李 豐 綜述 王爾松 審校

(復旦大學附屬金山醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 201508)

·文獻綜述·

導航技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用進展

李 豐 綜述 王爾松*審校

(復旦大學附屬金山醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 201508)

本文簡要綜述導航技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用，對比目前應(yīng)用的導航設(shè)備的優(yōu)缺點，指出脊柱導航技術(shù)的發(fā)展方向。

導航技術(shù)； 脊柱外科

1986年，美國Roberts率先將計算機輔助手術(shù)導航系統(tǒng)(computer aided surgery navigation system，CASNS)應(yīng)用于神經(jīng)外科臨床。20世紀90年代早期，強大的計算機系統(tǒng)解決了實時圖像處理和儀器追蹤的技術(shù)問題，開辟了精確脊柱外科的新思路[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，導航技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋脊柱各個節(jié)段的手術(shù)治療，包括脊柱螺釘固定手術(shù)、脊柱脊髓腫瘤手術(shù)等。導航設(shè)備逐步成為脊柱外科的有力助手，在脊柱外科包括脊柱神經(jīng)外科得到重視和應(yīng)用。本文就導航技術(shù)在脊柱外科中應(yīng)用的進展做一簡要綜述。

1 傳統(tǒng)的脊柱外科導航設(shè)備及局限性

傳統(tǒng)的脊柱外科導航包括X線平片和C形臂X線機。雖然這些設(shè)備在通常情況下可以滿足臨床基本需要，但它們有明顯的局限性：導航過程中對操作人員的依賴性；限制于二維圖像信息；C形臂X線機頻繁移入和移出手術(shù)區(qū)域增加感染幾率；患者和手術(shù)室工作人員暴露在電離輻射下[2]。

2 脊柱外科導航設(shè)備及應(yīng)用

2.1 術(shù)前CT導航

1995年，Nolte等[3]首次報道術(shù)前CT導航系統(tǒng)在腰椎椎弓根螺釘固定的臨床應(yīng)用。術(shù)前CT導航的主要設(shè)備包括三部分：攝像設(shè)備、定位系統(tǒng)和計算機工作站。臨床應(yīng)用最廣泛的是安裝有紅外線發(fā)光二極管(lighting emitted diode，LED)的光電導航系統(tǒng)，基本原理是在手術(shù)部位和器械上貼附LED，攝像機捕捉LED發(fā)射的紅外線，并將其發(fā)送給計算機工作站，計算機工作站處理攝像和定位系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)，最終在屏幕上顯示手術(shù)部位圖像及器械的相應(yīng)位置。術(shù)前CT導航的主要優(yōu)點包括：圖像清晰，具有三維成像能力，利于術(shù)前設(shè)計；定位較為精確，減少手術(shù)創(chuàng)傷。缺點包括：術(shù)前CT掃描數(shù)據(jù)用于術(shù)中參照點進行注冊，由于患者體位的不同可能造成脊柱移位或變形，容易產(chǎn)生注冊誤差；為減少注冊誤差，常需要對每個椎體進行單獨注冊，增加手術(shù)時間[4]。目前術(shù)前CT導航應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是胸腰椎螺釘固定手術(shù)，Wu等[5]將42例胸椎骨折患者隨機分為2組，共植入176枚胸椎椎弓根螺釘，其中22例92枚螺釘進行術(shù)前CT導航植入，20例84枚螺釘進行傳統(tǒng)螺釘固定技術(shù)植入。結(jié)果顯示，術(shù)前CT導航組92枚螺釘中，88枚(95.7%)準確度為Ⅰ級(無皮質(zhì)破裂)，4枚(4.3%)Ⅱ級(螺釘超過椎弓根≤2 mm)，0枚(0%)Ⅲ級(螺釘超過椎弓根>2 mm)；傳統(tǒng)螺釘固定組84枚螺釘中，70枚(83.3%)準確度為Ⅰ級，11枚(13.1%)Ⅱ級，3枚(3.6%)Ⅲ級(P<0.001)，研究認為術(shù)前CT導航提高了胸椎螺釘固定準確率。術(shù)前CT導航在脊柱腫瘤手術(shù)中應(yīng)用的報道并不多[6]。

