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我们手术精确地利器,导航设备

发表于:2015年01月19日 访问人数:5535人

计算机辅助导航系统在腰椎微创外科中的应用

一、简史

       1990年著名神经外科医生Richard Bucholz (St. Louis University, St. Louis, Missouri,USA)发明了第一台光学手术导航系统—Stealth Station,并第一次将它投人临床使用,在此之前,虽然原始的机械臂导航系统也有一定的使用,但由于完全依赖于机械设备,所以精度非常有限。光学手术导航系统的发明翻开了导航技术崭新的一页,使外科医生能够在精确的影像引导下进行手术。从此光学手术导航系统成为导航技术发展的主流,它大大提高了手术的成功率,开辟了外科手术领域的新纪元。

       1992年,著名的骨科医生Kevin Foley (University of Tennessee,Memphis,Tennessee,USA)成功地将手术导航系统进一步应用于脊柱外科领域。1996年,手术导航系统通过了美国FDA认证,证明其对患者全身手术使用均安全无害。手术导航系统发明以来,仅仅10年的时间,已有近千台此系统在世界各地装机使用。

       目前使用手术导航系统进行的手术病例已超过60,000例,主要是神经外科手术、脊柱外科手术和耳鼻喉科手术等。手术导航系统的使用是传统手术理念的进步,它给手术带来了极大的益处,包括:1)节省手术时间;2)减少失血量;3)减小切口大小;4)降低手术成本;5)减少住院天数;6)减少并发症产生。此外使用导航系统不但扩大了手术治疗的范围而且提高了常规手术的精度,更为重要的是还使得医生能够尝试进行一些以前无法操作的手术病例,如肿瘤切除手术、立体定向活检手术、无头架活检手术、运动疾病/功能神经外科、脑室切开术、脑室分流术、脊柱外科椎弓根钉植入、脊柱肿瘤、畸形矫正、颈椎手术等各种骨科手术。如今在很多医院,手术导航系统已经是几乎所有的神经外科手术中不可缺少的设备。

二、手术导航系统基本系统配置

       手术导航系统基本系统配置可分为系统硬件设备和系统软件,下面以Stealth Station为例,对手术导航系统作一简单介绍。

() 系统硬件设备  包括图像工作站、位置探测仪、手术工具适配器、数据输入输出接口和外围设备接入端口。

1. Silicon Graphics专业图像工作站:Stealth Station主机使用Silicon Graphics系列工作站。Silicon专业图像工作站运算速度快、图形处理能力强、可靠性高,被公认为目前较好的图像处理系统。许多对系统要求极高的影视图像制作,如大家所熟悉的影片:《侏罗纪公园》、《失落的世界》、《终结者》等电影中的影像制作都是在这种工作站上完成的。为了保证手术导航的高质量图像效果和手术过程的万元一失实现真正的实时导航,Stealth Station配备了这种高性能的高端专利工作平台。

2. 有线或无线的红外光追踪摄像头(位置探测仪):Stealth Station能为医生同时提供完备的有线(主动)和无线(被动)定位系统,医生既可以使用有线探针,也可以使用无线探针手术或是选用两者结合。

3. 专用手术工具及通用手术工具适配器:Stealth Station手术导航系统还为各种手术应用提供了专用的系列手术工具。这些手术工具都是根据各种手术的特点专门设计的,具有很高的精确度。考虑到有些医生在工具的选择上有自己的偏好,喜欢使用自己惯用的常规手术工具,工程人员还为他们特别设计Sure Track通用手术工具适配器,为满足他们的特别需要。普通手术工具只需装上这种工具适配器就可以立刻变成术者手中的导航工具。

       Stealth Station为各种存储方式的扫描数据都提供了相应的数据输人接口。无论是CDRW可读写光盘、4mm或8mm DAT磁带或MO光盘,数据都可以通过相应的接口输入系统。通过这些接口,医生还可以在手术中把有价值的影像下载并存储到CDRW上作为技术资料以备讲学或撰写科研论文之用。而且Stealth Station还提供与多种数字扫描仪影像数据的软件接口,提供了更好的兼容性。

       另外,为了与医院的各种医疗系统实现最佳集成,并在实际应用中为导航系统的进步发展留出足够的升级空间,Stealth Station还为各种可能接人的设备设置了接人端口,包括:手术显微镜接口、  Sono Nav公司超声导航接口、FluoroNav公司C形臂透视导航接口、视频显示、远端技术支持接口等。

() 系统软件  手术导航系统涉及到大量的数据处理、图像重建,它所能够实现的大量功能与后台强大而复杂的软件支持密切相关。系统软件的复杂程度还在于它的兼容性和简便性,为了用户更加简单易懂的操作界面,使医生易于掌握,手术当中得心应手,最新推出的软件版本March 3.0能够保证术者在三个示范手术病例之内完全掌握软件的操作。软件在现行的导航系统上不但能提供完整的系统功能,而且为今后的升级预置了足够的上升空间。目前的手术导航系统软件,它具有以下的特性:

1.独一无二简单易行的4×4操作法则:任何一个手术的操作过程都可以遵循个简单的4×4操作模式——手术全过程分4步完成,每一步完成4项任务。

       4步(Phases)从左到右依次分别为:术前准备(PreOp)、系统设定(Setup)、导航(Navigate)和术后记录(Finish)。

       每步又分为4项任务(Tasks),每个任务按提示从上至下完成;提示屏(Tips)能提示用户目前任务的操作要领;点击进一步提示按钮(Tips)可以得到关于目前任务的具体说明,包括:为什么要执行该项操作如何完成操作,如何简化操作步骤等。

