第二节　骨科微创的基础研究现状

随着科技的不断进步和医学高新技术的快速发展，大众对骨科创伤恢复过程认识的不断了解，骨穿针外固定器技术、经皮微创技术、微创内固定技术、腔镜技术、介入技术及其他骨科微创技术都得到了进一步完善和发展。

1.关节镜

关节镜是一只长杆状的光学仪器，中央有几组透镜，外面为金属包壳，直径4mm，长度20cm左右。它的一端可以插入关节，另一端连接到摄像装置上，通过图像转换器将关节内的图像显示在电视屏幕上。医师根据电视中的图像观察关节内的情况，进行诊断和治疗。关节镜有放大作用和超高清晰的分辨率，所以很多切开关节在肉眼直视下都无法分辨的病变在关节镜下却一目了然。

关节镜手术是20世纪骨科技术的重大进步，自20世纪60年代应用于临床以来，极大地提高了骨科领域关节疾病的确诊率，特别是可进行许多常规手术难以完成的操作。随着关节镜性能的提高，镜下手术器械的改善和操作技术的成熟，其临床应用范围不断拓展。目前从膝关节到全身各关节，不仅可以检查诊断，而且能进行镜下手术治疗。关节镜下手术通过很小的皮肤切口，在轻微的组织侵袭下进行，减少了手术创伤和并发症，明显缩短了治疗时间，降低了医疗费用。因此，近年来在临床上的应用得到了惊人的发展，成为骨科领域发展最快的微创外科技术，实现了许多骨科手术的微创。关节镜技术的日臻成熟，使关节镜下的手术适应证不断扩大，激光等高新技术应用于关节镜手术中，可使镜下手术进一步简化，对关节正常生理功能干扰进一步缩小。但由于各关节的发病率和关节结构复杂程度不同，关节镜的应用程度各异；关节镜的复杂操作技术、昂贵的价格，及其使用范围的局限性，限制了它的推广。

目前新发明的有一种三维立体硬质电子关节镜系统，其包括硬质电子关节镜，所述硬质电子关节镜包括硬质工作端部、内镜主体部分，硬质工作端部上设有能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像并对关节腔进行三维立体重构的多CCD阵列模块，多CCD阵列模块包括至少一置于硬质工作端部先端部前端面的端面CCD阵列模块及至少一置于硬质工作端部先端部外圆表面的圆周面CCD阵列模块。该系统通过至少两个部分的CCD阵列模块配合内镜的纵深运动，所得到的所有关于关节内的图像资料和测距器测出的距离数据传输到处理主机进行集中处理重构，重现关节的立体环境，帮助医护人员更为清楚地了解关节腔内病变状况，为制定处理方案提供更好的图像依据，具有重要的实际意义。

还有一种具有红外线热扫描功能的关节镜系统，包括硬质关节镜及与硬质关节镜连接的冷光源主机、摄像主机、内镜监视器，所述硬质关节镜上还设有红外线热扫描系统，红外线热扫描系统包括红外线热扫描探头、红外线热扫描处理系统主机和红外线热扫描系统监视器。该系统是在传统硬质电子关节镜的基础上，引入红外线热扫描技术，利用红外线热扫描探头做线性和环形的移动，清晰显示关节壁立体血管静态图像，为医师判断关节病变及功能状态提供可靠的客观依据。此外，该新型红外线热扫描处理系统提供多种工作模式，包括普通显示模式和夜视显示模式，医师可以通过分析和比较不同显示模式的诊断图像，作出正确诊断。本实用新型极大地丰富关节病的诊断手段，有效地提高诊断的准确性。

关节镜是现代微创骨科技术发展较快的。关节软骨清理、关节粘连松解、胫骨髁间棘与平台骨折的复位和内固定都取得较好疗效，镜下半月板损伤的治疗与前、后交叉韧带损伤的重建已成为定型手术。目前膝关节镜已发展到肩、骸、腕、踝及指（趾）等关节，由以往的诊断检查到如今的镜下手术和重建、激光、射频、聚焦超声等高新技术应用于关节镜手术中，可使镜下骨科手术进一步微创化、简单化。随着新的关节镜下手术器械、手术方式和内固定材料的发展，可以完成许多常规难以完成的手术。

