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最新精准导航技术在创伤骨科中的应用与展望人体骨骼系统具有解剖形态复杂,毗邻重要神经、血管及其他器官的特点在损伤后,需要外科医师完成精准的复位和内固定操作,以恢复骨与关节的功能,同时避免医源性损伤因此,骨科手术对外科医师的经验、技术及手术设备的要求较高传统骨科手术中主要依靠术中X线透视进行定位来评估复位和内固定效果,并做出调整,以达到提高操作精确度的目的但在临床实践中,由于传统X线透视只能提供二维图像的固有局限性,手术操作的精确度仍主要取决于骨科医师对损伤部位解剖形态的了解和自身的手术经验因此,使用传统术中X线透视是改善创伤骨科患者手术预后和手术效果稳定性的瓶颈之一随着影像学技术和计算机技术在医学领域中的融合发展,术中成像和导航技术为解决这些问题提出了新的、更加可靠的方案导航这一概念最早可以追溯到1908年由Horsely和Clarke等描述的将颅骨外固定架作为坐标系以定位颅内病变的头卢页立体定位方法自20世纪90年代以来,计算机辅助下的术中导航技术在骨科手术中的使用逐渐普及,这主要归因于计算机技术、传感器技术和医学影像技术(如CT、MRI和超声技术)的发展,使术中评估骨骼和软组织更加容易和准确既往大量文献证实了新兴导航技术的使用可降低并发症风险并提高骨科手术的准确度和可重复性[121s然而,目前文献报道多集中在关节置换、脊柱外科和骨肿瘤活检及切除手术中导航技术的应用,而在患者异质性更高、病情相对复杂且治疗方案更加灵活多变的创伤骨科手术中应用的文献报道相对较少为此,我们结合既往文献介绍目前主流手术中导手术率[34I3对操作精确度要求高,如手术部位较深或毗邻重要器官等,或涉及关节面的骨折复位,仅凭术者经验和传统透视难以保证成功率,如齿状突骨折、骨盆骨折中舐器螺钉的置入和脊柱骨折后椎弓根螺钉的置入等[272829351我们注意到,近年来术中导航技术在脊柱外科和关节外科的应用中取得了长足进步,但在创伤骨科中使用相对较少这可能与如下几方面问题相关:1目前临床研究文献中报道的导航辅助手术技术主要集中在内固定的置入方面,而在骨折复位方面仍处在起步阶段,已有的文献主要聚焦于器械和软件系统的创新和验证现有的导航复位技术所实现的多为理想化、模型化的手术操作,但临床上骨折患者病情复杂多变,真正做到识别骨折和规划复位方案还需要机器学习、计算机仿真等软件方面的继续创新另外,除了要考虑恢复骨组织本身的完整性和连续性外,还需要考虑复位过程中对抗软组织的阻力和避免重要软组织损伤,但目前学界在对软组织进行准确识别和定位方面的技术还有较长的路要走对骨折块的控制是限制机器人复位技术走向临床应用的另一块短板,基于导针和穿刺的骨折块控制技术存在强度不足、易形变等现实问题2在内固定的置入方面关节置换、椎弓根螺钉置入等手术中,主动式导航系统已经开始展现出超过传统方式的精确度,在手术时间控制上能够达到高年资外科医师的水平但在面对现实中更加复杂病情时的适应性存疑面对情况复杂的患者,其背后未知的风险可能影响外科医师选择此类系统完成手术的意愿在这一方面被动或半主动导航系统在适应性上体现出了更好的优势,我们预期在短期内能见到更多的临床研究报告
(3)缺乏大规模多中心的临床试验数据用以明确术中导航技术在创伤骨科手术中的合适应用场景、使用导航过程中潜在的问题和医师适应新手术方案的学习曲线等问题考虑到创伤骨科患者受伤后多在当地接受治疗,而导航设备昂贵的价格是其普及和推广至基层医院的重要障碍,这在一定程度上限制了临床研究病例数量的积累,难以为技术创新提供大量数据支持因此,积极开展有关导航技术在创伤骨科中应用的大规模临床研究和促进实用导航设备的推广普及,将有利于医工结合研究的推进,促进导航技术的进一步发展需要说明的是本文中所提到的导航技术的适用条件是基于目前利用术中导航技术完成治疗的临床研究报告归纳总结提出的,本质上是导航技术在现阶段相对于传统手术技术的优势与所面对手术的特点相互匹配的结果未来随着导航设备的推广普及、功能升级和操作的简便化,当导航技术相对于传统方式体现出更多、更明显的优势时,其在不同类型的骨创伤疾病中的适用条件也可能逐渐扩展,甚至改变一些传统手术的标准方式而导航技术所带来的骨科手术的数字化、标准化和精准化趋势,除了具有改变术式和医疗指南的潜力,还可能引导骨科手术进入远程医疗和智能医疗的新时代参考文献
