。传统的椎弓螺钉固定技术在C臂机透视下进行的，传统的影像只能提供二维定位，不能进行椎弓根钉的三维定位。20世纪90年代，美国医师Steinmann等最先将计算机辅助导航技术用于脊柱外科。临床实践已证实脊柱导航系统可以明显改进椎弓根螺钉置入的精确性和安全性。随着导航设备的不断改进以及医生操作的不断熟练，现已经扩展到包括颈椎和胸椎在内的整个脊柱，应用病种也从最早的脊柱骨折扩展到脊柱退行性疾病、畸形、肿瘤等，从原先的标准后路手术扩展到前路等各个方面。Houten等［1］通过对比传统透视与O臂导航两种方式下进行腰椎经皮螺钉手术，结果显示椎弓根的穿孔率分别为O臂导航组3%、传统透视组12%。Vande Kdft等［2］评估在O臂导航下腰椎或骶椎置入1740根椎弓根螺钉，结果显示置钉准确率为97%。Rivkin等［3］回顾性研究270例患者（1438根椎弓根螺钉），研究发现椎弓根置入钉的穿孔率为5.8%。在另一项回顾性研究中，Costa等［4］进行对导航与非导航下进行退变性腰椎滑脱比较，结果显示导航组手术时间明显缩短，导航组与非导航组手术时间分别为（92±31）min和（119±43）min，并且导航下进行椎弓根螺钉的置入时间明显缩短。

较之腰椎，胸椎的椎弓根更小，尤其是在T4～T6区域［5］。此外，椎弓根的内侧壁与脊髓之间的安全区域有限［6］。这些解剖学的差异特别在治疗复杂的脊柱侧弯时增加了很大的难度。Hicks等［7］研究关于脊柱侧弯手术椎弓根螺钉固定的难度，报道显示徒手技术椎弓根螺钉失误了高达15%。Larson等［8］分析导航下胸椎区域741根椎弓根螺钉的置入位置情况，结果显示儿童及成人的准确率分别为96.4%、98.2%。研究也显示导航下椎弓根的准确率明显高于徒手置钉技术。Kotani等［9］回顾性分析32例（416根椎弓根螺钉）脊柱侧弯患者，较之传统透视，术中运用3D导航下每颗螺钉置入的时间从（10.9±3.2）min减少到（5.4±1.1）min。此外，导航下钉子穿孔率较之传统透视的5.0%降到了3.0%。Rajasekaran等［10］进行了一项31例（242颗螺钉）胸椎骨折患者的随机临床研究，结果显示导航下每颗椎弓根螺钉置入时间较之徒手技术的（4.61± 1.05）min减少到（2.37±0.72）min。与此同时，导航下置钉的准确率较之徒手技术准确率由84%增加到了99.2%。Jeswani等［11］认为导航下胸椎椎弓根的置钉的准确率高达90%，即使在最小的椎弓根（平均直径 ≤3 mm）处也如此。

导航除了用于胸椎、腰椎手术外，导航近年来也广泛的用于颈椎手术中。Zou等［12］将ISO-C 3D导航系统运用于21例齿状突骨折前路空芯螺钉内固定术，术后随访中无骨折不愈合及其他并发症。Singh等［13］通过导航下进行C2椎弓根螺钉内固定术治疗不稳定的Hangman骨折。

