矫形外科微创手术与导航技术研究进展

摘 要 矫形外科手术导航技术是矫形外科手术微创化的基础技术之一，医生通过手术导航系统可以进行术前的手术规划和手术方案模拟，还可以进行术中的手术监视和干涉，从而保证了医生方便、快捷、高效地完成各种复杂手术。本文综述了矫形外科手术特点和导航技术的最新发展，分析了导航系统的功能和系统组成，从医学图像、定位技术、系统配准的角度介绍了矫形外科导航系统的特点，为我国矫形外科导航手术的发展提供了借鉴和参考。

关键词 机器人，微创手术，图像导航，虚拟现实

1.矫形外科的发展

随着医学影像技术的发展，各种影像资料被直接用于治疗过程，辅助医生进行疾病的诊断和外科手术［1］。在医学影像下的介入治疗，极大地推动了矫形外科的微创技术的发展。这些进展不仅改变了传统手术方式，重要的是改变了整个矫形外科的面貌和观念［2-3］。

微创手术是外科方法学方面的改进与创新，是当代外科的发展方向，它适应当代社会高效率、快节奏的要求。微创手术的实施使临床医生从上百年传统手术模式转向现代化高科技手术模式。近年来我国开展了关节镜、椎间盘镜、经皮穿刺椎间盘切除术、激光减压术、经皮内固定钢板、髓内针、螺纹钉以及经皮椎体成形术、经动（静）脉导管介入疗法等矫形外科微创手术［4］。这些手术是在手术视觉下，由医生通过对手术空间的坐标和视觉坐标进行不断地配准，纠正手术动作，在狭小的手术空间里，完成手术定位和微小创伤的复杂手术。其特点是在手术视野下确定手术对象和手术器械的坐标相对关系，依靠人的手眼协调完成手术。由于矫形外科微创手术很多是在不显露或没有充分显露手术部位的环境中进行的，医生的手术视野受到了限制，往往是凭经验和Ｘ光图像的信息来重构手术部位的组织结构解剖信息，因此会受到Ｘ光的辐射伤害。同时，由于手术空间的狭小，也对医生的操作水平提出了很高的要求。

2.矫形外科微创手术中的导航技术

导航技术是矫形外科微创手术发展的技术基础之一，它改变了许多传统的手术概念。随着科学技术的进步，一些高新技术被用于手术导航中，发展成了多种导航系统。

2.1矫形外科导航系统的功能

导航系统的功能可以概括为：用计算机处理过的多模医学图像来拓展手术视觉，扩大医生的手术视野，引进空间位置测量这一高新技术作为手段，在手术前帮助医生合理、定量地进行手术规划和手术方案模拟，在手术中对手术的路径和动作进行一定的干预，达到最佳的手术路径、最小的手术伤害、最高的手术精度和手术效率、最好的手术效果［5］。

2.2矫形外科导航系统的组成

根据导航系统的功能，可以将系统分为以下几个部分［6-8 ］ （图1）：

（1）多模图像的采集和处理。在导航系统中，加强和拓展医生的视野是导航系统的主要功能之一。它可以帮助医生重构手术部位及周围的组织解剖结构，了解手术部位的周围环境，定量制定手术方案，并作为图像空间的数据信息。

（2）手术的定位。在导航系统中，定位技术是联系图像空间（虚拟环境）和手术空间（现实环境）的唯一手段，是导航的关键。它要解决手术过程中手术目标的位置测量、空间映射、手术干预和定位精度等问题。

（3）空间的匹配。是将图像空间和手术空间、定位系统空间建立相互映射，将虚拟的计算机图像空间同实际的手术空间相互匹配接合，给医生一个完整的手术视野图像，方便医生在图像空间的虚拟现实中进行手术规划和手术方案的模拟。同时需要结合定位系统，将图像空间的坐标和规划的手术方案在定位系统中表达出来，干涉医生的手术动作，使医生方便、快捷、高效、精确地完成复杂的手术动作［6］。

图1 矫形外科微创手术导航系统结构图

2.3矫形外科导航系统图像的特点

影像医学在近 年的历史过程中获得了突飞猛进的发展。X线技术和非X线技术的应用，使得成像技术不断变化更新。这些科学技术的进步，推动了影像诊断学的发展，也推动了影像导航外科的发展［2］。在矫形外科中，以下的多模医学图像被引进到矫形外科微创手术中，对手术进行导航［9，10］。