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一、术中导航技术原理骨科手术中的导航设备从原理上可分为无图像导航技术和基于X线或CT图像的图像导航技术[121非图像导航技术如红外光学跟踪技术等通过识别固定于手术区域内特定解剖标志的参照点的位置,并将位置参数与事先存储于系统中的术前或术中影像学资料合并分析,进而确定目标骨的形态方位,并可在手术过程中查看,实现实时定位和导航[11而在图像导航技术中,手术人员需在采集术中影像学图像前,将参考装置固定在患者手术区域的特定解剖标志处或其他合适的位置,随后将参考装置与患者手术部位一同进行单平面或多平面的X线透视或CT扫描通过软件系统将扫描数据转化为二维或三维图像信息,还可通过与导航仪器配套的软件系统显示术中图像,规划内固定或复位方案供术者参考近年来随着技术的进步,融合图像和非图像导航技术的术中导航设备已逐步用于临床实践,产生了术中采集图像和实时定位的一体化解决方案,使导航下手术操作更加直观、实用,有效促进了导航技术的临床转化而从辅助手术的方式来看,目前国内外使用的导航设备可大体分为三类1被动式导航设备仅为术者提供手术区域的影像学引导而不限制主刀医师的操作;2半主动式导航设备在获得术中影像学资料后,设备具有规划手术方案和theaccuracyofpediclescrewplacementintheapicalregionofdystrophicscoliosissecondarytoneurofibromatosistypeI:comparisonbetweenO-armnavigationandfree-handtechnique[J].EurSpineJ2016256:1729-
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(3)主动式导航设备亦称为手术机器人系统,在获得手术区域的影像时,可根据规划自动完成骨折复位和内固定置入等操作无论何种手术方式,导航技术的准确度均依赖手术操作过程中的参考设备、患者手术部位的形态和两者间相对位置的稳定操作过程中参考设备的位移或手术部位形态的改变均可影响导航信息的准确度
二、导航技术在创伤骨科手术中的应用现状在骨创伤疾病中,为提高复位和内固定的准确度,外科医师常需要充分暴露手术部位,在直视下复位以提高操作的方便性和准确度,但代价是术中出血量大、手术时间长、术后瘢痕挛缩影响美观及关节活动度、过多剥离软组织和碎骨块引起骨折不愈合等问题受到较大创伤时,高龄和有基础性疾病的骨折患者常无法承受复杂的复位内固定手术,而接受姑息性手术或保守治疗因此,在较小的手术创伤下,快速、精确地对手术部位完成定位和内固定置入是改善手术预后的关键无论基于上述何种技术原理术中应用导航技术可帮助外科医师快速明确手术区域骨折的具体情况,并在无需充分暴露手术部位的情况下完成定位、置钉方位确定和复位情况评估等操作骨盆骨折是文献报道中导航技术应用较多的场景之一此类患者尤其是骨盆后环骨折患者,多见于交通事故、高处坠落等高能量创伤后,在就诊时常伴有失血性休克、颅脑损伤和腹部损伤等合并症,一般情况较差,难以承受较大创伤的手术止的卜,骨盆还存在解剖形态变异率高、毗邻关系复杂、手术部位暴露和骨折复位困难等问题,因此手术难度较大,效果常不理想即使是相对较轻的骨盆骨折,当发生于一般情况较差的老年患者时往往只能选择卧床制动的保守治疗,而导航辅助下实现的小切口或微创内定方案减轻了手术创伤,有助于提高手术率,使更多患者避免了传统卧床制动治疗带来的坠积性肺炎、压疮等并发症[34L闭合复位后经皮置入舐器螺钉技术成为目前治疗骨盆后环骨折患者的主流方案然而传统X线导航下置入能器螺钉常受到患者体型肥胖、腹腔粪块、腹腔气体等遮挡问题困扰既往研究报道,使用传统术中X线透视引导下置入靓骼螺钉的误置率可高达68%其中神经损伤的发生率为
0.5%~
