第2章　计算机导航辅助技术在骨肿瘤手术中的应用——发展和现状

背景

计算机导航辅助技术在骨肿瘤手术中的应用在近10余年获得长足的发展。目前一般采取的手术应用步骤主要包括：术前设计肿瘤切除范围、术中依照计划进行导航下手术、确认肿瘤切除边界以提高手术的精确度。该技术使术者完成对设计边界的骨肿瘤的精确切除，保留重要的正常骨组织，为重建创造条件，尤其是在骨盆和骶骨肿瘤切除，保留关节的肿瘤切除、三维骨肿瘤切除，以及定制假体或异体骨的复杂重建方面发挥了重要作用。本章主要就其发展状况和现状进行述评。

计算机导航辅助技术在骨肿瘤手术中应用的发展过程

尽管很早就出现了计算机导航技术，而且很早该技术就应用于头颅手术，但直到2004年才有学者（Hufner）报道将该技术应用于骨肿瘤的外科治疗，这个最初的报道是应用于骶骨肿瘤的切除，因为这些部位的肿瘤解剖复杂，而当时采用的计算机导航软件系统还是经过修改后的脊柱导航系统，自此以后，计算机导航辅助技术用于骨肿瘤开始了全新的纪元。

同样在2004年，Hufner团队还报道将该技术用于髋臼周围肿瘤的切除，首次报道采用注册过的凿子在计算机导航辅助下切除肿瘤。2007年，Reijnders进一步改进了计算机导航系统，并采用体内标志来提高导航注册的精确性。2008年，Wong等采用改进后的Stryker脊柱导航系统辅助手术，用于肢体肿瘤的切除，并首次报道了病例数较大的研究结果（13例），在该报道中，首次出现了MRI数据和CT数据的融合，用于对软组织包块范围更好的确定。该研究也首次通过比较术前计划、术后影像数据、术后标本，来确定手术切除的精确性。此后计算机导航软件系统可以实现CT、MRI及PET三个数据的融合。

2010年，So报道了软件注册系统的新方法，采用术中X线透视和术前CT数据做匹配，比传统的点注册和面注册精确度更高。同年，Docquier报道将计算机导航同时用于肿瘤切除和随后的重建。2011年，Wu等报道将计算机导航用于髋臼周围良性肿瘤的微创治疗。同年，Cheong报道一组病人采用Stryker导航系统进行导航辅助手术的情况，该组病人有20例，作者认为经过手术整个时间较未用导航略有增多，但手术经确定较前明显提高。2012年，Wong报道20个患者21个肿瘤病变的导航辅助手术，结论是计算机导航辅助可以保证肿瘤能够按照设计的要求达到精确切除，对于骨盆、骶骨肿瘤的切除和重建有重要的意义，同时对于肢体保留关节的手术切除有很大的帮助。2013年Gerbers报道4例半侧皮质切除后计算机导航辅助下匹配异体骨的获取。2014年Gerbers报道了迄今为止比较大宗的病例结果，共130例骨肿瘤手术，结论认为计算机导航辅助有助于手术计划和实施，是一个比较有希望的新技术。2015年，Aponte-Tinao总结报道计算机导航目前的使用范围包括：囊内切除、囊外切除和多平面或不规则截骨。

北京积水潭医院自2007年以来，对计算机导航辅助骨肿瘤手术做了很多临床研究，积累了很多经验，截止2015年底，已累计完成手术数822例（图2-1）。本书的后续章节对各个部位的手术都有涉及（图2-2）。北京积水潭医院拥有比较完善的骨与软组织肿瘤数据库系统，截止2016-07-21，住院登记的骨与软组织肿瘤患者已有19　009例，其中原发骨肿瘤11　981例（图2-3），强大的数据库系统是本书后续章节能够顺利完成的基础。

计算机导航辅助治疗骨肿瘤的精确度

关于骨肿瘤切除的精确度基础研究文章非常缺乏。Cartiaux等2008年报道了一个实验性的研究，研究中在完全可视和直达骨表面的理想工作条件下进行，4个有经验的肿瘤外科医生在模拟的塑料骨盆上进行模拟肿瘤切除手术，每名医生需要切除3个不同的肿瘤并进行重建。这样最终形成24个切除和宿主-异体连接供评估。其手术设定获得10mm外科边界，但在5mm误差范围内的比例只有52%（95%可信区间为37%～67%），而且宿主移植重建的匹配程度证实很差。研究结果认为：即使是非常有经验的外科医生，在提供非常理想的工作条件情况下，对于三维结构比较复杂的骨盆部位，进行肿瘤的理想外科切除和重建仍然非常困难。解决的方法无非是增大外科切除范围，或者采用计算机导航，抑或采用机器人辅助技术进行切除。

Cartiaux团队随后于2010年在JBJS（Am）上发表文章，报道了另一个实验性研究，该研究在导航引导下进行模拟截骨手术，结果切除的精度大大提高，如果采用计算机导航辅助，截骨平面平均有2.8mm的误差，但如果没有导航仅是徒手进行操作，误差达到5.2mm，而这一近2倍的差异具有统计学意义（P＜0.0001）。