2.计算机辅助导航系统

随着科学技术的发展，21世纪已日渐进入由生物学、信息学、物理学相互融合的生物智能时代（bio-intellgence age），外科学发展趋势的显著特征是智能化、微创化。目前，微创外科已由早期传统的内镜、腔镜技术逐渐进展到由影像学、信息科学、机器人技术、遥控技术等高新技术组合而成的计算机辅助系统导航术（computer assisted navigation surgery，CANS）。CANS在骨科手术中的应用，被称为计算机辅助导航骨科手术（computer assisted orthopaedics surgery，CAOS）。

计算机辅助导航系统是一种三维定位系统，其原理基于全球卫星定位系统，综合了当今医学领域的多种先进设备，如计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）、数字血管减影（DSA）、超声成像（US）以及医学机器人（MR）等。计算机辅助导航系统工作原理：利用数字化扫描技术所得到的患者术前影像信息通过媒介体输入到计算机工作站，工作站在经过高速运算处理（三维重建、图像配准、图像融合等）后重建出患者的三维模型影像并建立虚拟坐标空间，手术医师即可在此影像基础上操作相关软件进行术前计划并模拟进程，实际手术过程中系统红外线摄像头动态追踪手术器械相对患者解剖结构的当前位置（实际坐标空间），并明确显示在患者的二维/三维影像资料上，将两个坐标空间匹配就可实时显示定位图像，手术医师通过高解像度的显示屏从各个方位观察到当前的手术入路以及各种参数（角度、深度等），从而最大限度避开危险区，在最短的时间内到达靶点病灶，减少患者的失血量与手术创伤以及并发症。

计算机辅助导航系统一般由4个部分组成：①手术导航工具：用于发射或反射光信号以确定手术工具的位置；②位置跟踪仪：通过接受光电信号来监视跟踪手术器械的位置；③监视器：反映手术器械的位置和患者的影像资料；④工作站：将虚拟坐标系与实际坐标系通过计算匹配。而周凯华等认为由6部分组成：包括患者示踪器、导航手术工具、手术工具示踪器、监视器、与计算机连接的C型臂X线机及工作站。

分类：按照交互方式的不同，可分为主动式、半主动式、被动式3种；按照导航信号类型的不同，可分为光学定位（红外线）、磁（电磁场）定位、声学（超声）信号定位、机械定位；按照导航影像建立的不同，可分为基于X射线二维导航系统、基于X射线三维导航系统（IsoC3-D）、基于CT导航系统、基于MRI导航系统、完全开放式导航系统。

计算机辅助手术导航系统依据不同的分类标准，有不同的分类形式。计算机辅助手术导航系统是导航工具与手术环境（包括医师）的交互操作，从而实现一定的空间位置关系。按照交互方式的不同，可以分为主动式、半主动式及被动式3种。①主动式：即手术机器人系统，在进行预定手术的过程中无需医师的人工干预，但机器人的灵活性难以满足手术复杂性的要求，而使其在临床推广应用中受到限制；②半主动式：属于第二代机器人手术系统，医师可在术前预定的范围内进行手术，超出此范围，系统将会终止操作；③被动式：将术野中植入物的位置实时资料提供给医师，并控制手术工具的空间运动轨迹，但手术操作由医师完成。

计算机辅助手术导航系统的空间立体定位技术是关键技术，可确定手术器械与患者解剖结构之间的空间位置关系。计算机辅助手术导航系通过导航信号完成空间立体定位。按照导航信号的不同可分为光学定位（红外线）、磁（电磁场）定位、声学（超声）信号定位及机械定位4类。

计算机辅助手术导航系统的优势在于它可以更好的实现临床应用目的。术中实时测量评估，更好地制定详细的手术计划和模拟手术步骤。提供多平面监测图像及帮助准确安放固定物，提高手术的准确性，改进手术安全性和降低手术并发症。减少手术中医师、患者放射线暴露时间和辐射剂量。扩大微创手术的应用范围，使以往不能治疗或治疗困难的疾病得以治愈。无需输血，减少输血感染事故，避免感染病毒性肝炎及艾滋病等。减少手术创伤、减轻手术痛苦，缩短术后康复时间，降低医疗费用。缩短住院时间，减轻医护人员负担。

