計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)韌帶重建中的應(yīng)用

內(nèi)容概要

王大平主編的《計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)韌帶重建中的應(yīng)用》從臨床角度出發(fā)，通過(guò)展現(xiàn)大量臨床資料，采用手術(shù)圖譜的方式，直觀介紹了計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的基本原理、操作步驟，并且分章節(jié)詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在前、后交叉韌帶、側(cè)副韌帶重建手術(shù)中的具體應(yīng)用，以及術(shù)前和術(shù)后需要面對(duì)的問(wèn)題、解決方法?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)韌帶重建中的應(yīng)用》力求通過(guò)本書的介紹，使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的手術(shù)技巧及操作流程一目了然，從而起到“看圖識(shí)術(shù)”的作用。

書籍目錄

序
前言
第一章  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)基本知識(shí)
  第一節(jié)  計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航的應(yīng)用與研究進(jìn)展
  第二節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
第二章  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的組成與工作流程
  第一節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工具
  第二節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)備及工作流程
第三章  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建手術(shù)中的應(yīng)用
  第一節(jié)  膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷的概述
  第二節(jié)  膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷的治療進(jìn)展
  第三節(jié)  導(dǎo)航輔助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)前交叉韌帶重建術(shù)的意義
  第四節(jié)  前交叉韌帶的應(yīng)用解剖及損傷的診斷
  第五節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助關(guān)節(jié)鏡下前交叉韌帶單束重建手術(shù)操作與技術(shù)
  第六節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助關(guān)節(jié)鏡下前交叉韌帶雙束重建手術(shù)操作與技術(shù)
第四章  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)后交叉韌帶重建手術(shù)中的應(yīng)用
  第一節(jié)  膝關(guān)節(jié)后交叉韌帶損傷的概述
  第二節(jié)  膝關(guān)節(jié)后交叉韌帶損傷的治療進(jìn)展
  第三節(jié)  導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)膝關(guān)節(jié)后交叉韌帶重建術(shù)的意義
  第四節(jié)  膝關(guān)節(jié)后交叉韌帶的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用解剖及損傷的診斷
  第五節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助關(guān)節(jié)鏡下后交叉韌帶重建手術(shù)操作與技術(shù)
第五章  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶重建手術(shù)中的應(yīng)用
  第一節(jié)  膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶損傷的概述
  第二節(jié)  膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶損傷的治療進(jìn)展
  第三節(jié)  膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用解剖及損傷的診斷
  第四節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶重建手術(shù)操作與技術(shù)
第六章  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在膝關(guān)節(jié)后外側(cè)結(jié)構(gòu)重建手術(shù)中的應(yīng)用
  第一節(jié)  膝關(guān)節(jié)后外側(cè)結(jié)構(gòu)損傷的概述
  第二節(jié)  膝關(guān)節(jié)后外側(cè)結(jié)構(gòu)損傷的治療進(jìn)展
  第三節(jié)  膝關(guān)節(jié)后外側(cè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用解剖及損傷的診斷
  第四節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助關(guān)節(jié)鏡下膝關(guān)節(jié)胭肌腱重建手術(shù)操作與技術(shù)
  第五節(jié)  計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助關(guān)節(jié)鏡下膝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶及胭腓韌帶重建手術(shù)操作與技術(shù)