7.9%[567L近年来,多篇文献报道了术中导航技术在经皮骨端客螺钉置入手术中的应用众多基于尸体标本的研究结果证实,在基于CT影像和透视图像的三维导航技术引导下,可实现靓骼螺钉的经皮置入,在提高置钉精确度的同时手术时间较使用传统X线透视明显缩短[4789101112LLu等[13]回顾性研究了40例骨盆后环骨折后在传统X线透视及O形臂X线机导航下复位的结果,发现导航手术的患者螺钉置入精确度较好,手术时间显著缩短术后1个月和3个月的Majeed功能评分更高Zwingmann葡7]研究发现,与传统透视辅助方式相比,在基于术中X线图像的三维导航设备辅助下滑氐器螺钉完全位于骨组织内(未穿破骨皮质)的比例更高(81%比42%P
0.01X但Thakkar等[11]在对既往文献数据的分析中发现,基于术中透视二维图像的导航系统在骨盆骨折复位中辐射暴露和内固定精确度尽管较传统手术方式有改善,但仍低于利用CT图像或术中透视三维图像的导航设备近年来,主动式导航系统(机器人辅助)在置入能骼螺钉治疗骨盆环骨折中也体现出较传统透视下手术时间缩短、辐射量减少、出血量降低等优点,但这种技术下手术预后较传统方式是否有优势仍需要在更大规模的高质量临床研究中证实[14151除了内固定的置入外近年来对复位机器人在骨盆骨折中的应用效果也有了初步探索,发现了该技术的应用潜力[121617IGe等[16]报告了1例机器人辅助下不稳定骨盆骨折的经皮复位和内固定的临床效果,总手术时间为110min出血量约50ml在一定程度上体现了其相对于传统开放复位的优势,且患者术后3个月随访中Majeed评分达95分(满分100分工但需要指出的是,目前研究多停留在机器人设计和尸体标本研究阶段,虽然已有少量个案报道和小样本临床研究发表,但骨盆骨折中复位技术乃至一体化复位内固定系统距离大规模临床应用仍有一段距离对于涉及关节面的骨折,手术医师需尽可能做到解剖复位,以促进关节功能恢复、减少创伤性关节炎和术后疼痛,这对手术复位的精确度提出了较高的要求然而,即使经验丰富的外科医师亦难以使用术中X线透视精确判断关节面复位情况,无法在术中及时调整复位,仅能依赖术后CT影像评估手术效果,有时不得已选择二次手术进行翻修Rizkallah等[18]回顾性分析了通过术中导航技术和传统X线透视下进行骸臼骨折复位患者的临床结果,发现导航的手术复位精确度优于对照组,术后翻修率降低且随访中骸关节评分优于术中X线透视下复位的患者Oberst等[4]报告开放手术治疗骸臼骨折患者的资料中,使用导航技术的患者术中扩大切口的情况较对照组少,且复位效果更好值得一提的是,该研究指出导航辅助下约25%的患者可经皮完成馥臼骨折的内固定,而经皮手术相对较小的创伤可缩短患者受伤后所需的术前准备时间,在一定程度上缓解了复位手术距离骨折发生时间的间隔长而造成的复位困难[19止匕外,Latdermann等[20]指出,导航技术辅助的手术除了手术时间和辐射暴露时间短外,还避免了反复置钉造成的骨质流失、内固定松动等情况值得一提的是,基于CT的术中成像和导航技术还可作为手术中实时评估骨折和关节脱位的复位效果的理想方法,避免了术后CT检查的滞后性,在一定程度上可降低翻修率[212223L在其他常见的四肢骨折中,近年来有研究报道了基于透视图像或CT的被动式导航或机器人辅助下长骨骨折复位、髓内钉置入等方面的研究,证明了导航技术在这些领域应用的可行性,也体现出其在手术时间、辐射和操作精确度等方面超越传统手术方式的潜力[242526271在一些对操作稳定性、精确度要求较高的骨折内固定手术中,主动式导航系统也在一定程度上展现出相对于传统手术的优势[272829LXiao等[29]报告了9例机器人辅助舟状骨骨折空心钉置入与9例徒手置入内固定临床效果的比较结果,发现虽然在愈合和术后功能恢复方面无明显差异,但导航实现了更高的精确度和更少的透视次数,且手术时间较传统方式显著缩短导航技术在脊柱创伤中亦有较多的应用既往众多研究报告了导航下完成椎体压缩性骨折后的经皮椎体球囊扩张成形术,在缩短手术时间和减少辐射暴露量的情况下取得了与传统透视下手术相似的临床效果[3031321由于椎体成形和后凸成形手术的操作相对固定,近年来已有主动式导航系统完成手术的文献报道,研究发现导航机器人与传统的透视辅助手术相比降低了骨水泥的渗透率和手术时间,而临床结果无明显差异对于使用后路椎弓根内固定治疗的脊柱骨折患者,导航辅助下椎弓根螺钉置入技术已经相对成熟,较导航辅助下椎弓根螺钉置入,在精确度、手术时间方面均优于使用透视技术的徒手置钉但值得一提的是,主动式导航系统尽管可以在精确度方面较传统技术有优势,但置钉效率偏低,导致手术时间延长[33L有文献报告,在腰椎椎弓根螺钉置入手术中,机器人辅助手术时间
