外科导航技术的发展

近年来计算机技术的发展突飞猛进，计算机技术与医学的结合也日益紧密。现代科学技术的发展越来越体现出多门学科的交叉与渗透，而在医学领域，作为近年来发展迅速的手术导航系统，是集经典（框架）立体定向技术、现代影像诊断技术、微创手术技术、电子计算机技术和人工智能技术相结合的产物，在世界范围内已得到了迅速的推广和发展。近10年来，随着计算机技术和精密机械自动控制技术的日益成熟，医学影像设备质量的不断提高，结合计算机医学图像处理及三维可视化、医用机器人、空间三维定位导航系统和临床手术，由定量诊断、手术模拟和预测（surgery simulation）、立体定向导航和远程医疗等组成的计算机辅助外科手术（computer assisted surgery，CAS）系统已成为生物工程研究的热门领域之一。

1986年，日本、美国和瑞士几乎同时开发了由交互式CT机组成的导航设备，这就是最初的CAS。1990年枢法模公司推出全球第一台针对骨科的光学手术导航系统并投入临床使用，该系统已通过FDA认证。目前，在国外，主要有日本IBM公司东京研究所开发的CLIPSS系统，Medtronic（美敦力）公司开发的FluoroNavTM骨科手术导航系统，瑞士Medvi-sion系统，德国OrthoPilot系统等。而美敦力公司与GE公司联手研制的术中磁共振MRI导航系统能够彻底解决现有的红外线光学手术导航系统术中影像漂移的问题。在国内，已知的导航系统有安科公司的ASA-610V手术导航系统、海军总医院和北京航空航天大学开发的机器人辅助微损伤神经外科手术系统、清华大学计算机系开发的基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术计划系统、北京中西集团公司开发的BJ38-ASA-620立体定向手术计划系统等。

在CAS手术过程中，屏幕上可以显示手术工具及内置物与病人的解剖部位之间的关系，为了这个目的，必须进行术前影像学定位和注册。这个系统与汽车导航使用的全球定位系统（GPS）类似。手术器械就好比是汽车，驾驶员可以在数字地图上查看汽车的位置。在手术导航中，术前或术中获取的影像学图像就好比是GPS中的数字地图。外科导航系统的核心部件是追踪器，它可以识别专用手术器械判定其位置。追踪器就好比是GPS系统中的卫星，通过追踪汽车发出的信号来判定其位置。外科追踪系统对目标的定位依赖的是电磁、声音或光信号。目前最常用是发光二级管（LED）的光信号追踪及反光球反光盘的被动反射追踪。安装有4～6枚LED或被动反射球的参考架被固定在手术器械和目标骨骼上来完成定位。为了便于手术过程中手术野的移动，必须同时追踪目标骨的位置。因此，安装有LED或被动反射球的参考架被固定在目标骨上，这个参考架被称作动态参考架。追踪器在手术过程中接受LED上及手术器械上的LED或被动反射球发出的信号。这样，就可以显示手术器械在目标骨上的位置。

计算机辅助外科（CAS）最早用于神经外科，其目标是做好术前计划，增加手术的安全性。神经外科医生在该技术的帮助下进行颅内穿刺活检、放射性核素置入及肿瘤切除。作为CAS的一部分，外科医生可以在术前计划中对影像学图像进行模拟操作。

CAS的临床应用已有20余年的历史，从CAS转向计算机辅助骨外科（computer assisted orthopedic surgery，CAOS）是从20世纪90年代初开始的。CAOS能为骨科手术精确术前、术中定位，在计算机图形处理工作站上可进行术前模拟操作、手术路径规划，在术中可实时跟踪、监测、显示手术器械、病灶及周边组织、内固定物、人工假体的相关位置。CAS在矫形外科及创伤外科领域，最先被应用于辅助安放腰椎椎弓根钉。在髋关节手术中，CAS技术可以帮助提高全髋置换及髋周围截骨手术的成功率。在膝关节手术中，CAS被用于全膝置换和膝关节韧带手术。创伤科手术往往需要解剖复位内固定，现在导航技术在创伤骨科的应用包括：骶髂螺钉固定、经皮固定髋关节骨折、长骨的复位及固定以及脊柱骨折的治疗等。这些手术可以通过X线导航或CT导航来进行。