章節(jié)摘錄

　　第一章計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)基本知識(shí)　　第一節(jié)計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航的應(yīng)用與研究進(jìn)展　　近十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和精密機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)的日益成熟，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備質(zhì)量的不斷提高，結(jié)合計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)圖像處理及三維可視化、醫(yī)用機(jī)器人、空間三維定位導(dǎo)航系統(tǒng)和臨床手術(shù)，由定量診斷、手術(shù)模擬和預(yù)測(cè)、立體定向?qū)Ш胶瓦h(yuǎn)程醫(yī)療等組成的計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)（Computer Assisted Surgery，CAS）系統(tǒng)已成為生物工程研究的熱門領(lǐng)域之一。它可以對(duì)圖像進(jìn)行三維重建和融合，術(shù)前充分評(píng)估患者的情況，規(guī)劃手術(shù)路徑、方案，模擬手術(shù)，術(shù)中追蹤手術(shù)器械，引導(dǎo)手術(shù)，確定手術(shù)范圍，從而使外科手術(shù)更加精確、安全和微創(chuàng)化（圖1-1-1～圖1-1-6）。　　CAS在骨科手術(shù)中的具體應(yīng)用稱為計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)（Computer-Assisted Ortho-pedic Surgery，CAOS），也稱骨科導(dǎo)航手術(shù)。它綜合了當(dāng)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)斷層掃描、磁共振成像、正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)、數(shù)字減影血管造影等圖像信息，并結(jié)合立體定位系統(tǒng)，對(duì)人體肌肉骨骼解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯示和定位，在骨科手術(shù)中利用計(jì)算機(jī)和醫(yī)用機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)干預(yù)。CAOS為骨科醫(yī)師提供了強(qiáng)有力的工具和方法，在提高手術(shù)定位精度、減少手術(shù)損傷、實(shí)施復(fù)雜骨科手術(shù)、提高手術(shù)成功率方面表現(xiàn)卓越，雖應(yīng)用時(shí)間較短，但應(yīng)用日益廣泛，受到各國(guó)骨科醫(yī)師的高度重視?！　∈中g(shù)導(dǎo)航在臨床手術(shù)中的應(yīng)用可以帶來(lái)如下幾大益處：①通過(guò)使用手術(shù)導(dǎo)航，延伸了醫(yī)生有限的視覺(jué)范圍。通過(guò)在外科手術(shù)中引入圖像的引導(dǎo)，能夠有效地提高手術(shù)精度，縮短手術(shù)時(shí)間，減少手術(shù)創(chuàng)口以及并發(fā)癥的發(fā)生。②全程數(shù)字化的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸與數(shù)字存儲(chǔ)，使遠(yuǎn)程手術(shù)協(xié)作、手術(shù)規(guī)劃仿真、教學(xué)及診療全過(guò)程記錄與回放成為可能。計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)使外科手術(shù)迅速、安全、準(zhǔn)確，導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)字化、實(shí)時(shí)化和智能化是未來(lái)的發(fā)展方向。當(dāng)然目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)仍處在發(fā)展階段，在使用中仍存在很多實(shí)際問(wèn)題，需要結(jié)合醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化醫(yī)療圖像設(shè)備的逐步完善。　?。ㄒ唬?dǎo)航系統(tǒng)的工作原理及組成　　工作原理：手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是利用數(shù)字化掃描技術(shù)所得到的患者術(shù)前影像信息（CT、MRI、C型臂影像等）通過(guò)媒介體輸入到系統(tǒng)的核心――功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)工作站，經(jīng)過(guò)高速運(yùn)算處理后重建患者的三維模型影像，手術(shù)醫(yī)生即可操作相關(guān)軟件（神經(jīng)外科、脊柱外科、耳鼻喉科、整形外科等），在此影像基礎(chǔ)上進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃，并可設(shè)定多條手術(shù)計(jì)劃路線（圖1-1-7，圖1-1-8）?！　⊥ㄟ^(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在實(shí)際手術(shù)過(guò)程中通過(guò)系統(tǒng)紅外線攝像頭動(dòng)態(tài)追蹤手術(shù)器械相對(duì)患者解剖結(jié)構(gòu)的當(dāng)前位置（圖1-1-9），并明確提示患者的影像資料，手術(shù)醫(yī)生通過(guò)顯示屏從各個(gè)方位觀察到當(dāng)前的手術(shù)入路以及各種參數(shù)（角度、深度等）。