王宇桐 綜述 徐永勝 齊巖松 審校

(內蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院骨科中心,呼和浩特 010017)

關節(jié)鏡手術存在鏡下可操作空間小、可視化和觸覺反饋差等局限性。為追求更小的侵襲性,同時實現更高的精確性,計算機導航技術被引入到關節(jié)鏡手術中。導航作為一種可視化系統(tǒng),通過對手術器械、植入物、患者解剖等三維立體定位,以及相關影像學數據的處理分析和可視化技術,從而輔助術中實現實時動態(tài)追蹤[1]。理論上,計算機導航技術憑借自身優(yōu)勢可應對視覺復雜的關節(jié)鏡下環(huán)境,但在實際應用中卻存較大差距。目前,導航在關節(jié)鏡手術中的應用主要集中在前交叉韌帶(anterior cruciate ligament,ACL)重建中骨隧道的定位和股骨髖臼撞擊(femoroacetabular impingement,FAI)中對病變骨組織的切割,相較于骨科其他亞?？?還處于起步階段。本文對計算機導航技術在關節(jié)鏡手術中的應用與進展進行文獻總結。

1 關節(jié)鏡手術中的計算機導航技術

21世紀以來,伴隨著數字化技術與臨床的緊密結合,成像技術的進步使手術視野和患者解剖的三維可視化成為可能,計算機技術的進步實現了器械和植入物的實時跟蹤,這些創(chuàng)新技術的疊加,共同催生了計算機導航技術[2]。根據傳統(tǒng)定義,導航可分為兩大類:①基于透視、CT、MRI等圖像導航;②無圖像導航。最新研發(fā)的基于加速度計原理的便攜式導航,精度水平可靠,且成本更低,便攜性更高,已應用于人工關節(jié)置換中,具有廣闊的應用前景[3,4]。目前,應用最廣泛的是基于大型控制臺的光學計算機導航[5],通過計算機將手術與三維立體定位、圖像處理、可視化技術等相結合,動態(tài)顯示植入物與解剖結構的實時位置信息。在關節(jié)鏡手術中,常用的導航系統(tǒng)也均是基于上述基本原理,新興導航如電磁導航、超聲導航、便攜式導航等在關節(jié)鏡手術中鮮有應用。

2 計算機導航技術在各類關節(jié)鏡手術中的應用

2.1 膝關節(jié)鏡

計算機導航技術最早應用于膝關節(jié)鏡手術,并且主要集中于ACL重建中。目前,主要在以下2個方面:①骨隧道的定位;②ACL重建中的運動學評估。

2.1.1 骨隧道的定位

盡管ACL重建是骨科中最常見的手術之一,但仍有1.8%～12.3%的失敗率[6],其中70%～80%的原因是由骨隧道的非解剖定位引起的[7]。在ACL重建中,影響骨隧道定位的因素很多,如醫(yī)生的經驗、鏡下的視野以及與解剖標志相關的正確隧道規(guī)劃,即使在有經驗的外科醫(yī)生中,隧道位置也存在合理的變異性[8]。Tampere等[9]的生物力學研究表明,解剖重建更有利于恢復膝關節(jié)的穩(wěn)定性,且比等距重建效果更好,因此,準確的獲得骨隧道解剖位置成為影響手術成功的關鍵。計算機導航技術在諸多研究中證明其準確性。1995年Dessenne等[10]進行了首次計算機輔助ACL重建的臨床試驗,他們使用一臺工作站和三維光學定位器構建的系統(tǒng),在8具尸體試驗中測得的誤差均<2 mm,同時測量12例患者的股骨隧道位置,誤差范圍1.5～6.8 mm,平均3.0 mm。這些初步結果增強了人們對計算機輔助技術的興趣。Kawakami等[11]比較19例導航輔助與18例傳統(tǒng)手術在術后矢狀位平片上脛骨和股骨隧道的位置,導航組骨隧道位置明顯更接近于術前規(guī)劃的位置,提高了骨隧道放置的準確性和可重復性。在提高脛骨隧道準確性方面,在一項60例的隨機對照研究中,Plaweski等[12]比較國際膝關節(jié)文獻委員會(International Knee Documentation Committee,IKDC)評分、脛骨隧道位置的影像學數據(ATB值):導航組膝關節(jié)松弛度的變異性明顯小于常規(guī)組,且常規(guī)組中平均ATB值為-0.2,導航組為0.4(ATB負值提示移植物的髁間撞擊),即傳統(tǒng)的隧道放置有更大的錯位風險從而導致更高的失敗率。Mauch等[13]驗證導航為正確放置脛骨隧道提供良好的支持。Hart等[14]的一項前瞻性隨機對照研究導航組(40例)和傳統(tǒng)手術組(40例)術后骨隧道放射學數據顯示,導航組股骨側隧道中心位置更精確(P<0.01)。邱洪九等[15]也得出相似的結果。相比脛骨隧道,股骨隧道定位不準更容易導致手術失敗,因此,準確獲得股骨隧道位置十分重要[16]。