217.75min较传统手术方式
195.00min更长[34工我们认为由于脊柱创伤常见于高龄和多发伤患者,患者一般情况较差,较长的手术时间可能影响该技术对此类患者的适用性在伴有脊柱畸形或特殊类型的脊柱创伤患者中,主动式导航系统的应用报道仍较少,而被动式导航技术显现出较好的适应能力Starkweather等[35]报告了1例导航下徒手前路置入齿状突螺钉固定口型齿状突骨折患者的资料,发现复位和内固定效果较好,术后3个月骨折成功愈合Zhao等[36]报告了6例基于三维透视导航下微创置入螺钉治疗Hangman骨折的结果,发现与传统开放手术相比,出血量有所降低,而二者在置钉精确度和并发症方面无明显差异所有患者在术后随访中未发现血管神经并发症且骨折愈合良好可见被动式导航技术在复杂、高难度脊柱创伤手术中具有更好的适用性和应用潜力手术中的辐射暴露问题日益受到手术医师和患者的关注由于骨创伤疾病的多变性和复杂性,其手术内固定方案较脊柱手术和关节置换手术更多变导致外科医师常因复位和内固定操作不理想而需要反复调整内固定,造成术中透视次数增加、手术时间延长[20LGiordano等[37]在分析传统透视下骨组织所受辐射的研究中发现,一台腰椎手术中4次透视患者所受的辐射剂量为6mSvo然而,Jin等[38]将基于CT图像的0形臂X线机导航技术应用于复杂骨科手术中患者所受辐射剂量为
4.2mSv提示对于需要反复透视的复杂手术,基于术中CT影像的导航技术所造成的辐射可能比反复或持续的术中透视造成的累积辐射量低[391
三、术中导航技术需注意的问题尽管已有大量文献报道术中导航技术在复杂骨科手术中的应用价值和优势,但手术医师术前对患者病情的深入掌握、术中的判断能力、术者自身的知识和经验积累仍至关重要需要注意的是,对导航系统的不合理使用可能导致导航图像与实际情况不匹配,误导手术医师在这种情况下,如术者缺乏相关手术经验,不能及时发现问题,则可能引发严重后果保持参考架与手术操作部位相对位置不变及手术部位骨骼结构和相对位置不变是保证导航可靠性的重要前提根据我们的经验,手术过程中需注意以下事项1导航参考设备应固定在患者手术部位附近的合适位置当手术操作部位远离参考设备时,易引起导航不准确[40L2需牢固地固定参考定位设备”方止手术过程中松动或移位,造成导航图像与实际解剖结构不匹配进行敲、锯、钻等力量较大的手术操作时,需注意勿引起参考架松动和移位,操作过程亦要注意避免触碰参考架
(3)手术过程中尽量保证目标骨的结构和形态稳定关节和脊柱的活动、骨折断端的相对位移或截骨面两端的位移可能造成手术部位解剖结构与扫描时的形态出现差异此外,既往有学者指出,在内固定穿过骨折线时,如穿入角度偏离骨折线的垂线较大,则可能引起骨折块间相对位移,造成复位效果不理想[8101为解决这些问题,术前应尽可能对目标骨进行牢固的固定,必要时可对可能位移的部位进行临时器械固定[3401
(4)主刀医师在手术操作过程中需时常将定位架置于参考装置或其他已知解剖结构上观察以确定导航信息是否可靠[31在手术主要步骤完成时或主刀医师认为有必要时,通过X线透视、术中神经监护、唤醒试验甚至再次扫描确认等方法确认手术操作结果是否安全
四、现阶段术中导航技术在创伤骨科应用的适用条件、不足之处和前景J结合既往文献报道和我们的观察,目前术中导航技术多适用于以下3种情况
(1)预计手术时间长、创伤大,或需要大量透视的复杂手术,如严重的骨盆骨折、复杂的股骨骨折等[478910111213L利用导航技术可降低手术创伤、缩短手术时间和减少医患辐射暴露
(2)患者对手术耐受能力较差,如骨折后需手术治疗的高龄患者,或伴有基础疾病、多发伤等情况的患者,目的在于尽可能减轻手术创伤,降低手术门槛,提高。