将CAOS技术真正应用于骨科，始于1995年，Nolte应用计算机辅助微创导航手术系统（Syealth Station，Sofamor-Danek/Medtronic，Memphis，TN）在赫尔辛基实施了世界第1例腰椎椎弓根螺钉内固定术。自此，CAOS在骨科手术中的优势逐渐凸显，伴随相关技术的发展，CAOS的临床应用日益增多，但与人工关节、脊柱外科等其他骨科领域相比，CAOS在创伤骨科的应用还相对较少，其基础和应用研究尚不够活跃。这是因为CAOS的核心技术是医学图像的后处理技术，术前、术中的医学图像如果变动不大，是最适宜图像处理的，但是骨折手术复位前后的图像变化是很大的，术前采集的图像要和术中正在复位的图像进行准确的对应（配准），难度较大。此外，骨科的治疗很多是需要急诊手术或者要求手术尽快完成，但CAOS在术中系统建立、图像采集和注册、线路连接等方面，较传统手术耗费时间。还有一个很重要的原因是创伤骨科医师目前还缺乏足够的临床应用证据和客观的评价手段来显示CAOS技术的优越。上述情况，由于近年迅猛发展的图像处理技术和导航示踪手段的改进，已经有所改变，为CAOS在骨科的应用带来新的机遇。相关研究表明，骨科正在成为CAOS临床应用的热点，计算机辅助导航骨科手术及医用机器人技术会显著提高创伤骨科的治疗效果，使手术更微创、更精确、更安全。

CAOS的结构和工作模式：导航定位所应用的医学图像导引系统已经由使用单一的C型臂、CT等传统影像设备向三维C型臂、多模态图像处理系统等新型影像设备的应用转变，新型影像设备加装CAOS的图像校准靶，能够使导航手术实时、简便。目前，导航定位系统针对采用的图像导引（image-guided）基础不同，分为基于图像系统（image-based system）和免图像系统（imaged-free）两大类，基于图像系统是应用术前或术中采集的手术部位的医学影像进行手术现场的图像注册，从而对手术目标和手术器械进行定位导航；免图像系统主要应用于手术部位可以充分暴露的手术，术前和术中的解剖结构没有太多变化，CAOS系统利用已预先储存好的手术部位的通用医学影像数据库与暴露充分的解剖结构进行现场配准，无需术前和术中采集图像。基于图像CAOS系统根据采集图像的医学影像设备及所需图像种类的不同又分为：①基于CT的导航系统（CT-based navigation）：采用术前采集的手术部位的CT图像进行导航定位，患者需术前进行CT扫描；②基于X线透视图像的导航系统（fluoroscopy-based navigation）：采用术中C型臂X线机实时采集的X线透视图像进行导航定位。目前应用三维C型臂X线机进行连续多平面术中扫描，就可以利用专用图像软件，进行三维重建，更加方便术中定位导航。③基于多模态图像的导航系统（modality-based navigation）：采用装备特殊影像导航设备的专用手术室，能够通用于各种影像采集设备，进行术前、术中的CT、MRI、X线透视扫描，并能够对不同模式的医学影像进行统一的融合处理，极大方便了术中导航定位。

医用机器人已经在自动化程度和人机交互模式方面，有了长足进展，摆脱了原有工业机器人的结构模式。根据机器人自动化程度进行分类，医用机器人现分为：①非全自动化设计的主动式结构机器手，美国的达芬奇手术机器人（intuitive surgicalinc，US）型代表，术者的操作完全依靠机器手，机器手精确遵从术者的手部动作，无需术中人为干预；②半自动化设计结构机器人，机器人按照预定程序执行手术操作，在机器人控制的安全范围内，允许人为干预，一旦手术超越安全范围，预定程序自动终止；③全自动化设计、被动式结构机器人，完全依靠既定程序进行手术操作，不需要术中人为干预。骨科医师应明确CAOS的结构和工作模式，理解医用机器人辅助骨科手术的操作特点，这样才能够选择适宜的导航系统并有针对性地开展CAOS技术，规范手术流程。