隨著一期ACL重建數量的增加,翻修ACL重建術隨之增加[17],導航技術在ACL翻修中也有令人滿意的表現。Nakagawa等[18,19]使用三維透視導航,憑借其能夠增強術中可視化的優(yōu)勢,先后在翻修ACL脛骨隧道和股骨隧道中,提高隧道定位準確性和可重復性。Plaweski等[20]在52例失敗的ACL重建中使用導航輔助翻修ACL重建并對新、舊隧道的位置、手術前后松弛度變化以及生物力學進行評估,結果顯示基于傳統(tǒng)放射學標準的骨隧道位置中,36例移植物測量結果不佳,脛骨、股骨隧道位置正確率分別是64%和48%,嚴重低估了移植物的生物力學;新移植物在導航輔助下進行了最佳定位,等距(3.2±0.7)mm,術前、術后整體旋轉松弛度分別為37°±7°(28°～52°)和24°±5°(18°～30°),差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。

雖然在諸多研究中導航的加入提高了隧道位置的準確性,但對于能否獲得更佳的術后效果仍存爭議。Eggerding等[21]的薈萃分析納入5項隨機對照研究(366例),主要指標為IKDC評分、Lysholm評分、膝關節(jié)功能相關指標等,次要指標為膝關節(jié)穩(wěn)定性、隧道位置等,結果顯示導航輔助與傳統(tǒng)ACL重建的結果無差異。Margier等[22]的一項多中心隊列研究顯示,導航用于ACL重建的可行性和潛在利益,從醫(yī)院的角度來看,目前尚不具有成本效益。當然上述研究存在樣本量較少,隨訪時間較短等局限性。同時,不同研究基于不同的導航系統(tǒng)和理論方法,在尸體標本、模型或患者膝關節(jié)上進行,使結果和結論的可比性變得復雜。

2.1.2 ACL重建中的運動學評估

即使導航技術在骨隧道定位中的實際臨床效果存在爭議,但因其能提供對膝關節(jié)松弛程度進行多維度的定量評估,被更多地用于評估ACL重建中的運動學和不同手術方法獲得的穩(wěn)定性。Nakamae等[23]使用導航評估ACL殘留物對膝關節(jié)松弛度的影響,并提出保留殘存的ACL重建可能有利于生物力學的穩(wěn)定。在一項回顧性研究中,Signorelli等[24]納入100例導航ACL重建,并對膝關節(jié)松弛情況進行分析,結果顯示即使ACL重建很成功,術前如果呈現高松弛度的患者術后仍保持較高的松弛程度。Yamamoto等[25]使用導航量化軸移試驗中的脛骨后復位(posterior tibial reduction,PTR)和拉赫曼實驗中的脛骨前移(anterior tibial translation,ATT),以評估膝關節(jié)松弛程度,100例ACL重建,術前松弛程度越高,術后越容易發(fā)生軸移(術后發(fā)生軸移患者術前PTR、ATT均值分別為9.8、15.8 mm,未發(fā)生術后軸移患者分別為5.0、11.9 mm)。

