Аннотация】 Цель — изучить и оценить специфику применения компьютерной хирургии (CAS) в ортопедии. Методы Начиная с текущего состояния применения, состава системы и режима работы CAS, мы исследовали его конкретное применение и тенденции развития в различных областях ортопедии. Результаты обсуждались от мелких к глубоким, а преимущества и недостатки CAS были обобщены более систематическим и всеобъемлющим образом. Заключение CAS станет важным инструментом в ортопедической хирургии и хорошим техническим методом. Ван Вэйгуо, отделение ортопедо-травматологической хирургии, Главный госпиталь военного региона Цзинань
【Ключевые слова】 Компьютерная помощь; ортопедическая хирургия; стереотаксическая технология позиционирования
Быстрое развитие компьютерных технологий способствовало развитию технологии визуализации медицинских изображений. Для того чтобы хирурги могли с первого взгляда понять взаимосвязь между положением хирургических инструментов и анатомией пациента, а также сделать операцию более точной, безопасной и удобной, люди объединяют компьютерные технологии, технологии виртуальной реальности, технологии медицинской визуализации, технологии обработки изображений и робототехнику с хирургией, в результате чего компьютерная ассистированная хирургия (CAS) является новой комплексной технологией, основанной на способности компьютеров обрабатывать и контролировать большие объемы данных и информации на высокой скорости, а также поддерживать хирургов через виртуальную хирургическую среду, чтобы сделать операцию более безопасной и точной. Компьютерные технологии, технология пространственного позиционирования и другие технологии 3D реконструкции и слияния изображений позволяют хирургам полностью оценить состояние пациента перед операцией, детально спланировать хирургический путь и план, смоделировать операцию, отслеживать хирургические инструменты во время операции, направлять операцию и определять объем операции, тем самым делая операцию более точной, безопасной и минимально инвазивной.
Конкретное применение CAS в ортопедической хирургии называется компьютерной ортопедической хирургией (CAOS), которая объединяет передовое оборудование в современной медицине: компьютерную томографию (КТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), цифровую ангиографию сосудов (DSA), ультразвуковую визуализацию (US) и др. ), ультразвуковая визуализация (US) и медицинская робототехника (MR). CAOS предоставляет хирургам-ортопедам мощные инструменты и методы для повышения точности хирургического позиционирования, уменьшения хирургических травм, проведения сложных ортопедических операций и повышения успешности хирургического вмешательства. Технология CAOS была внедрена в Европе и Северной Америке с начала 1990-х годов, и хотя она используется в течение короткого периода времени, она очень быстро развивается и находит все более широкое применение. Здесь описывается применение CAOS в ортопедической хирургии.
1 Статус применения CAOS
Хотя развитие технологий медицинской визуализации (таких как КТ и МРТ, которые могут отображать трехмерную структуру сложных частей строения) позволило врачам проводить более адекватную и точную оценку состояния пациента, чем раньше, эти характеристики изображения не применимы во время операции, где хирург полагается в основном на двухмерные рентгеновские изображения и подвергается риску облучения. Поэтому разработка интраоперационных систем трехмерной визуализации необходима для некоторых ортопедических процедур. Появление хирургической навигации дало важный ключ к решению этих проблем, а принцип ее построения был заимствован из технологии глобального спутникового позиционирования. Компьютерная хирургия (CAS) впервые возникла как стереотаксическая техника в нейрохирургии, а методы пространственного позиционирования прошли через роботизированные методы позиционирования, оптические методы позиционирования и электромагнитные методы позиционирования, не затуманенные светом. В связи с развитием технологии пространственного позиционирования его оборудование все меньше и меньше влияет на ход операции и постепенно начинает использоваться в спинальной хирургии. С быстрым развитием технологии медицинской визуализации и компьютерных технологий CAOS прошла начальный период развития систем CAOS, основанных на предоперационной наводке изображения на основе КТ, которая требует ручной регистрации, интраоперационной наводке изображения на основе КТ или рентгеновского изображения, а также интраоперационной наводке изображения на основе КТ. Guidanceor Fluoroscopy-Based Image Guidance) для автоматической регистрации систем CAOS, трехмерной рентгеноскопии C-Arm для навигации, а будущие системы CAOS будут иметь автоматическое согласование регистрации на основе интраоперационных реальных 3D изображений.
