基于多模数据计算机辅助骨科手术系统设计

徐菁 赵晓琳 肖梦君 张雪红 张东升 程运福 山东第一医科大学（山东省医学科学院）放射学院 （山东 泰安 271016）

内容提要： 在全膝关节置换手术中，可采用多种成像技术。应融合不同的成像优势，根据临床诊断进行选择，用以在术前进行规划、术中导航以及术后随访。

在计算机辅助手术中，多种影像学检查方法可广泛应用于对病情的前期诊断、测量力线、截骨、制作假体模型以及指导手术的完成。分析各数据的优势和局限，才能在手术中合理选择使用。

1.计算机断层扫描

CT检查可用于观察膝关节解剖结构比较复杂的区域，或用以显示软组织为主的病变。如需了解骨质破坏、髓腔情况、骨内或软组织内的淡薄钙化或骨化、骨肿瘤的内部结构和肿瘤对软组织的侵犯范围，亦可辅以CT检查。

CT检查的优势：①成像速度快，可对一些危重患者进行紧急检查。②对骨骼的显示较为清晰，有利于显示病变的范围及对周围组织的侵犯程度。③可检查体内有铁磁性物质如心脏起搏器等而MRI检查禁忌的患者。④检查价格相对低廉。另外，通过CT扫描进行三维重建，可以克服X射线片为二维图像的缺点[1]。通过高分辨率CT扫描并三维重建获得患者个体化三维骨骼模型——“截骨模板”，然后通过计算机模拟膝关节表面置换过程，预先设定截骨方位，可极大地改善通用机械对复杂病例的处理局限，提高手术精度和成功率[2]。CT的局限性主要包括：①当病变与周围正常组织密度差异不大时，CT检查往往难以发现。②由于部分容积效应和周围间隙现象的作用，可能会漏诊一些微小病变。③增强扫描使用的对比剂为碘剂，碘过敏患者不能进行该项检查。④对人体有一定的辐射损伤，未成年患者需做好防护准备。

CT依赖型导航在手术中进行采点，计算机接收人体的三维空间位置的信号后，结合其储存的庞大数据库进行处理和分析，可形成人体的三维虚拟图像，达到建立模型的目的。再结合系统内预存的数据库中假体的资料和手术方法，提出手术方案[3]。

2.磁共振成像

MRI在肌骨系统的首要应用是显示骨髓病变，对感染、缺血、创伤及肿瘤等疾病均可进行良好的成像与识别，可直接显示滑膜、纤维软骨、肌腱、膝关节交叉韧带等的解剖结构。对于CT无法诊断的隐匿性骨折、骨松质细微结构破坏、骨髓腔内的病变，MRI可进行辅助检查。磁共振成像在肌骨系统中应用越来越广泛，MRA不需对比剂即可提供恶性肌骨系统肿瘤患者的信息，为制定治疗方案提供了支持依据；MRI关节造影有助于了解关节创伤及疼痛的病因；FMRI可检查到形态未变但功能已改变的病变，从而早期诊断病变周围是否被侵犯。

磁共振成像的优势：①多方位成像，可获取横断、冠状、矢状断面和斜位等不同体位的体层图像，对患者膝关节的病变及周围的解剖关系可有初步了解。②多参数成像，可获得T1WI、T2WI、PDWI等多种加权像，通过多种成像参数获得详细的生理、生化信息。③对比度高，MRI是所有成像技术中软组织对比度最高的成像方式，选择合适的脉冲序列可使肌腱、韧带、半月板、软骨等清晰成像，为手术提供依据。④血管检查无需对比剂和无辐射损伤。局限性：①体内装有铁磁性物体的患者无法做该项检查。②氢质子成像对骨密质的成像效果不如CT；高场强噪声大。③检查时间较长，不适用于急症患者。

3.正电子发射断层扫描

PET是目前唯一用解剖形态方式进行功能、代谢和受体显像的设备，被称为“受检者生化代谢显像”设备，可对骨转移瘤、原发性骨肿瘤、急性骨髓炎等多种骨性疾病进行早期诊断，提前发现病变。在人工关节术后3～9个月，若人工关节周围的骨质出现显像剂异常聚集，表明人工关节有松动或感染，可以进行标记白细胞显像等进一步检查，以鉴别松动和感染。血流相、血池相和延迟相骨显像是判断骨移植是否成活更为敏感和特异的检测方法。影像学PET和CT相结合，增加了正电子显像技术在临床的应用，具备同机图像融合的功能，利用X射线对核医学图像进行衰减校正，进行PET和CT图像的精确定位，可同时获得病变部位的功能代谢状况和精确解剖结构的定位信息。骨的膝关节SPECT显像对多种损伤引起的膝关节痛有筛查作用，不仅无创且有较高的灵敏度。此外，该技术还对膝关节镜的检查有导向作用。

4.数字血管剪影和超声成像

DSA是诊断血管疾病的金标准，对血管畸形、狭窄、栓塞、动脉夹层等都有较好的显示，还可了解肿瘤疾病的血供及进行介入治疗和治疗后的随访等。但是DSA为有创性检查，危险性相较之间检查技术高，故对前期准备的要求比较严格。

超声检查可以自由、实时地对受检部位进行多切面扫查，且无辐射危害，可做肌腱、韧带、关节软骨、滑囊、外周神经等多部位检查。超声内镜将超声和内镜结合在一起，可进入人体进行扫查，获得的影像信息更准确。在超声引导下的穿刺也在临床中广泛应用，优势在于引导准确、简单方便、安全可靠和费用低廉。术中超声直接在脏器表面进行扫查，图像更清晰、分辨率更高，可发现术前检查无法显示的一些微小病变，实时了解血流动力学信息。术中引导操作，无放射性，操作方便。

目前，融合X射线照片、CT扫描、MRI、PET、超声数据，从不同角度探讨髌骨关节的影像学诊断是评价髌骨关节排列价效比最高的检查方法。髌骨关节力线对称性的改变就是髌骨关节疼痛的重要原因[4]。通过对计算机断层扫描、磁共振成像、正电子发射断层扫描、数字血管减影、超声成像等多横医学图像数据信息进行处理，融合医学影像技术、计算机技术和空间示踪技术的计算机辅助系统术前规划能够对人体骨骼解剖结构的是示和立体定位，有效减少在全膝关节置换术中出现的失误与手术风险。

5.小结

计算机辅助骨科手术设计融合计算机断层扫描、磁共振成像、正电子发射断层扫描、数字血管剪影、超声成像等多种医学数据，在计算机的整合处理下，对人体骨骼关节的解剖结构进行定位和三维重建，且协助制定术前规划，在术中进行导航，不仅为临床医生提供了详尽准确的信息，也提高了手术的精确性，减少了对患者不必要的伤害，大大降低了术后并发症的概率。随着技术的完善和推广，计算机导航系统会逐渐普及，价格也会相应降低[5]。通过多模医学图像数据信息进行处理，可有效克服原有置换术等骨科手术的不确定、猜测性和无法精准定位等缺点，使不同水平的操作者提高手术成功率，是骨科医师强有力的工具和有效的手术方法。