除評估膝關節(jié)的穩(wěn)定性外,用導航來量化雙束ACL重建中的生物力學是另一重要方向,且對于雙束重建是否優(yōu)于單束重建存在爭議。Koga等[26]納入11例雙束ACL重建,術中將前內側束和后外側束暫時固定在移植物張力系統(tǒng)上,在不同移植物固定角度中,20°固定前內側束,20°或45°固定后外側束,比單獨重建前內側束或后外側束的膝關節(jié)穩(wěn)定性更好。Nakamae等[27]測量15例雙束ACL重建前內側束和后外側束在被固定前、后的膝關節(jié)前后和旋轉松弛度,結果顯示在控制脛骨旋轉方面,前內側束固定與后外側束固定在運動范圍內無顯著差異(膝關節(jié)屈曲角度20°～60°,P>0.05)。雙束重建僅在膝關節(jié)屈曲角度為20°和25°時能夠顯著控制脛骨旋轉(手術前后脛骨內旋角度均值分別為11.3° vs. 21.3°和15.2° vs. 22.3°,P<0.05)。在一項前瞻性隨機對照研究中,Ikuta等[28]比較17例單束和雙束重建的運動學數據,二者在膝關節(jié)屈曲20°～50°的脛骨前移和脛骨總旋轉角度差異無統(tǒng)計學意義,認為單束重建在生物力學和膝關節(jié)旋轉穩(wěn)定性方面與雙束重建具有可比性?？梢?計算機導航技術憑借其技術優(yōu)勢,能夠實時獲取所需的運動學參數,正逐漸成為量化膝關節(jié)穩(wěn)定性和更好地了解復合損傷對膝關節(jié)運動學影響的重要工具,對提高ACL重建效果和了解生物力學帶來很大幫助。

2.2 髖關節(jié)鏡

髖關節(jié)鏡手術是治療FAI的有效方法。由于髖關節(jié)周圍有較大的軟組織包裹,使其可視化和空間意識很差,導致關節(jié)鏡下的手術區(qū)域受到限制。在矯正FAI時,評估FAI的原因及骨切除的區(qū)域范圍和充分性十分重要,切除不足癥狀會復發(fā),過度切除可能導致股骨頸骨折、股骨頭缺血性壞死或是因髖關節(jié)吸力密封環(huán)境被破壞引起生物力學改變[29]。計算機導航技術因能在術前規(guī)劃及術中動態(tài)顯示個體患者的病理解剖結構,在近些年成為輔助髖關節(jié)鏡下治療FAI的潛在可能。

Brunner等[30]的前瞻性研究比較導航組(25例)和傳統(tǒng)手術組(25例)治療凸輪型FAI患者的手術前后Alpha角的改善情況、疼痛視覺模擬評分、髖關節(jié)活動范圍等,結果顯示:Alpha角由平均76.5°(57°～110°)改善至54.2°(40°～84°)。2組均有6例(24%)矯正不充分,導航組也未能改善Alpha角矯正不足的比率,這可能是因為未進行術前計劃,沒有詳細了解撞擊區(qū)域和切除的骨量。Almoussa等[31]使用相同的導航系統(tǒng),利用術前CT和導航生成術前計劃,由外科醫(yī)生使用帶有標記序列的指針來繪制矯正區(qū)域,以確保按照術前計劃進行切除,在模型試驗中,導航組Alpha角中位數大于傳統(tǒng)手術組(71.0° vs. 58.6°,P=0.05),明顯改善了Alpha角,同時讓新手醫(yī)生可以同專家一樣實現相同的股骨成形精度,從而能夠降低學習曲線。在一項隨機對照研究中,Van Houcke等[32]比較導航(15例)和傳統(tǒng)手術(14例)治療凸輪型FAI骨切除的精確度,與常規(guī)組相比,導航組平均最大α角明顯改善(55° vs. 66°,P=0.023),特別是在12點鐘位置(45° vs. 60°,P=0.041),同時導航組術后的模擬骨骼活動范圍也有明顯改善;與傳統(tǒng)手術相比,輻射暴露量大、安裝時間長是導航的主要缺點。同樣,Kobayashi等[33,34]借助導航生成三維圖像,協助術前計劃并提供術中導航支持,評估20例接受導航輔助治療患者的骨切除面積輪廓,所有的凸輪切除均在預定區(qū)域,切除深度誤差在3 mm以內者占91.3%,過度切除占3.6%,切除不足占5.1%,證明計算機導航可提高髖關節(jié)鏡手術治療FAI的精確度。在治療FAI中,導航讓術前計劃更加完善,從而能更充分地評估切除范圍,指導術中做到精確切割,從現有的研究中來看較傳統(tǒng)手術效果更好,證明其在髖關節(jié)鏡手術中的應用前景。