1.1 Компоненты системы CAOS
Системы CAOS можно разделить на аппаратные и программные компоненты. Аппаратные компоненты различных навигаций примерно одинаковы: они включают в себя устройства визуализации, инструменты навигации и позиционирования, а также компьютерные рабочие станции. Средства позиционирования различных навигационных систем также схожи: включают динамическую опорную базу (DRB), калибровочное приспособление, передатчик, приемник и т.д. Программное обеспечение в основном относится к компьютерным операционным процедурам: включая обработку изображений, алгоритмы согласования, регистрацию инструментов, позиционирование, измерение угла, расстояния и другие операционные системы. Обработка изображений включает в себя 3D реконструкцию, сегментацию изображения, слияние изображений и т.д. Программная система является ядром технологии CAOS. В настоящее время различные продукты CAOS имеют несовместимое программное обеспечение, и для различных процедур, таких как замена коленного сустава, замена тазобедренного сустава и навигация по педикулярным винтам, требуются различные пакеты программного обеспечения. Поэтому разработка совместимого программного и аппаратного обеспечения может стать будущим направлением развития CAOS.
1.2 Принцип работы CAOS
Предоперационное получение изображений, т.е. информация об изображении пациента, полученная в ходе предоперационной рентгенографии, КТ, МРТ, вводится в компьютер системы CAOS, которая обрабатывается программным пакетом для построения 3D. На основе анатомической информации пациента врач может составить предоперационный план и смоделировать операцию, определить размер эндооссального имплантата, путь имплантации и точное место расположения. После входа в операционную на усилитель изображения С-армы устанавливается корректирующее устройство, оптоволоконный кабель С-армы подключается к навигации, передатчик фиксируется на пациенте, передатчик подключается, а приемник подключается к навигационной системе. Расстояние между С-образной манипулой и местом операции пациента регулируется, получается информация об изображении, изображение выравнивается, регистрируется инструмент, вычислительно позиционируется компьютером, отслеживается инструмент, выводится изображение, и операция начинается после подтверждения того, что положение, указанное инструментом, совпадает с положением на навигационном изображении. Конкретная операция отличается от одной навигации к другой, но общая процедура схожа. Интраоперационная навигационная система отслеживает хирургические инструменты и отображает многомерные изображения в реальном времени, чтобы направлять ход операции. Благодаря внедрению CAOS хирурги-ортопеды могут более идеально решать операции с более неясной, непонятной и сложной анатомией.
2 Применение CAOS в хирургии позвоночника
CAOS была впервые применена в технологии педикулярных винтов, начиная с поясничного и нижнегрудного отделов позвоночника, применяя педикулярную винтовую фиксацию в верхнегрудном и шейном отделах позвоночника, и широко продвигается и применяется в коррекции деформации сколиоза, технологии винтов шейного бокового блока, передней внутренней системе фиксации позвоночника и резекции тел позвонков и т.д. Технология становится все более и более зрелой. Из-за большой анатомической вариации и очевидных индивидуальных различий в коррекции деформации позвоночника и хирургии переломов позвоночника анатомический признак имплантации педикулярного винта не очевиден, технология CAOS может минимизировать случаи неправильного положения винта, поэтому применение системы CAOS более точное и безопасное, чем традиционная технология имплантации винта, количество интраоперационного облучения хирурга и пациента значительно снижено, а операция более малоинвазивна.
2.1 Поясничный отдел позвоночника
Традиционная техника введения винтов в поясничный отдел позвоночника характеризуется высокой частотой неправильного позиционирования винтов, однако Фоли и др. применили навигационную технику для введения винтов от T11 до S1 у 6 трупов без единого случая проникновения в кору. Kalfas et al. установили 150 винтов 30 пациентам в поясничном отделе позвоночника.
2.2 Торакальный отдел позвоночника
Из-за наличия грудного контура грудная ножка мала, и точность установки педикулярных винтов снижается из-за влияния грудного контура при интраоперационной рентгеноскопии. Лабораторные и клинические исследования показали, что частота перфорации ножки в грудном отделе позвоночника при использовании традиционных методов составляет от 15,9% до 54,7%. Merloz et al. сообщили, что только 6,6% винтов были плохо позиционированы при использовании CAOS в хирургии коррекции сколиоза грудного сегмента.