2010年Docquier等及Gerbers等报道了在导航下再现与术前设计相同的切除平面以进一步契合异体骨移植，结果提示异体骨移植与切除后缺损区更好的匹配能够改善宿主与异体骨移植间的接触，减少骨折不愈合的可能。

2012年Healey等医生报道指出徒手操作的误差很大，为了研究这个误差，他们在尸体骨上进行半侧干骺端的切除匹配研究，发现徒手进行操作，平均误差为9mm，而采用计算机设计的一个模具进行截骨，平均误差仅为2mm。然而模具具有个体特异性，不同病人需要制作不同的模具，而且实际临床上的截骨往往需要的是弧形，直角截骨往往损失更多的正常骨质。

2012年Cho等报道了关于计算机导航辅助下骨肿瘤手术后的临床情况，随访至少3年，结果认为导航下骨肿瘤切除能够安全切除肿瘤病带来更好的功能学和肿瘤学结果。

2013年Wong等报道计算机导航辅助保留关节手术的精确度情况，8例患者，与设计比较，切除误差2mm，最低随访时间25个月，没有复发。同年，Jeys等报道了一个31例导航下切除骨盆、骶骨恶性肿瘤的研究同样也证实了计算机导航辅助有利于手术的精确切除，该研究中指出囊内切除的病例在使用导航后从29.0%降至8.7%。

计算机导航辅助技术在骨肿瘤治疗过程中的体现步骤

计算机导航辅助下骨肿瘤的手术治疗一般有固定的步骤，每个步骤都体现了肿瘤和边界的概念（图2-4）。

术前设计

计算机导航辅助下的骨肿瘤外科手术需要治疗小组尤其是术者的参与。将患者CT/MRI影像导入工作站，依据CT图像确定骨组织的侵袭范围，依据MRI确定髓内或软组织侵袭范围，将CT和MRI图像融合，形成三维的骨肿瘤模型，术者的想法非常重要，需要依据骨骼肌肉系统肿瘤外科分期（Enneking分期），标记肿瘤范围，进而设定肿瘤安全切除范围、并做标记，供术中导航使用（图2-5～图2-8）。另外在重建计划方面，给予导航下的截骨设计和术前CT影像，工程师可以在计算机辅助下设计出定制假体提高假体匹配程度，进而提高术后功能恢复水平。同样技术也用于异体骨的重建，从而使异体骨与宿主骨获得良好的接触，降低骨不愈合的风险。

术中导航实施计划

在计划实施前，术前影像和手术中病人注册是导航手术中的重要环节，是导航骨肿瘤手术精度的主要决定因素。其精度可通过指向特定的骨性标志或在骨表面操作的导航探针来证实。目前骨肿瘤导航主要应用的注册方法有人工注册、半自动化注册、基准标记和自动注册。注册成功后，就能通过导航系统在术中实时精确地显示解剖位置，使术者及其他手术参与者能够实时直观看到CT显示的肿瘤三维构象。按照术前标记操作，使术前设计的理想切除范围具有可操作性和可视性，同时还能指导、验证术者术前的手术计划和术中的操作结果（图2-9）。

计划切除边界的确认

在肿瘤切除后，导航的示踪器仍然与剩余的骨相连，注册仍有效，因此残存骨可在导航下得以验证。通过定位在切除的骨上示踪器的尖端，导航下可以评价手术实施的具体情况，如截骨平面与术前影像计划切除平面的吻合度，同时还可以评估刮除手术距离肿瘤最近的边缘的距离，进而对边界可能不充分的地方进行再处理。

计算机导航技术在骨肿瘤的适用范围

对于恶性骨肿瘤，在以下情况下使用导航可以获益：预期切除肿瘤难度较大；希望获得满意的切除平面以匹配定制假体；使异体骨移植与切除后缺损部分相契合。但是考虑到导航操作的相对复杂性和术中使用所需要的额外准备时间，并不是所有的手术都需要采用计算机导航辅助技术。临床上主要在以下几种情况下使用导航技术：

骨盆和骶骨肿瘤的切除

骨盆肿瘤由于骨盆的三维解剖关系复杂，手术操作困难，在有限的视野中存在视觉偏差，肿瘤切除后的复发率高于肢体肿瘤，如过多切除正骨结构，对骨缺损重建又造成困难。利用计算机导航技术可以精确定位，能够精确地切除肿瘤，目标明确地完成术前设计的外科边界，避免盲目性，尽可能地保留髋臼等负重的正常骨质，为重建打下基础。从而极大地保留患者的肢体功能。在Cho等和Wong等分别有10例和12例导航下骨盆或骶骨肿瘤切除病人的研究中，所用病人手术均达到明确的切除边缘，在3年以上的随访过程中，局部复发率分别为20%（2/10）和25%（3/12）。而相关的一个67例接受传统手术技术切除的骨盆骨肉瘤研究中报道的复发率为70%（47/67）。Jeys等进行一个31例导航下切除骨盆、骶骨恶性肿瘤的研究中指出病灶内切除的病例在使用导航后从29.0%降至8.7%，局部复发率13%（平均随访13.1个月）。