医学图像后处理技术的进展：手术导航中的图像后处理是指对获取的图像进行处理，使之满足各种需要的一系列技术的总称，主要分为图像配准和融合（registration）、图像分割与三维重建（3-D reconstruction）图像归档与传输系统（picture archiving and communication system，PACS）。①图像配准（注册）技术是将导航图像与术中真实的手术部位的解剖结构进行精确的对应，这关系到导航定位的精确性。目前，配准技术已从体外标记点技术（external marker）发展到解剖标志的注册技术（anatomical registration），根据手术特点及术中图像的特点，采用配对点注册（paired-point registration）和表面注册（surface registration）方法，极大简化了注册程序，缩短了配准时间，提高了定位的精确性。②图像分割与三维重建技术利用消隐或透明的图像分割技术、三维可视化技术，形成包含解剖结构和生理功能信息的多维图像，在手术医师面前呈现一幅栩栩如生的手术“地图”。③PACS技术将各种医学图像及相关病例信息规范为DICOM3.0数据格式，便于数据传输和交换，可以随时被导航系统采用，数字化图像及手术指令可以借助网络宽带进行异地传输，用于医用机器人支持的远程手术。上述技术是CAOS的软件部分，是定位导航的关键技术。传统手术中，医师需要在二维图像基础上，通过空间思维综合过程建立起抽象的三维立体图像，由于患者的个体差异及手术医师个人思维方式的不同，对创伤部位的理解就可能产生一些偏差和分歧，对手术的精确性会产生不利影响，而CAOS利用上述医学图像后处理技术，就可以简化图像的综合分析过程，提高诊断的准确性和手术的安全性、精确性。

导航追踪手段：目前应用的导航追踪手段分为：①红外光学定位方法；②电磁定位方法；③超声信号定位方法；④机器人定位方法。虽然红外光学定位方法仍然是目前CAOS的技术主流，但其接收装置容易受术中遮挡及周围光线或金属物体镜面反射的影响，所需设备价格昂贵。除光学定位方法外，工程技术人员也在探索完善其他3种定位方法；电磁定位的精确性非常高，而且所需设备相对简单，更方便手术环境中的安放；激光和超声信号作为导航信号，应用程序相对简单，设备价格较低；机器人定位稳定，便于引入机械臂术中操作；研究人员正在对上述定位不跟踪手段进行相互融合、取长补短的研究，准确性更高、操作更加简便、结构更加合理、价格更加低廉的导航追踪手段是未来的发展方向。

医用机器人技术：现代手术机器人具备机器人双目视觉功能至少6个自由度，能够克服术者在操作时手抖、视觉偏差、易疲劳的缺点，稳定、持久地夹持手术器械，按照经过精心设计规划的手术程序，进行手术操作。更为重要的是通过现代通信技术和网络传输手段，结合导航定位系统及遥感操作技术，可以实时远距离的远程手术。目前，双目视觉技术可以保证机器人具备一双慧眼，触觉反馈及虚拟现实技术可以让机器手像外科医师的手一样，进行灵活、精巧的操作。精密机械技术和自动限位技术可以保证手术的安全性。一旦发生息外情况，可以立即进入安全程序，终止机器人操作。2001年，美国纽约的外科医师通过法国电信公司的高速光纤和异步传输模式（ATM）的数字网，遥控位于法国斯特拉斯堡医院手术室内的ZEUS机器人，成功实施了腹腔镜胆囊切除手术。这是新世纪高精尖技术结合、多学科融合的典范，标志着不需要移动任何人的位置，世界上任何一个角落的患者都能够得到世界上任何一位顶尖专家亲自操作的手术治疗，这是远程手术的一个里程碑，标志外科手术跨时代的飞跃。