（1）X光图像。可以清晰地再现人体骨骼的状况，让医生获得足够的手术信息（图2）。特别是C型臂可以实时再现手术状况，而且移动方便，成本相对较低，是矫形外科微创手术导航系统的首选图像采集工具。传统的影像图片是多模图像信息，导航系统一般需要对它进行数字化处理，形成具有一定精度和足够手术信息的数字化图像。由于C型臂的镜头小且是二维图像，所以系统对于这些图像的处理一般都包括拼接和三维重构。这样在导航系统中，医生就可以获得最大限度的手术信息［11］。

（2）超声图像。根据超声波在人体内的传播速度，反射折射不同，衰减系数不同，使超声可见，再现人体的组织［12］ （图3）。超声图像多适用于液体结构或被液体结构所环绕的脏器的成像。它尺寸小，可以实时采集，采集方便，价格便宜，对人的伤害小，可以清晰直观地再现组织结构和表面形态［13-16］。适用于脑部的开颅手术中的导航。但从目前研究来看，图像的精度还不是很高。

（3）CT图像。基于X射线，对骨骼组织具有较好的显示效果。被大量地用于矫形外科的诊断和导航。但设备体积较大，价格较贵。图像质量、精度高，重构后的图像冠状切面和矢状切面的空间分辨率都一样。

（4）MRI图像。对于软组织的显示效果好，适合软组织诊断，可清晰地再现骨骼周围的组织。目前，在导航系统使用二维三维导航的技术中，经常使用术前的MRI图像，在术中用二维的术中图像进行校正。该图像导航方法价格贵、精度高、手术信息量大［1］。

2.4　　矫形外科定位系统的特点

在矫形外科微创手术中，包含三个坐标系：手术空间坐标系、图像坐标系和导航工具坐标系。定位器的功能就是将这三个坐标系映射起来，确定手术区域中目标点和手术器械的空间位置。其精度对于手术导航的精度影响很大，直接关系到导航手术的成败。由于科学技术的进步，很多高新技术被引入导航外科领域，根据使用的定位方法不同可以将定位系统分成以下几种类型：光电导航、电磁导航、机器人导航、机构导航定位、超声导航定位［10］。

（1）光电定位方法。该方法是目前精度最高的定位方法，由几个摄像机采集目标点位置，用计算机来对采集的位置信息进行处理，得到目标点的空间位置（图4）。系统包括跟踪器、目标点［17，18］。跟踪器的作用是采集目标点的位置信息，并传给计算机系统，由计算机系统进行图像匹配等处理，计算目标点的空间位置。目标点被固定在手术器械或者手术对象上，它区别于手术环境中的其它物体，使系统很容易识别，从而重构手术器械和手术对象的空间信息。

根据目标点的发光与否可以将光电定位系统分成有源和无源光电定位系统［8］。无源定位系统的目标点不发光，由几个摄像机对目标点进行观察，由系统对观察到的图像进行匹配和计算，确定目标点在空间的位置。根据相关的目标点的相对位置，在图像空间重构跟踪目标的形状。这种方法受限于视频图像的分辨率，同时周围的光线和金属物体都会对系统的精度和处理速度产生影响，这种方法的精度一般在1CM 左右。有源光电定位系统的目标点是红外二极管，跟踪器是三个以上的光电传感器，传感器计算出光线相对于传感器的入射角，通过入射角可以计算出发光二极管的空间位置。系统控制这些发光二极管的发光时间和次序。通过相关目标点的位置，重构目标的位置和形状。这种定位技术已经在矫形外科得到了广泛的应用，定位精度可达到0.5MM。这种方法精度高、价格也高，同时也受到周围光和金属物体镜面反射光的影响。

（2）电磁定位方法。该方法类似于有源光电定位，其原理如下：

系统包括发射源和接收源（图5）。发射源是由一个三轴线圈构成，分时发射直流磁场。接收源是三轴磁接受器，它接收发射信号。系统根据接收信号的强度计算接收器的位姿［19-21 ］。根据接收器同目标的关系，重构目标的空间位姿和形态。它不受操作医生的影响，所以医生的活动空间和操作要比光电定位有改进，但它也受周围磁场的影响。定位精度比光电定位低，一般在3ＭＭ左右。