在关节外科方面：近年来，计算机导航系统已经运用到许多关节手术，例如膝髋关节置换、前后交叉韧带重建以及其他关节的相关治疗。现已经有许多研究表明，计算机导航可以减少手术创伤，降低手术并发症，提高假体置入的准确度，很大程度上恢复关节功能。Krackow等［14］运用计算机导航在严重内翻畸形的膝关节置换中的胫骨内侧平台截骨，研究认为，使用计算机导航下胫骨内侧平台截骨可以作为一种内翻畸形膝关节置换手术操作技术，同时该研究也表明，计算机导航的辅助可以进行内侧约2 mm的截骨，可以纠正10°的畸形。de Steiger等［15］采取导航与非导航两种手术方式进行全膝关节置换术，研究结果显示导航下膝关节置换可以更精确地进行下肢力线的设计，截骨方式更精确。除此之外，在术后9年的随访中，导航下膝关节置换较非导航膝关节置换可明显降低因为假体松动而导致的翻修率。Suksathien等［16］进行关于计算机导航运用于全髋关节置换的临床研究，研究认为导航下髋臼杯的放置较徒手技术准确率更好，尤其在前倾角的调整更有优势。Suksathien等［17］进一步研究表明，计算机导航可以提高髋臼杯放置的精确性以及前倾角的准确性。EIHachmi等［18］指出计算机导航可以提高股骨假体放置的准确性。克氏针内固定是一种治疗肩锁关节RockwoodⅣ～Ⅵ型脱位的成熟的手术方式，Stübig等［19］通过研究发现，三维计算机导航可以提高肩锁关节脱位克氏针内固定的准确性。Suero等［20］研究认为，术中3D导航用于评估肩关节手术是可行的，术中通过3D肩关节成像可以提高肩关节手术的精确性。在肘关节行外固定支架固定期间需要反复的透视及钻孔，Egidy等［21］指出，导航下进行肘关节外固定支架固定精确度更高，可以明显减少钻孔的次数。

近年来随着全肘关节置换技术越来越多，但是术后无菌性假体的松动仍然是全肘关节手术失败的主要原因，尽管有许多的原因存在，但是假体位置不佳是一个重要的潜在因素［22］。McDonald等［23］进行体外尸体研究中，指出计算机导航技术可以改善全肘关节置换中肱骨假体置入的准确性，减少术后并发症，延长肘关节假体的寿命。

在关节镜方面：膝关节后叉韧带是保持膝关节稳定的重要结构。由于后叉韧带解剖位置特殊，损伤后如何精确的在关节镜下进行重建，这一直是外科医生所需要解决的难题。Julliard指出：目前未完全解决关节镜下后交叉韧带重建的所有问题，而且不断有新的问题被发现。熊健斌等［24］分别采用计算机辅助导航系统及传统关节镜定位胫骨隧道，结果提示导航技术可以辅助后交叉韧带重建手术中胫骨隧道的定位，具有隧道定位准确性高、辐射及手术污染机会减少等特点。王伟等［25］对35例前叉韧带损伤的患者均行计算机导航下关节镜重建前叉韧带术，研究结果得出计算机导航股骨、胫骨隧道位置定位精确，术后效果良好。Audenaert等［26］通过尸体研究证实了导航下关节镜治疗股髋综合征较非导航手术精确性更高。Tannenbaum等［27］研究计算机导航在髋关节镜手术中的应用，研究指出计算机导航辅助下髋关节镜可以提高治疗股髋综合征手术的精确性，但是需要更进一步的研究评估计算机导航是否可以改善临床效果。

在创伤方面：目前，计算机导航在骨折中的应用较其他部位少，原因主要包括四肢骨折相对其他部位较为复杂以及导航本身具有一定缺陷。Wong等［28］研究表明，在导航辅助下治疗骨盆及髋臼骨折可以精确地进行经皮螺钉内固定。手术治疗股骨骨折具有较高的愈合率，但残留的旋转不良和双下肢不等长仍然是严重的临床问题。Weil等［29］进行计算机导航下16例股骨骨折手术研究，其中14例髓内钉内固定、2例钢板内固定，术后与健侧的对比结果显示，计算机导航下进行股骨骨折内固定可以准确和精确地恢复股骨的长度和控制旋转。跟骨关节内骨折常常需要切开复位内固定术，术中传统C臂下透视不清楚。Franke等［30］利用术中三维导航成像辅助治疗跟骨关节内骨折，研究指出术中三维成像可以很精确地显示关节内骨折情况以及固定过程中螺钉的位置。此外，研究者认为，由于术中导航下可以更好地进行关节面重建，术后创伤性关节炎的可能性将减少［31］。