2.3 肩關節(jié)鏡

目前,關于導航輔助肩關節(jié)鏡的相關研究并不多見,在有限的報道中展現了其在肩關節(jié)鏡中的應用潛力。在治療肩鎖關節(jié)損傷中,關節(jié)鏡下重建喙鎖韌帶是其常規(guī)手段。重建喙鎖韌帶時需要在喙突上鉆孔建立骨道,當需要多次嘗試才能找到最佳鉆孔位置時,可能會發(fā)生喙突骨折,從而導致手術失敗或預后不良。Theopold等[35]報道導航輔助肩關節(jié)鏡下喙鎖韌帶重建35例,術前患側肩喙鎖平均距離為22.6 mm,術后平均距離為8.8 mm;隨訪期間患側肩喙鎖的平均差值為4 mm,與健側肩關節(jié)差異無顯著性 (P=0.06)。可見,導航能夠提高喙鎖韌帶骨隧道定位的精確度,有效降低相對于傳統(tǒng)手術中多次鉆探帶來的骨折風險,同時減少了術中輻射暴露。Hoffmann等[36]使用自主研發(fā)的電磁導航,在16具尸體上骨隧道均成功放置,且15例定位在理想的中心位置。在肩袖修補中,為檢驗導航輔助下縫合錨插入的準確性和可靠性,Micic等[37]對5名新手外科醫(yī)生在肩關節(jié)模型上進行測試:無導航和有導航的平均角度誤差分別為17°和2°(P<0.05),平移誤差分別為15、3 mm(P<0.05),導航的使用確實讓誤差更小,縫合錨固定的更準確可靠,并且其提供的解剖位置的多平面可視化,能夠幫助外科醫(yī)生更好地了解周圍的解剖結構,在術前規(guī)劃中更好地決定縫合錨的角度和位置。同時,對于Bankart損傷修復,適合的縫合錨放置位置十分重要。Pan等[38]對20例進行初步研究(導航組10例,傳統(tǒng)組10例),將關節(jié)盂分為4個區(qū),比較2組在每個區(qū)域內縫合錨的穿透率:在3區(qū),傳統(tǒng)組和導航組穿透率分別為40.9%和15.7%(P=0.077),在4區(qū)二者穿透率分別為11.1%和16.6%,雖然差異無統(tǒng)計學意義(P=0.657),但導航輔助縫合錨準確性有提高的趨勢,驗證了導航在肩關節(jié)鏡下關節(jié)囊修復術中的適用性。

2.4 其他關節(jié)鏡的應用及進展

在踝關節(jié)鏡中,為避免植入螺釘時距骨內部發(fā)生碰撞,Park等[39]自主研發(fā)一種外固定器和中空螺釘構建的三維導航鉆頭導向器,該技術可在螺釘插入之前預測螺釘軌跡,從而防止了螺釘碰撞,并在踝關節(jié)模型上進行插入螺釘測試中取得良好效果,展現出其在輔助踝關節(jié)融合術經皮螺釘固定的可行性。Shigi等[40,41]的初步研究中,利用導航提供的對手術器械和骨撞擊損傷部位的實時跟蹤,可以有效實現對病變部位的按計劃切除,3位醫(yī)生在15個3D打印的肘關節(jié)炎模型上使用導航輔助關節(jié)鏡下關節(jié)清理,整個肘關節(jié)的空間誤差為1.13 mm,切除體積比計劃平均多8%,計劃面積的85%被切除。Zemirline等[42]開發(fā)和評估了一臺用于腕關節(jié)鏡檢查的基于電磁傳感器的導航系統(tǒng),該系統(tǒng)由關節(jié)鏡圖像采集裝置、電磁定位系統(tǒng)和數據處理裝置組成,能夠在關節(jié)鏡視圖上精確的顯示器械的理論位置,將對腕關節(jié)鏡手術有很大幫助。