（3）机器人定位方法。导航机器人是一种集计算机技术、机器人技术、现代控制技术、机械等综合性技术的现代化机电产品。它的特点是可以通过控制和编程，完成工作空间的点定位、路径规划、优化和执行空间的运行轨迹，并可以在空间固定下来，承受一定的负载。机器人的这些特点，使它成为确定目标点的空间位置的最好的导航定位工具。作为确定空间点的位置和姿态的机器人一般都有5个以上的自由度，每个自由度都根据一定规律组合在一起，并可以测出这些自由度的具体变化参数。通过机器人的数学模型，即可确定机器人的末端点的空间位置和姿态。在矫形外科导航系统中，机器人可以将手术对象空间和图像空间联系起来，同时还可以作为导航定位的工具，将医生的手术思想、手术规划在空间中表现出来，代替医生进行相关的定位操作。医生可以在机器人的干预下，简便、快捷、高效地完成复杂的手术。由于机器人只可确定末端的一个点的位置，所以在矫形外科手术导航中的限制较大。它一般在手术的过程中确定手术器械的位置；对于手术对象的位置，一般认为它在手术过程中是固定不变的，这样增加了手术精度的不确定性。为了减小这部分的误差，系统要在手术的过程中适当地在线检测手术对象的位置。同时由于对器械的定位操作是通过机器人来完成的，所以医生会感到比较笨拙。但有时却可以帮助医生完成精细的手术操作并且避免人为误差。目前该定位系统已经应用于手术临床。系统一般包括机器人和机器人操作系统等（如图6）。

（4）机构导航定位。是简化了的机器人定位系统，它的特点是结构简单，定位任务单一，精度较高，价格便宜（如图7）。它一般是根据具体的手术环境和特点单独设计的专用定位机构。它只完成手术中的某一个具体的导航定位动作。结构一般具有三到四个自由度，每个自由度是用可读的标尺来表达自由度的参数。根据这些参数，结构将空间的某一个点或路径确定下来，并作为医生的手术平台，对医生的手术动作进行干预和导航，使医生快速方便地完成手术操作。系统可以将医生规划的手术路径方案用机构的空间坐标系表达出来。但它无法确定手术对象的实时位置。精度一般可以达到1MM 。目前在临床也有该类系统的应用研究。

（5）超声波定位。是借助于超声设备，确定空间目标点位置的定位方法。其原理如图8所示。测量超声波的传播时间来确定空间坐标点距离接受器的距离，根据接受器的相对位置来确定发射器即目标点的位置［22］。定位精度一般在5MM以内。

2.5　　矫形外科导航系统配准的特点

导航系统在手术中的导航过程，实际上是采用计算机虚拟现实技术，将手术对象虚化和空间坐标信息实化的过程，以及医生沉浸虚拟环境中同环境的交互过程。在手术对象的虚化过程中，需要将手术空间的手术对象信息通过医学图像的信息化、数字化处理，作为导航的虚拟环境对象，在该过程中，需要将实际的手术空间同虚拟的图像空间进行映射配准。在空间坐标信息的实化过程是将定位系统的位置测量数据和系统的运算结果进行实化，在虚拟的环境中用虚拟的物体将数据再现。在该过程中需要将定位系统的坐标系同虚拟的图像空间进行映射配准［24］。

导航系统的这两个映射过程，关系到导航的定位精度，关系到系统的可操作性和系统的使用性。在导航系统中，有的虚拟环境采用的是二维医学图像作为虚拟操作环境，有的是采用三维医学图像作为虚拟操作环境。采用二维图像的导航系统，由于信息处理过程相对简单，所以系统的图像信息来源较广，实用性较强，成本低，导航的精度高。但这种系统由于提供的信息相对较少，所以医生在手术过程中有许多的信息要靠自己在自己的大脑中虚拟。采用三维图像的系统，由于虚拟环境是三维的，医生沉浸该环境中更人性化、真实化，医生获得的信息更多。但由于三维的虚拟环境是经过对二维图像信息的处理和重构而生成的，成本较高，操作系统相对复杂，但它是导航系统的发展方向。在系统的配准过程中，有的采用标记点方式，有的采用无标记点方式。采用标记点的方式，是系统对图像信息中的标记点的信息进行处理，确定手术空间和图像空间的映射关系，这种映射方式应用比较多。无标记点方式，是通过对图像采集设备系统进行控制，利用图像采集设备系统的硬件同手术空间的相对位置已知，确定手术空间和图像空间的关系。

目前的导航系统研究中，还采用了增强现实的计算机技术。在手术环境中，在手术视野上叠加虚拟的环境，便于拓展医生的手术视野（图9 和图10）。

3 结 论

微创化是矫形外科发展的必然趋势。作为微创外科的基础之一，导航技术正在向多元化、多学科方向发展。目前导航技术虽然已部分应用于临床，但导航图像研究、位置测量技术研究和导航系统的临床应用研究依然是今后导航技术的研究热点。在导航图像的研究上，基于X光的图像更适合我国的国情，依然有广阔的发展前景。在导航定位测量上，发展的方向是综合多项先进技术的定位系统。在此基础上一定会诞生更多的、更合理的微创外科手术方案，推动矫形外科的发展。