在肿瘤方面：较之脊柱、关节、创伤方面的运用，导航在肌肉骨骼肿瘤方面的运用不是很广泛。尽管如此，仍然有一些关于导航在骨科肿瘤方面鼓舞人心的报道。对于复杂区域（如骨盆、骶骨）肿瘤切除，手术一般很难彻底切除病灶。这将严重影响患者预后，从而导致肿瘤高的复发率［32-33］。Hüfner等［34］术中利用导航确定3例骶骨肿瘤患者的肿瘤边界。Krettek等［35］通过导航辅助下对2例骨盆肿瘤患者进行肿瘤切除。Young等［36］研究表明，计算机导航在肌肉骨骼肿瘤方面的运用可以准确地识别局部解剖以及肿瘤的范围。

至今为止，还没有一款专门为长骨与盆腔肿瘤的外科治疗的导航软件，而且国内外关于导航在骨科肿瘤方面的应用的报道也是采用的脊柱导航方面的软件［37］。

5　计算机辅助导航技术存在的问题

目前计算机导航已经运用到了骨科的各个方面，其有如下优点：①减少患者及医务人员的辐射暴露［38-39］；②增加了手术的安全性，减少手术的风险。

尽管计算机导航有很好的优势，但是其仍然存在着如下问题：①参考架要固定牢靠，术中一但松动或发生移动，需要重新注册。②术中患者体位的移动可以导致导航虚拟图像与解剖结构的差异，出现图像漂移现象。③导航工具的注册及数据采集过程复杂，术中需要额外5～7min。④术中参考架的固定，需要额外切口，增加患者的创伤。⑤导航技术的学习需要严格的训练，学习曲线长。⑥导航设备采购费用高，可能增加了患者的手术费用。

6　展望

目前，计算机辅助导航技术已经应用到了创伤、关节、脊柱等方面的手术，与传统技术相比，其具有更高的精度以及安全性。虽然当今计算机辅助导航技术在骨科许多手术方面运用，但是其运用范围不是很广。就国内而言，仅仅是少数医院拥有计算机导航的相关设备。尽管如此，随着外科医生对计算机辅助导航技术的进一步了解及熟悉，计算机辅助导航技术应用前景将越来越广。

综上所述，计算机辅助导航系统已经使骨科手术迅速、安全、准确。随着计算机和电脑图像处理系统的发展，该技术将会辅助医生完成更多骨科疑难与复杂手术。计算机辅助导航技术的发展必将日益高科技化，应用领域也将多样化。

［1］Houten JK，Nasser R，Baxi N.Clinical assessment of percutaneous lumbar pedicle screw placement using the O-arm multidimensional surgical imaging system［J］.Neurosurgery，2012，70（4）：990-995.

［2］Van de Kelft E，Costa F，Van der Planken D，et al.A prospective multicenter registry on the accuracy of pedicle screw placement in the thoracic，lumbar，and sacral levels with the use of the O-arm imaging system and Stealth Station Navigation［J］.Spine（PhilaPa1976），2012，37（25）：E1580-E1587.

［3］Rivkin MA，Yocom SS.Thoracolumbar instrumentation with CT-guided navigation（O-arm）in 270 consecutive patients：accuracy ratesand lessons learned［J］.Neurosurgical Focus，2014，36（3）：E7.

［4］Costa F，PorazziE，Restelli U，et al.Economic study：a costeffectiveness analysis of an intraoperative compared with a preoperative image-guided systemin lumbar pedicle screw fixation in patients with degenerative spondylolisthesis［J］.The Spine Journal，2014，14（8）：1790-1796.

［5］O'Brien MF，Lenke LG，Mardjetko S，etal.Pedicle morphology in thoracic adolescent idiopathic scoliosis，is pedicle fixation an anatomically viable technique？［J］.Spine，2000，25（18）：2285-2293.

［6］Lien SB，Liou NH，Wu SS.Analysis of anatomic morphometry of the pedicles and the safe zone for through-pedicle procedures in the thoracic and lumbar spine［J］.Eur Spine J，2007，16（8）：1215-1222.

［7］Hicks JM，Singla A，Shen FH，et al.Complications of pedicle screw fixation in scoliosis surgery，a systematic review［J］. Spine，2010，35（11）：E465-E470.

［8］Larson AN，Santos ER，Polly DW，et al.Pediatric pedicle screw placement using intraoperative computed tomography and 3-dimensional image-guided navigation［J］. Spine，2012，37（3）：E188-E194.