2.2 電磁導航

1991年，Kato等[7]描述了一個利用磁場代替框架或機械臂的空間定位系統(tǒng)，并使其在CT或MR圖像上動態(tài)顯示手術(shù)操作過程。2000年，Amiot等[8]使用電磁場技術(shù)結(jié)合CT圖像進行注冊，實現(xiàn)椎弓根螺釘植入的實時導航。電磁導航的工作原理是通過安放在人體上的電磁發(fā)射器發(fā)射相當于1/3地球磁場強度的電磁波，位于手術(shù)器械末端的電磁接收器捕捉電磁波，與手術(shù)器械相連的導航工作站根據(jù)不同的磁場強度確定不同的空間位置。電磁導航的主要優(yōu)點包括：實時顯示手術(shù)部位和器械的關(guān)系；信號不受光線干擾，手術(shù)操作者活動自如，不影響導航。缺點包括：容易受到帶磁性物體的干擾，需要特殊的無磁性器械[9]；禁用于有電子設(shè)備直接連接到心臟、腦部或神經(jīng)系統(tǒng)的患者。Hahn等[10]利用電磁導航結(jié)合術(shù)前CT掃描圖像在尸體上進行腰椎螺釘固定術(shù)，認為電磁導航下腰椎螺釘固定的準確率和術(shù)前CT導航相一致，同時使用也方便。von Jako等[11]對電磁導航和傳統(tǒng)X線透視導航在微創(chuàng)入路經(jīng)皮椎弓根螺釘植入準確率以及輻射量方面進行對比，結(jié)果顯示電磁導航較傳統(tǒng)X線透視導航更容易獲得理想的螺釘植入軌跡(62.7% vs. 40%,P=0.01)，而且電磁導航下螺釘植入導致的腰椎椎弓根破裂率顯著低于傳統(tǒng)X線透視導航(16.2% vs. 42.5%,P=0.01)。相對于傳統(tǒng)X線透視導航而言，利用電磁導航進行螺釘植入可以將X線照射時間降低77%(每椎體平面22 s vs. 5 s,P<0.0001)。電磁導航的應(yīng)用主要在脊柱螺釘固定手術(shù)方面，在脊柱腫瘤以及其他手術(shù)中應(yīng)用的報道較少。手術(shù)室環(huán)境下大量金屬物體可能影響電磁導航的穩(wěn)定性以及準確性，限制了電磁導航的廣泛應(yīng)用[12]。

2.3 術(shù)中超聲

1978年，Reid[13]首次將超聲應(yīng)用于脊髓頸段囊性星型細胞瘤手術(shù)治療中。當時的超聲技術(shù)只能提供二維圖像，并且無法在手術(shù)視野中定位手術(shù)器械[14]。2005年Bonsanto等[15]報道了3D超聲在脊髓手術(shù)中的應(yīng)用。其原理是在感興趣的部位利用探頭平移得到100～200張二維圖像，將這些二維圖像整合成一個三維圖像并自動傳輸?shù)綄Ш较到y(tǒng)，導航可直接進行而不需要任何注冊程序，病變的定位可用普通的導航指針來完成。由于超聲分辨率無法與CT相比，并且其分辨率和穿透力成反比，所以限制了它在脊柱螺釘固定手術(shù)中的應(yīng)用[16]。術(shù)中超聲在脊膜瘤和神經(jīng)鞘瘤等髓外腫瘤手術(shù)中可以保證更好的腫瘤切除范圍，而對髓內(nèi)腫瘤應(yīng)用術(shù)中超聲監(jiān)控取得腫瘤全切除是比較困難的[14]。Naruse等[17]回顧性分析101例頸椎椎板擴大成形術(shù)治療頸髓病變患者的影像資料和臨床治療效果，認為術(shù)中超聲測定脊髓浮動參數(shù)對預測頸椎椎板擴大成形術(shù)臨床治療效果的價值比術(shù)后MRI更高。術(shù)中超聲在確定脊髓海綿狀血管瘤切除邊緣及脊髓穿刺病理組織活檢等方面也有較好的應(yīng)用。

2.4 術(shù)中CT

2000年，Hum等[18]報道術(shù)中CT系統(tǒng)成功應(yīng)用于脊柱外科臨床。2006年，O形臂成像系統(tǒng)(Medtronic)成為市場上首個術(shù)中360°旋轉(zhuǎn)CT，由于它結(jié)合自動注冊和CT顯示骨組織的優(yōu)勢，是當時在脊柱外科中為數(shù)不多的真正具有顛覆性的技術(shù)之一[19]。術(shù)中CT優(yōu)點包括：機械性控制定位系統(tǒng)和集成的允許自動注冊的LED跟蹤裝置，大大簡化了手術(shù)醫(yī)生的注冊程序[20,21]；利用手術(shù)體位獲得的CT數(shù)據(jù)并進行更新，減少潛在的導航誤差；減少對手術(shù)醫(yī)生的輻射，掃描時讓手術(shù)醫(yī)生離開手術(shù)室可使輻射降到零[22]。缺點包括：較術(shù)前CT導航占用更多的空間；需要額外的人員來控制操作；需要可穿透X線的手術(shù)床[23]；雖然可以減少手術(shù)醫(yī)生的輻射，但對患者的輻射卻有所增加。2014年，Kotani等[4]對術(shù)中CT和術(shù)前CT導航在脊柱側(cè)凸畸形螺釘固定準確率方面進行對比，術(shù)中CT導航下獲得無皮質(zhì)破裂螺釘固定率為84.4%，術(shù)前CT導航為84.7%，結(jié)果顯示兩者的準確率一致。另外，包括螺釘注冊所需時間在內(nèi)，術(shù)前CT導航下固定每一枚螺釘需要的時間為(10.9±3.2)min，而術(shù)中CT導航為(5.4±1.1)min，認為術(shù)中CT可以顯著減少螺釘固定時間。術(shù)中CT可以在矢狀位、冠狀位以及垂直平面形象地顯示螺釘?shù)闹踩胲壽E，并可以決定植入螺釘?shù)拈L度和直徑[24]。Kim等[25]利用術(shù)中CT結(jié)合微創(chuàng)手術(shù)路徑進行椎弓根螺釘固定，準確率達96.6%，而且和傳統(tǒng)X線透視導航相比，術(shù)中CT可以大大降低術(shù)后再次進行CT掃描確認螺釘位置的必要性。術(shù)中CT在觀察骨組織病灶結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢，在骨腫瘤切除手術(shù)中可提供骨腫瘤切除邊緣的更新信息，引導更加徹底的骨腫瘤切除[18]。在復雜解剖條件(椎弓根狹窄、脊柱側(cè)凸、外傷性脊柱畸形)下，二維成像不能清晰顯示手術(shù)區(qū)域時，術(shù)中CT可以提高手術(shù)路徑的準確性。