2.3 Шейный отдел позвоночника
Анатомия шейного отдела позвоночника сложна, он тесно прилегает к нерву и позвоночной артерии, а позвоночная артерия очень изменчива, что требует более точной и сложной хирургии. Клинические исследования показали, что при технике фиксации винтами нижнего шейного бокового блока частота неправильного смещения составляет 1 4%, а у 5% наблюдаются значительные симптомы повреждения нервного корешка, в то время как применение системы C A O S значительно повысило безопасность и точность процедуры. 6% образцов не смогли получить винтовую фиксацию, когда система CAOS была применена Bloch et al. для выполнения винтовой фиксации бокового блока C1 — C2 на 17 трупах, а 23% образцов не смогли получить винтовую фиксацию при использовании обычных рентгенографических и анатомических маркеров. Welch и др. использовали навигацию для проведения трансоральной одонтоидэктомии и резекции опухоли с удовлетворительными результатами, а Kotani и др. сообщили, что частота перфорации при имплантации шейных педикулярных винтов с помощью системы CAOS была значительно ниже, чем в обычной хирургической группе, а размещение винтов было более точным и идеальным. С разработкой системы CAOS фиксация шейных педикулярных винтов перестанет быть технической проблемой, а станет более точной и безопасной. Кроме того, система CAOS также используется для чрескожной фиксации поясничных педикулярных винтов, спинальной эндоскопии, передней шейной, грудной и поясничной резекции тел позвонков и опухолей и декомпрессивной хирургии, используя специальные кусающие щипцы, которые можно отслеживать с помощью навигации, что делает резекцию тел позвонков и опухолей более безопасной и снижает риск повреждения сосудистых нервов. Преимущества CAOS в хирургии педикулярных винтов очевидны после почти 10 лет клинического применения. С точки зрения доказательной медицины, применение системы CAOS может стать золотым стандартом в хирургии фиксации педикулярных винтов.
3 Применение технологии CAOS в хирургии суставов
3.1 Тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава
В рандомизированном контролируемом проспективном исследовании, проведенном Teenders et al., 150 пациентов с тотальным эндопротезированием тазобедренного сустава были случайным образом разделены на группы CAOS и традиционной хирургии. Кроме того, DiGioia et al. сообщили, что использование навигации при тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава привело к сокращению хирургического разреза на 50% и улучшению послеоперационной функции благодаря правильной установке вертлужного протеза.
3.2 Замена коленного сустава
При эндопротезировании коленного сустава важно восстановить отрицательную силовую линию нижней конечности, а послеоперационный угол инверсии сустава менее ±3° оказывает значительное влияние на долгосрочный исход эндопротезирования коленного сустава. Точность определения силовой линии нижней конечности при эндопротезировании коленного сустава по системе CAOS выше, чем при традиционной хирургии, что важно для долгосрочной функции коленного сустава. Техника CAOS позволяет стандартизировать и согласовать операцию, что дает возможность отделить различные сложные причины, влияющие на послеоперационный исход артропластики, от хирургических причин, что важно для оценки эффективности операции артропластики.
3.3 Артроскопия и другие аспекты
Picard et al. провели рандомизированный контролируемый экспериментальный анализ применения навигационной системы (система KneeNav-ACL) при симуляции in vitro по сравнению с традиционной артроскопической реконструкцией передней крестообразной связки колена и показали, измерив расстояние между точкой идеального положения, установленной до операции, и реальным хирургическим отверстием кости, что навигационная система была более точной, чем традиционная артроскопическая хирургия, со статистической разницей между двумя группами. Кроме того, Ланглотц и др. применили систему CAOS для выполнения околовертлужной остеотомии в тазу, что позволило сделать операцию точной до 0,5 мм в экспериментальном исследовании, а клиническая точность хирургической остеотомии может достигать около 2 мм. CAOS помогает врачам моделировать остеотомию до операции, точно рассчитывать величину остеотомии и угол вертлужной впадины, а также мгновенно отображать изображения с помощью инструментов слежения во время операции, чтобы врачи могли оперировать более точно и избежать травмы медицинского источника. Она также помогает обучать врачей с меньшим опытом остеотомии околовертлужной впадины.
4 Применение технологии CAOS в травматологической ортопедии
Основная проблема применения CAOS в травматологической ортопедии заключается в разработке программного обеспечения для репозиции перелома и контроля репозиции перелома во время операции, поскольку система CAOS основана на предоперационной или интраоперационной технологии виртуального изображения, интраоперационная репозиция перелома, смещение блока перелома, смещение опорной базы и т.д. могут вызвать большие ошибки в системе CAOS, и точность ведения операции значительно снижается. Hufner и др. разработали новую систему программного обеспечения CAOS для репозиции переломов тазового кольца при внутренней фиксации, и различия между двумя группами в степени остаточного смещения и угле поворота не были статистически значимыми (в среднем около 1 мм и 0,7°) по сравнению с репозицией блока перелома под прямым зрением. Jacob et al. сообщили о клиническом применении техники CAOS для имплантации крестцово-подвздошного винта с удовлетворительными результатами; Slomczykowaki et al. сообщили о применении системы CAOS для внутренней фиксации перелома бедренной кости с помощью блокирующего интрамедуллярного гвоздя, причем все блокирующие гвозди фиксировались за один раз, время операции сократилось, а интраоперационное облучение значительно уменьшилось. В настоящее время система CAOS является ключевым направлением развития в хирургии сращения переломов и внутренней фиксации, и существует большой рыночный спрос, если произойдет большой прорыв в разработке программного обеспечения для сращения переломов, перспективы применения будут очень привлекательными.