［9］Kotani T，Akazawa T，Sakuma T，et al.Accuracy of pedicle screw placement in scoliosis surgery：a comparison between conventional computed tomography-based and O-arm-based navigation techniques［J］.Asian Spine J，2014，8（3）：331-338.

［10］Rajasekaran S，Vidyadhara S，Ramesh P，et al.Randomized clinical study to compare the accuracy of navigated and non-navigated thoracic pedicle screws in deformity correction surgeries［J］.Spine，2007，32（2）：E56-E64.

［11］Jeswani S，Drazin D，Hsieh JC，et al.Instrumenting the small thoracic pedicle：the role of intraoperative computed tomography image-guided surgery［J］.Neurosurgical Focus，2014，36（3）：E6.

［12］Zou D，Zhang K，Ren Y，et al.Three-dimensional image navigation system-assisted anterior cervical screw fixation for treatment of acute odontoid fracture［J］.Int J Clin Exp Med，2014，7（11）：4332-4336.

［13］Singh PK，Garg K，Sawarkar D，et al.Computed tomography-guided C2 pedicle screw placement for treatment of unstable hangman fractures［J］.Spine（Phila Pa 1976），2014，39（18）：E1058-E1065.

［14］Krackow KA，Raju S，Puttaswamy MK.Medial Over-resection of the tibia in total knee arthroplasty for varus deformity using computer navigation［J］.JArthroplasty，2015，30（5）：766-769.

［15］de Steiger RN，Liu YL，Graves SE.Computer navigation for total knee arthroplasty reduces revision rate for patients less than sixty-five years of age［J］.J Bone Joint Surg Am，2015，97（8）：635-642.

［16］Suksathien Y，Suksathien R，Chaiwirattana P.Acetabular cup placement in navigated and non-navigated total hip arthroplasty（THA）：results of two consecutive series using a cementless short stem［J］.JMed Assoc Thai，2014，97（6）：629-634.

［17］Suksathien Y，Suksathien R，Chaiwirattana P.Accuracy of acetabular cup placement in navigated THA with modified registration technique in semilateral decubitus position［J］.J Med Assoc Thai，2014，97（10）：1089-1095.

［18］EI Hachmi M，Penasse M.Our midterm results of the Birmingham hip resurfacing with and without navigation［J］.J Arthroplasty，2014，29（4）：808-812.

［19］Stübig T，J ahnisch T，Petri M，et al.Navigated versus conventional transfixation of AC joint injuries：feasibility and accuracy［J］.Comput Aided Surg，2013，18（3-4）：68-75.

［20］Suero EM，Hawi N，Citak M，et al.Intraoperative imaging of the shoulder：a comparison of two-and three-dimensional imaging techniques［J］.Technol Health Care，2015，23（2）：171-177.

［21］Egidy CC，Fufa D，Kendoff D，et al.Hinged external fixator placement at the elbow：navigated versus conventional technique［J］.Comput Aided Surg，2012，17（6）：294-299.

［22］Brownhill JR，McDonald CP，Ferreira LM，etal.Kinematics and laxity of a linked total elbow arthroplasty following computer navigated implant positioning［J］.Comput Aided Surg，2012，17（5）：249-258.

［23］McDonald CP，Johnson JA，Peters TM，et al.Image-based navigation improves the positioning of the humeral component in total elbow arthroplasty［J］.J Shoulder Elbow Surg，2010，19（4）：533-543.

［24］熊健斌，赵劲民，沙轲，等.计算机导航技术在后交叉韧带重建胫骨隧道定位中的应用［J］.中国组织工程研究与临床康复，2011，15（17）：3139-3142.

［25］王伟，彭昊.红外线计算机导航辅助关节镜下前十字韧带重建中骨隧道定位的准确性研究［J］.中华骨科杂志，2015，35（1）：55-61.

［26］Audenaert E，Smet B，Pattyn C，et al.Imageless versus image-based registration in navigated arthroscopy of the hip：a cadaver-based assessment［J］.JBone Joint Surg Br，2012，94（5）：624-629.