保留关节的肿瘤切除和三维的肿瘤切除

导航可以帮助高选择的病人进行精确术前设计和执行保留关节的肿瘤切除术，还可以进行精确地重建。导航下切除能够使原本的关节和周围软组织得以更多的保留下来进行重建，从而带来更好的关节功能。

在高选择的病人中，导航辅助下可进行骨肿瘤周围的三维即多平面切除。因导航可以对复杂的骨切除进行精确地设计，从而使外科医生在术中能够进行相对更保守的截骨来保留更多未受影响的骨用于重建。

导航下定制假体或异体骨的重建

保留关节的肿瘤切除，因切除区域可操作范围极其有限，假体匹配要求较高，术前采用肿瘤骨制作模型，计算机导航指引截除瘤骨模型，依此特制假体，术中实施计划。此外由于肿瘤切除后缺乏标志性结构，从而使人工假体安装时精确定位变得困难，只能靠术者的经验来确定髓内针的力线和与髓腔的关系，往往会出现髓内针力线与自然力线不吻合的情况，从而增加假体松动的发生几率。计算机导航技术则能提供精确的骨切除，不仅可以保证清楚的切除边界，还能有正确的方向和定位手段来匹配定制的假体，而且可以把计算机辅助设计的假体数据输入导航系统的技术可以使我们在导航系统内看到定制的假体，帮助切除计划和重建，克服假体安放过程中的不吻合问题。同样，异体骨重建也可以通过计算机导航设计并获取匹配度很好的移植用异体骨。

四肢肿瘤及其他部位病灶刮除手术外科边界的术中确认

传统的四肢肿瘤刮除手术外科边界的确定主要靠术前的影像学评估，术中则主要依据肉眼或X线拍片来判断，计算机导航技术能够将术前的影像学应用到术中，实时指导术者确认刮除边界是否已超越肿瘤边界，从而达到科学地扩大刮除的要求，避免盲目扩大或刮除不足。

解剖位置复杂的良性骨肿瘤的精确定位和手术微创化

对于一些仅需去除病灶的良性肿瘤如骨样骨瘤、骨软骨瘤等，若位于解剖相对简单的部位，传统手术即可以定位并切除，而若位于解剖结构复杂的区域，传统的手术由于定位困难，常常会造成术中较大的创伤，而且非常容易不能精确去除肿瘤。计算机导航技术能精确定位肿瘤位置，并能指导术者在术中定位，减少手术创伤，尽可能保留正常解剖结构，从而达到手术部位重要结构的微创化。

导航在骨肿瘤应用上的局限性

与骨科其他专业中应用计算机导航系统不同，目前骨肿瘤专业导航系统尚不成熟。术前设计是术中顺利应用导航、充分发挥导航优势的关键，而且术前设计必须有术者参与。一方面确定肿瘤范围，另一方面术者要判断术前设计的注册点及术中的可操作性，避免为了找到注册点而过度解剖周围组织。如术前不能确定注册点，术中可依据解剖范围确定虚拟图像中是否有可操作性的相对应标志；如病变骨缺乏可注册的解剖标志，术前可以在病变附近固定数枚定位螺钉作为注册点。

在导航操纵台上看到的影像是虚拟影像，影像-病人注册完全是基于骨性解剖，只有骨性解剖相关的才是精确的。术中的手术操作会使软组织发生变形，而实时解剖的位置相比术前虚拟影像的位置会发生改变，只有骨性解剖保持一致。所以，导航下能够进行精确地骨切除，但是软组织的切除仍要通过传统的外科技术。

影像与手术的间隔时间是可能会导致术前设计与术中导航执行发生误差的重要因素。导航系统要尽可能使用最新影像学数据、缩短影像与手术间隔时间以避免影像与病人因肿瘤进展而导致的病理结果的不符。

对导航下骨肿瘤手术未来前景的展望

计算机导航技术在骨肿瘤领域已经取得了迅猛的发展，工作流程也日趋成熟。然而目前能够专门用于骨肿瘤手术的可行导航系统仍然很少。对于医学工程学计算机辅助设计软件提供的一些高级手术设计，比如虚拟骨切除、骨切除缺损的评估、3D虚拟骨库中异体骨移植的选择等方面目前的导航系统无法提供支持。随着将计算机辅助设计的数据整合入导航计划成为可能，将来精确地进行更复杂的骨肿瘤切除和重建将成为可能。

术中导航能够使我们对解剖和病理学结构实现精确定位，但同时又涉及到庞大的导航设备，较长的准备时间，以及当下可靠的导航下切除工具的缺乏。最近有相关报道肿瘤病人特有的器械用于骨肿瘤的切除。该方法可达到与导航下手术相近的精确度，同时能够限制骨锯在计划切除平面内操作。此外，机器人辅助骨肿瘤切除术目前也在研究中，该技术可以减少术中操作与计划的偏差，还可能将导航技术与肿瘤病人特有的器械技术的优势相结合，其可行性和临床效果还需要通过更多研究来进一步证实。

（牛晓辉）

参考文献

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