從而最大限度地避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)，在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)靶點(diǎn)，減少手術(shù)創(chuàng)傷以及并發(fā)癥，完成真正意義上的微創(chuàng)手術(shù)?！　。ǘ┦中g(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的基本構(gòu)成　　手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的設(shè)備一般包括：位置跟蹤設(shè)備，手術(shù)器械，患者及手術(shù)導(dǎo)航服務(wù)器（圖像處理與顯示，位置信息采集與顯示，與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)與通訊等）。利用注冊(cè)方法，將各設(shè)備的坐標(biāo)系統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系下，以手術(shù)器械與手術(shù)圖像的位置關(guān)系，對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行定位與跟蹤，并在圖像系統(tǒng)中顯示出來(lái)（圖1-1-10）?！　∈中g(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)基本構(gòu)成主要有以下幾個(gè)方面：①手術(shù)導(dǎo)航工具用于發(fā)射或反射光信號(hào)以確定手術(shù)工具的位置。②位置跟蹤儀是通過(guò)接受光電信號(hào)來(lái)監(jiān)視跟蹤手術(shù)器械的位置（圖1-1-11）。③監(jiān)視器用于反映手術(shù)器械的位置和患者的影像資料。④工作站可將虛擬坐標(biāo)系與實(shí)際坐標(biāo)系通過(guò)計(jì)算匹配（圖1-1-12）?！　。ㄈ?dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷史　　導(dǎo)航技術(shù)的最早應(yīng)用是1907年Horsley和Clarke在小動(dòng)物身上的實(shí)驗(yàn)研究。由于利用體外解剖標(biāo)志位置來(lái)確定體內(nèi)位置，精度較差，不能應(yīng)用于人體手術(shù)。直到1947年，Spiegal和Wycis采用一種被稱為“氣腦造影術(shù)”的圖像技術(shù)給軟組織標(biāo)志予以空間定位，才首次開(kāi)創(chuàng)了導(dǎo)航系統(tǒng)在人體手術(shù)中的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代至60年代，導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于丘腦切開(kāi)手術(shù)中，但這一時(shí)期的導(dǎo)航系統(tǒng)都是基于平面影像。CT技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得三維空間定位成為可能，為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展提供了廣闊的空間。近20年來(lái)，各種導(dǎo)航系統(tǒng)相繼問(wèn)世，并逐漸應(yīng)用于臨床?！　∽詈?jiǎn)單的影像導(dǎo)引系統(tǒng)僅由頭部定位框架和有標(biāo)志點(diǎn)的影像所組成，只能用于術(shù)前計(jì)劃。進(jìn)一步的發(fā)展是有臂系統(tǒng)，即用數(shù)字化機(jī)械臂作為空間定位設(shè)備，不僅能用于術(shù)前規(guī)劃，還可用于術(shù)中導(dǎo)航，這類產(chǎn)品中最具代表性的是加拿大ISG Technology公司的觀察棒（Viewing Wand）。該類產(chǎn)品由于機(jī)械臂的使用給手術(shù)醫(yī)師帶來(lái)了不便。更進(jìn)一步的系統(tǒng)成為自由漂浮系統(tǒng)，即無(wú)臂系統(tǒng)，這類系統(tǒng)在患者和影像之間沒(méi)有機(jī)械臂相連，而是用光學(xué)、電磁感應(yīng)等方法來(lái)聯(lián)系患者和影像，追蹤并記錄手術(shù)器械的位置。目前最新的影像引導(dǎo)系統(tǒng)是機(jī)器人手術(shù)顯微鏡，即機(jī)器人根據(jù)術(shù)前制定的方案自動(dòng)調(diào)整手術(shù)顯微鏡的位置，利用機(jī)器人做手術(shù)?！　。ㄋ模?dǎo)航系統(tǒng)的分類　　1.按交互方式分類　　所有的CAS系統(tǒng)均是導(dǎo)航工具與手術(shù)環(huán)境（包括醫(yī)生）的交互操作，從而實(shí)現(xiàn)一定的空間位置關(guān)系。按照交互方式的不同，將手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)分為主動(dòng)式、半主動(dòng)式、被動(dòng)式3種?！　”粍?dòng)式手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)占據(jù)主要的市場(chǎng)份額?！　。?）手術(shù)機(jī)器人可歸為主動(dòng)式導(dǎo)航系統(tǒng)，這是因?yàn)闄C(jī)器人在實(shí)施手術(shù)的過(guò)程中完全憑借機(jī)器手進(jìn)行操作，不需要手術(shù)醫(yī)生的人工干預(yù)。機(jī)器人可以按照手術(shù)計(jì)劃進(jìn)行精確的手術(shù)操作，但目前機(jī)器人在靈活性方面卻往往難以滿足手術(shù)的復(fù)雜性要求，因而限制了手術(shù)機(jī)器人的臨床推廣應(yīng)用?！　。?）半主動(dòng)式導(dǎo)航系統(tǒng)屬于第2代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未見(jiàn)臨床應(yīng)用報(bào)道。它允許醫(yī)生在機(jī)器人控制的安全范圍內(nèi)隨意移動(dòng)手術(shù)工具，但如果手術(shù)超越此安全范圍，系統(tǒng)將終止操作。該系統(tǒng)不但確保了手術(shù)的安全性，還充分發(fā)揮了人手的靈活性，有待進(jìn)一步研究、應(yīng)用?！　。?）