［27］Tannenbaum EP，Ross JR，Bedi A.Pros，cons，and future possibilities for use of computer navigation in hip arthroscopy［J］.Sports Med Arthrosc，2014，22（4）：e33-e41.

［28］Wong JM，Bewsher S，Yew J，etal.Fluoroscopically assisted computer navigation enables accurate percutaneous screw placement for pelvic and acetabular fracture fixation［J］.Injury，2015，46（6）：1064-1068.

［29］Weil YA，Greenberg A，Khoury A，etal.Computerized navigation for length and rotation control in femoral fractures：a preliminary clinical study［J］.JOrthop Trauma，2014，28 （2）：e27-e33.

［30］Franke J，Wendl K，Suda AJ，et al.Intraoperative threedimensional imaging in the treatment of calcaneal fractures［J］.JBone Joint Surg Am，2014，96（9）：e72.

［31］刘金龙，迟志永.基于二维X线图像骨组织三维重建的研究进展［J］.北京生物医学工程，2015，34（4）：414-418.

［32］Fuchs B，Hoekzema N，Larson DR，et al.Osteosarcoma of the pelvis：outcome analysis of surgical treatment［J］.Clin Orthop Relat Res，2009，467（2）：510-518.

［33］Court C，Bosca L，Le Cesne A，et al.Surgical excision of bone sarcomas involving the sacroiliac joint［J］.Clin Orthop Relat Res，2006，451：189-194.

［34］Hüfner T，KfuriM，GalalskiM，et al.New indications for computer-assisted surgery tumor resection in the pelvis［J］. Clin Orthop Relat Res，2004，（426）：219-225.

［35］Krettek C，Geerling J，Bastian L，etal.Computer aided tumor resection in the pelvis［J］.Injury，2004，35（Suppl 1）：S-A79-83.

［36］Young PS，Bell SW，Mahendra A.The evolving role of computer-assisted navigation in musculoskeletal oncology［J］. Bone Joint J，2015，97-B（2）：258-264.

［37］So TY，Lam YL，Mak KL.Computer-assisted navigation in bone tumor surgery：seamless workflow model and evolution of technique［J］.Clin Orthop Relat Res，2010，468 （11）：2985-2991.

［38］Izadpanah K，Konrad G，Sudkamp NP，etal.Computer navigation in balloon kyphoplasty reduces the intraoperative radiation exposure［J］.Spine（Phila Pa 1976），2009，34 （12）：1325-1329.

［39］Sembrano JN，Yson SC，Polly DW，et al.Comparison of nonnavigated and 3-dimensional image-based computer navigated balloon kyphoplasty［J］.Orthopedics，2015，38 （1）：17-23.

Advances in computer-aided navigation technology in orthopedics

GUO Weichun1HUANG Wenjun1WANG Guangye2
l.Department of Orthopaedics，Renmin Hospital of Wuhan University，Hubei Province，Wuhan430060，China；2.Department of Orthopaedics，the Second People's Hospital of Wuhu，Anhui Province，Wuhu241000，China

With the development of information science and life sciences，computer-assisted surgery technologies has opened up a new field for the development of surgical techniques.Computer-assisted surgical techniques is the use of modern digital imaging techniques such as CT，MRI，PET image data obtained by computer processing and analysis，simulated surgical procedure，combined with the spatial positioning and navigation system，intraoperative real-time three-dimensional visual positioning to carry out surgical navigation（3D Navigation），so that surgery tends to be more accurate and minimally invasive.Especially in recent years navigation in orthopedic applications，the navigation carried out under trauma，spine，joint，has become a recent hot spot，which is characterized by precise positioning，improving the accuracy of surgery，reducing the exposure time and surgery complications.From the development of navigation，system composition，clinical application，existing problems and so on are summarized in this artical，and the trend of the development outlook is put forward.

Computer navigation；Orthopedics；Clinical application

R318

A

1673-7210（2016）01（c）-0055-05

2015-08-09本文编辑：任念）

卫生部医药卫生科技发展研究中心课题（W2014ZT165）；安徽省芜湖市科技计划项目（2014zd16）。

汪光晔（1971.2-），男，博士，主任医师，副教授；研究方向：脊柱外科。