2.5 術(shù)中MRI

1995年首次出現(xiàn)0.5 T術(shù)中MRI的應(yīng)用[26]，這是第一個完全融合手術(shù)室和磁共振掃描的系統(tǒng)，提供直徑30 cm的球形顯示圖像和56 cm寬的間隙用于術(shù)者和第一助手進行操作。優(yōu)點是：手術(shù)過程中患者和磁場無需移動，整個手術(shù)在同一手術(shù)室進行；提供接近實時的圖像。缺點是：圖像質(zhì)量不高；有限的空間影響外科醫(yī)生的操作；相對較弱的磁場無法應(yīng)用MRI功能成像(fMRI)和MR波譜圖像。1997年出現(xiàn)1.5 T術(shù)中MRI系統(tǒng)[27]，其優(yōu)點是：擁有更好的圖像質(zhì)量；能提供fMRI和MR波譜圖像。缺點是：需要一個專用的獨立空間；需要將患者移入或者移出磁場；只能通過一個狹小的孔隙進行操作。2010年出現(xiàn)3.0 T術(shù)中磁共振系統(tǒng)[28]，其核心部分由一個3.0 T吊頂式可移動磁場和70 cm寬的工作間隔組成。優(yōu)點是：吊頂式可移動磁場允許掃描儀移入或移出手術(shù)室，取代移動手術(shù)臺；更好的軟組織分辨率提高腫瘤全切除率。缺點是增加手術(shù)時間和治療費用。雖然MRI相對于CT、X線平片以及超聲具有更好的軟組織分辨率，但骨組織分辨力較差，限制了它在脊柱螺釘固定手術(shù)中的應(yīng)用。Takahashi等[29]使用術(shù)中MRI對脊髓終室囊腫進行經(jīng)皮細針穿刺抽吸治療，指出術(shù)中MRI導航下經(jīng)皮細針穿刺抽吸是治療脊髓囊腫的首選方法。Dhaliwal等[30]利用術(shù)中MRI對20例進行經(jīng)口咽入路顱頸交界腹側(cè)損傷切除術(shù)，結(jié)果顯示在術(shù)后平均1.8年的隨訪過程中，92%的患者表現(xiàn)出神經(jīng)功能恢復，表明術(shù)中MRI允許核實解剖部位和確認切除程度，是術(shù)中有用的輔助工具。

3 展望

導航技術(shù)通過對病變位置的準確定位和手術(shù)的實時模擬，降低手術(shù)創(chuàng)傷，提高手術(shù)成功率[31]。20年來，導航技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用取得了大量的技術(shù)成就，使得導航技術(shù)在脊柱外科(包括脊柱神經(jīng)外科)中的應(yīng)用逐步受到重視，臨床應(yīng)用也逐漸增多。將來，脊柱導航技術(shù)的發(fā)展在關(guān)注減少費用和輻射的同時，應(yīng)進一步提高其易用性。我們期待導航技術(shù)在脊柱外科中應(yīng)用的更深入發(fā)展。

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(修回日期：2016-07-08)

(責任編輯：王惠群)

Progress of Application of Navigation Technology in Spinal Surgery

LiFeng,WangErsong.

DepartmentofNeurosurgery,JinshanHospitalofFudanUniversity,Shanghai201508,China

WangErsong,E-mail:wersong@aliyun.com

Navigation technology; Spinal surgery

*通訊作者,E-mail:wersong@aliyun.com

A

1009-6604(2016)10-0946-04

10.3969/j.issn.1009-6604.2016.10.021

2016-01-11)

【Summary】 This article briefly reviewed the application of advanced navigation technology in spinal surgery. By comparing advantages and disadvantages of the current application of navigation equipment, we pointed out the development direction of spinal navigation technology.