近些年,伴隨著組織工程、逆向工程、人工智能等技術的發(fā)展,計算機導航也不僅以單一輔助技術存在。Liu等[43]將3D打印技術與導航結合應用于ACL重建中,對20例常規(guī)手術和23例3D打印導航模板的比較結果顯示:與導航組相比,常規(guī)組股骨隧道位置更下、更淺,脛骨隧道位置更靠近脛骨平臺前、內側邊緣,股骨止點深度超出推薦范圍,并且3D打印的導航模板可以直接定位骨隧道中心點,從而縮短術中定位時間,證明了3D打印導航模板具有良好的定位精度,可以改善骨隧道位置個體化差異的問題。Chen等[44]針對二維關節(jié)鏡手術中手眼協調困難,以及小切口對于手術視野限制等問題,提出一種具有增強關節(jié)鏡信息的新型原位增強現實導航系統(tǒng)。通過關節(jié)鏡圖像獲得術中解剖位置,基于組織屬性的模型變形方法,利用解剖位置信息對三維膝關節(jié)模型進行更新,并將更新后的模型進一步渲染為無需眼鏡的真實3D顯示,從而實現AR視圖。該AR導航能夠準確反映關節(jié)內的結構信息,平均誤差為0.32 mm。同時,與2D關節(jié)鏡導航相比,在膝關節(jié)模型和離體豬膝關節(jié)實驗中使用此導航系統(tǒng)分別降低了2.10、2.70 mm的定位誤差,這將有助于提高關節(jié)鏡手術中的精確度。

3 局限性

現階段計算機導航技術在關節(jié)鏡手術中的應用種類較少,領域較窄,除在ACL重建和FAI的治療外,其他多停留在模型或尸體試驗中,還未廣泛應用于臨床,仍需大量的臨床試驗來積累數據和經驗,并且缺乏對此項技術的長期隨訪研究。與任何應用到臨床中的新技術一樣,其終極目標是反映在患者身上臨床效果的改善。在ACL重建中使用導航系統(tǒng)可以獲得更準確和更具解剖學意義的骨隧道位置,但導航重建和傳統(tǒng)重建的臨床結果相似,同樣的問題也存在于其他關節(jié)鏡的應用當中。關于其能否帶來更好的臨床效果,仍需要更加長期和大量的臨床研究加以佐證。目前,導航系統(tǒng)仍存在包括術中難以注冊、操作復雜性、不十分可靠的準確性等自身技術問題需要解決。導航需要提前安裝調試,甚至有些需要額外的操作來植入標志物,不僅延長手術時間,也提高手術風險[1,45,46]。同時,導航設備是昂貴的,我們必須考慮購買和維護設備的成本和效益問題。就像任何一項新的技術,由于自身不成熟性和術者經驗等原因,存在手術效果提升并不顯著,成本效益不高等問題也是合理的,相信隨著技術的升級再加上一定手術量的積累,以上問題會得到改善。

4 小結

目前,計算機導航技術在關節(jié)鏡手術中的應用尚未成熟。但不可否認的是,導航的加入為關節(jié)鏡手術的發(fā)展帶來更多的選擇和益處:完善術前規(guī)劃,術中實時追蹤反饋,提供更高的精確度和三維可視化,降低學習曲線等。隨著計算機技術和人工智能高速發(fā)展與臨床的結合愈加緊密,更高精度和更微創(chuàng)的個性化手術需求不斷增長,相信計算機導航輔助手術會被越來越多的骨科、運動醫(yī)學科醫(yī)生采用,使廣大患者受益。