5 Проблемы и тенденции развития CAOS
Постоянное совершенствование системы CAOS сильно способствовало развитию ортопедии: она повысила точность операции и надежность инструментов благодаря отслеживанию и отображению хирургических инструментов; она стимулировала развитие хирургических инструментов в направлении большей точности; она может адаптировать план операции для каждого конкретного пациента; она позволила развивать эндопротезы в направлении большей точности и совершенства; она уменьшила воздействие операции и сделала операцию более точной, безопасной и минимально инвазивной; CAOS Появление CAOS также принесло совершенно новую область в ортопедию, сделав развитие ортопедии более интеллектуальным, минимально инвазивным и стандартизированным. Однако технология CAOS все еще находится на стадии развития, имеет высокую стоимость; инструменты все еще довольно примитивны; громоздкое оборудование; громоздкая операция; для освоения технологии CAOS требуется период обучения; предоперационное выравнивание изображений может давать ошибки, интраоперационный процесс регистрации может давать ошибки, динамическое опорное кольцо может быть смещено интраоперационно, сама навигация имеет свою собственную точность, и могут возникать собственные ошибки оператора, влияющие на ее точность. Ее стоимость и преимущества нуждаются в дальнейшей оценке, однако с развитием науки и техники система CAOS будет постоянно совершенствоваться и улучшаться, а ее применение в ортопедии будет становиться все более широким.
В заключение следует отметить, что технология CAS — это совершенно новая область, которая будет способствовать развитию хирургических методов и сделает хирургическую процедуру более удобной и интуитивно понятной, но она является лишь вспомогательным средством для диагностики и лечения заболеваний и должна работать под строгим и специализированным контролем хирургов, чтобы вовремя исправить ошибки, если таковые имеются, без ненужных результатов. Система ассистированной хирургии не только заменяет обычную сложную хирургию, уменьшает количество рентгеновского излучения для пациентов и медицинского персонала в обычной хирургии, но и упрощает хирургические операции, сокращает время операции и анестезии, значительно уменьшает физическую боль пациентов, сокращает время госпитализации пациентов, снижает медицинские расходы и позволяет пациентам как можно скорее вернуться в общество. Таким образом, этот метод является более экономичным, безопасным, точным и удобным, чем традиционная хирургия.
Ссылки
1 Qiu Guixing. Применение технологии компьютерной навигации в ортопедической хирургии. Китайский журнал ортопедии, 2006, 26: 651
2 Wang Manyi, Wang Junqiang. Компьютерная навигация в ортопедической хирургии и применение медицинской робототехники в травматологии. Китайский журнал ортопедической травматологии, 2005, 11: 1004
3 Филипп Мерлоз. Развитие автоматизированных систем в ортопедии. Китайский журнал ортопедической хирургии, 2006, 26: 65
4 Xiong Chuanzhi, Hao Jingming, Xu N. Сравнение компьютерной томографии и рентгенограммы для определения положения педикулярного винта. Chinese Journal of Spinal Cord, 1998, 8(3):153.
5 Yang YF, Ye Y, Zheng J. Применение ортопедической хирургической навигационной системы при фиксации педикулярного винта. Китайский журнал ортопедической хирургии, 2005, 1(13):75.
6 Wu JH, Wu BO. Клиническое применение компьютеризированной навигационной системы при лечении переломов шейки бедра. Китайский журнал ортопедической хирургии, 2005, 4(13):626.
7 Amiot LP, Labelle H, De Guise JA.Computer assisted pedicle screw installation.Ann Clair, 1996, 50(8):626.
8 SchepNW, HeintjesRJ. Retrospective analysis of factors influencing the operative result after percutaneous osteosynthesis of intracapsular Injury, 2004, 35: 1003-1009.
9 GrossMH. Компьютерная графика в медицине: от визуализации до моделирования операций. computerGraphics (ACM), 1998, 32: 53-56.
10 Branislav J, Digioia AM, McGowan DP. Разработка стандартов для CAOS. Вашингтон: AAOS Biomedical Engineering Committee Presented at the American Academy of Orthopaedic Surgeons 72nd AnnualMeeting, 2005. 23-27.
11 SlomczykowskiMA, Hofstetter R, Sati M, et a.l Novel computer-assisted fluoroscopy system for intraoperative guidance: feasibility study for distal locking of femoral nails. j Orthop Trauma, 2005, 15: 122-131.