       整个软件提供了一个非常直观的用户界面,在它的指导下医生轻而易举地完成全部的操作,它还可以帮助初学者学习操作过程。

2.先进的注册算法——点融合及面融合注册:Stealth Station为用户提供了两种注册方式,即点融合(Point Merge)和面融合(Surface Merge),使手术能够达到用户所期望的精确程度。系统可以根据用户的需要对目标局部或整体进行精确重建。点融合注册程序要求注册的点数在4个以上,注册点数越多精确程度越高,系统至多可注册10个点。误差会自动以数字和图像的方式显示在屏幕解剖视  图和三维视图上,使医生在对某些危险部位进行手术操作时能够对做到心中有数。在屏幕所显示的绿区域内系统的误差不会超过1mm,在外围的黄色区域内误差至多为2mm。Stealth Station独一无二的面注册算法能够达到更理想的精确程度。在点注册的基础上医生可以在目标解剖结构表面选择30至40个点进行面注册。均匀分布在目标表面的30至40个注册点(越多越好)能够帮助系统将患者的解剖表面信息与相应重建影像的解剖面更好的对应,重建出更加精确的三维图像。

3.强大的三维重建功能:Stealth Station的三维重建软件使医生能毫不费力地获得目标结构的三维重建影像并按手术需要对三维影像进行操作、处理。

(1) 三维重建:预置的标签使系统可以重建出皮肤、肿瘤、血管、眼球、脑室、脊柱,以及神经根的三维模型。用户可以通过自动(调节密度域值)或手工分割的方法方便地重建这些三维结构。

(2) 任意旋转:采用任意旋转功能可以任意角度地旋转所得的三维影像。用户在注册过程中可以用鼠标拖动三维影像进行任意角度的旋转使便于观察和操作。任意旋转功能还经常用于观察切割模式和透视模式中的肿瘤、脑室等结构。

(3) 透视功能:用户还可以根据需要调节选用不同的透视度,以观察内部的三维结构。

(4) 切割模式:切割模式常被用于观察病变周围的组织结构,它主要被作为一种制定术前计划的工具,术中也经常把它作为辅助的观察和分析工具来用。

(5) 多样的导航屏幕显示模式及个性化的用户自定义显示:考虑到每个手术医生都会有自己独特的手术习惯,Stealth Station为用户设计了灵活性很大的显示方式,医生可以按照自己的习惯和偏好来选择影像数据的显示方式。

(6) 默认设置:Stealth Station屏幕显示的默认设置为四个窗口三个窗口显示标准解剖视图,一个窗口显示三维重建影像。

(7) 解剖显示:即标准的轴位,矢状面、冠状面二维视图,第四个窗口可根据用户的定义显示为三维模型、前方影像预知、内镜影像、显微镜影像或手术导航图示等。

(8) 导航显示:显示三个重建的平面影像:两个与探针平行的正交平面—Trajectory Views和一个经过探针尖端并与之垂直的平面—Probe’s Eye View。导航显示对活检手术及椎弓根钉植入特别有用。

(9) 前方影像预知显示:Stealth Station独一无二的前方影像显示功能是Medtronic Sofamor Danek公司对导航手术领域的又一重大贡献。前方影像显示可使医生看到探针所处当前位置前方(远处)一定距离内的三个等间距处的平面影像。默认距离设置为15mm,即医生在该影像显示中可以看到探针所在位置,针尖前方5mm、针尖前方10mm及针尖前方15mm处的解剖结构。这种显示功能在某些危险部位的手术中帮助医生看到前方未及部位的解剖结构,使医生在每一步操作之前做到心中有数。

(10) 手术指导显示:这一显示是与术前计划相应的手术指导工具。要使手术操作与术前计划相符,通常情况下需要同时观察三个导航视图;而使用手术指导显示将在仅观察一个视窗时,就能完成这一任务。显示屏中用两个四周分别表示手术工具的头部和尾部,当两个圆周重叠于视图中十字线中心交点时表示工具人路与预定计划相符。

(11) 多窗口显示模式:用户可以按照自己的需要选择屏幕显示一个、四个、六个甚至多至九个的显示窗口。每一个显示窗口可由用户按自己的需要定义显示内容(图4- 26)。

三、脊柱外科应用

       早在1992年,Stealth Station已经开始了在脊柱外科领域的应用,至今已在250多个医院的10,000多例手术中体现了它的强大功能。系统根据各种手术的特点为导航手术设计了下面一些专用的手术工具。考虑到某些用户在工具的选择上可能有自己的特殊偏好,如果提供的工具还不足以满足用户的要求只需在您所选用的任何工具上装上Sure Track通用工具适配器就可以同样实现手术工具导航。

       手术导航系统在骨科的使用也日益普遍。手术导航系统可用于颈椎前路手术导航,如颈椎前路钢板内固定、颈椎前路融合等。患者头部用头架固定,参考架连接在头架上。术前扫描患者前后位、侧位以及其他方位术者认为必要的图像,术中导航时可在多幅影像上同时观察到手术器械的位置如丝锥、探针、钻套、钻头等,便于控制钻头的方位和深度;系统的长度测量功能可方便的选取螺钉的长度;使用探针宽度显示功能准确选择螺钉直径;使用角度与距离功能还可标志出植骨的中线,便于钢板定位。

       应用手术导航系统进行椎弓根钉植入,术中导航大大提高了椎弓根钉的正确到位率。参考架固定于棘突,术前扫描侧位像,术中可连续监测丝锥、探针、丝攻的位置和路线,正确选择进针点和进针角度,椎弓根钉的植入快速、方便。

       FluoroNav公司C形臂透视导航系统是主要用于脊柱畸形矫正手术和骨科及神经外科手术,使用该导航系统,可以与手术操作精密配合,基本上不需要为之增加额外的手术时间。相信不久的将来手术导航系统将是脊柱微创手术的必备设备,以最微小的损伤为患者提供更加精确的治疗。

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