被動(dòng)式導(dǎo)航系統(tǒng)在手術(shù)過(guò)程中起輔助作用，僅僅控制手術(shù)工具的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，最終的手術(shù)操作還要靠手術(shù)醫(yī)生來(lái)完成（圖1-1-13，圖1-1-14）?？臻g立體定位技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)，可確定手術(shù)器械與患者解剖結(jié)構(gòu)之間的空間位置關(guān)系。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的方法主要有光學(xué)定位法、電磁定位法、超聲定位法和機(jī)械手定位法等?！　?.按照被動(dòng)系統(tǒng)是否采用術(shù)前CT分類　　按照被動(dòng)系統(tǒng)是否采用術(shù)前CT分為需影像的系統(tǒng)和無(wú)需影像的系統(tǒng)。無(wú)需影像系統(tǒng)還有兩個(gè)亞型：①以標(biāo)志結(jié)合點(diǎn)動(dòng)力性建模的系統(tǒng)；②以三維骨建模為基礎(chǔ)的系統(tǒng)?！　?.按導(dǎo)航信號(hào)分類　?。?）光學(xué)定位（紅外線）：是目前使用最廣、精度最高的主流定位方法，以CCD攝像機(jī)作為傳感器，利用安裝在手術(shù)器械上的發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線的空間位置，判斷手術(shù)器械的位置和姿態(tài)，指導(dǎo)醫(yī)生完成操作。典型的精度為1mm。優(yōu)點(diǎn)是手術(shù)器械更換方便、體積小、易操作、可跟蹤多個(gè)目標(biāo)、速度快，缺點(diǎn)是易受手術(shù)室背景光線和其他反射物的干擾、價(jià)格昂貴（圖1-1-15）?！　。?）磁（電場(chǎng)）定位：利用每個(gè)電磁產(chǎn)生的線圈定義一個(gè)空間方向，共3個(gè)線圈，然后根據(jù)已知的對(duì)位關(guān)系就可以確定目標(biāo)的空間位置。精度較高一般為3mm。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較低、體積小、不被遮擋，缺點(diǎn)是工作范圍小、易受鐵磁性物體的干擾?！　。?）機(jī)械定位法：即機(jī)械手，至少有6個(gè)自由度，且每個(gè)關(guān)節(jié)均有編碼器，可通過(guò)其幾何模型和關(guān)節(jié)編碼器的瞬時(shí)值計(jì)算出與機(jī)械手相連的手術(shù)器械位置。機(jī)械定位法是最早應(yīng)用到CAOS系統(tǒng)的定位方法，典型精度為2～3mm。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠、可在特定位置夾持手術(shù)器械，缺點(diǎn)是系統(tǒng)龐大、無(wú)法跟蹤移動(dòng)物體、自由運(yùn)動(dòng)有限?！　。?）聲學(xué)（超聲信號(hào)）定位：在手術(shù)器械上放置N個(gè)（≥3）超聲發(fā)射器，通過(guò)測(cè)定超聲波的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算發(fā)射器與接收器間的距離，從而計(jì)算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。精度一般為5mm。聲學(xué)（超聲信號(hào)）定位具有價(jià)格便宜、校準(zhǔn)方便的優(yōu)點(diǎn)，但易受環(huán)境的影響，精度差，存在遮擋干擾現(xiàn)象?！　‖F(xiàn)在的手術(shù)導(dǎo)航儀主要使用紅外光學(xué)系統(tǒng)作為定位裝置，主要是因?yàn)榉直鏈?zhǔn)確，可三維定位，不受手術(shù)室內(nèi)其他設(shè)備干擾，比起過(guò)去的導(dǎo)航有很多優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)有：①主/被動(dòng)紅外光作為定位光源，不受自然光影響；②可全自動(dòng)識(shí)別手術(shù)器械；③可自我診斷，方便知道導(dǎo)航的精確度；④可無(wú)線遙控，操作簡(jiǎn)單迅速；⑤方便的手術(shù)器械注冊(cè)，可使自己的手術(shù)器械變成導(dǎo)航示蹤器；⑥大視野攝像跟蹤系統(tǒng)使操作的限制明顯減少?！　。ㄎ澹?dǎo)航系統(tǒng)在臨床中的應(yīng)用　　CAS系統(tǒng)從一出現(xiàn)，就不斷得到臨床應(yīng)用的檢驗(yàn)。許多報(bào)道描述了相關(guān)的各種應(yīng)用步驟。最優(yōu)到達(dá)病灶、確定切除程度、保證完成既定手術(shù)方案和保護(hù)非病態(tài)重要結(jié)構(gòu)等，在任何手術(shù)中都是基本原則。這些原則是微創(chuàng)手術(shù)的重點(diǎn)，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是這些原則的重要保障。下面是CAS系統(tǒng)在各種臨床中的主要應(yīng)用?！　?.神經(jīng)外科手術(shù)　　切除顱內(nèi)腫瘤可能是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)最普遍的應(yīng)用。由于人腦的特殊性，顱內(nèi)病灶是不能直接看到的。對(duì)于顱內(nèi)腫瘤，首先要精確確定腫瘤位置，在圖形工作站上計(jì)劃最佳手術(shù)路徑。預(yù)先在患者頭部做出標(biāo)記，一旦在手術(shù)室中的配準(zhǔn)工作完成，立體定位系統(tǒng)可以準(zhǔn)確指導(dǎo)開(kāi)顱位置和深度，引導(dǎo)精密儀器通過(guò)頭顱的一個(gè)小孔進(jìn)入大腦組織。小孔切口的位置、形狀和大小都被裁剪得最優(yōu)。手術(shù)中盡可能避開(kāi)大腦中的重要組織器官，如主要血管和運(yùn)動(dòng)中樞。導(dǎo)航系統(tǒng)可以跟蹤手術(shù)儀器的位置，使醫(yī)生在顯示器上監(jiān)視儀器是否按最優(yōu)路徑到達(dá)病灶。病灶的切除基于同樣的技術(shù)完成?！　　?/pre>








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