其他相关信息技术：CAOS及医用机器人技术是许多高科技成果的结晶，也就意味着它是不断丰富、完善、开放的技术，借助计算机对医学图像的高速处理能力，许多数字化信息技术被引入CAOS系统。虚拟现实（virtual reality，VR）技术是指借助计算机技术和硬件设备，实现人们可以通过视、听、触、嗅等手段所感受到的虚拟幻境，其特点可归纳为3“I”：沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination）。虚拟现实技术具有模拟真实微创技术操作与手术中的视觉反馈、触觉反馈和力反馈信息的能力，特别是它的三维重建功能，在手术定位、手术导航方面独具优势。在微创技术的应用领域，它不仅可以用于各种操作、手术的训练和手术方案的设计，而且可直接用于手术的实施。

近年来，基于现实与虚拟互动的骨科生物力学研究方法，可以为CAOS提供更加科学、客观的导航手术规划方案、手术固定效果的评估体系；由于仪器和技术的限制，现有的生物力学测试方法只能检测到人体标本外部的力学变化，很难全面的解释标本各个部分内在的相互作用机制，对于内部结构的位移即内在的应力变化仅仅凭借病理能够猜测，缺乏客观的实验支持，采用三维图像重建后有限元分析的虚拟仿真实验可以解决这些问题。目前，相当数量的CAOS系统已经具备生物力学数据库，手术部位的骨折内固定方案可以据此规划和验证。无线蓝牙技术引入医用机器人系统，可以取消原有的很多术中线缆连接，使遥控操作更方便，也方便CAOS设备的消毒，节省手术空间。虚拟现实技术可以作为创伤骨科医师的手术训练评估系统，具有可反复操作，现场感强的特点。

目前计算机辅助导航系统在临床应用中存在的主要问题为：①技术设备复杂，操作烦琐，学习曲线较长，一般只能由经验丰富的医师操作使用，从而限制了这一技术的推广；②目前计算机辅助导航系统手术的适应证较窄，而且只是作为一种精确定位的手术辅助工具，尚不能替代外科医师独立完成手术；③手术方案是根据术前影像学资料确定，不能监测及避免各种原因造成的脊柱移位、变形所产生的误差；④最大的弊端在于受C型臂机、传输路线及术中组织结构移位的影响，可出现影像漂移现象，使计算机辅助导航系统出现定位误差，显著降低了手术的精准度和安全性；⑤设备昂贵，尚不能广泛开展这项技术。

目前CAOS的定位方法还比较单一，图像的术中注册时间较长，将几种导航定位方法互相融合，图像注册必将更加准确，应用更加方便。基于多模态图像的导航系统将成为导航手术的主流；数字化手术室的建立：与导航手术设备相配套的手术室将取代目前的手术室，影像设备及医用机器人在手术室内都有自己的合适位置，图像跟踪设备将吊装在手术室的屋顶，更加便于接受不跟踪信号；各种数据传输接口将布满墙壁，随时传输数字化图像和手术指令。CAOS将不局限于定位方法的研究，会拓展到骨折治疗的其他领域，可以实施导航骨折的复位，手术支援机器人会辅助手术。虚拟现实系统和康复机器人会极大改善骨折术后患者的功能练习情况，PACS技术将能够随时调阅患者的病例和医学图像，便于随诊。CAOS与微创手术相结合，建立智能化微创导航手术系统：微创的理念将很大程度依靠CAOS设备来实施，更加智能化的手术更将应用于骨科手术中，越来越多的创伤骨科手术，将采用智能化微创手术方案，使CAOS技术向数字化、智能化、微创化发展。

随着计算机技术、立体定向技术、人工智能技术的发展，计算机辅助导航系统在骨科手术中的应用日趋完善，并为骨科手术朝着微创、精准、安全的方向发展提供了可靠的保证。目前计算机辅助导航系统也有了新的发展方向，如应用于虚拟植入物、与内镜技术相结合、应用于远程遥感手术等。相信，随着计算机辅助导航系统稳定性和安全性的提高，以及导航手术的规范化、标准化，计算机辅助导航系统必将促使骨科治疗技术的发展实现新的飞跃。许多先进的科技成果应用于骨科领域后，大大改善了人们对疾病的认识，使骨科领域微创治疗的发展突飞猛进，手术技术日趋成熟、治疗领域不断拓宽，新的手术种类不断涌现，手术更精确、更安全、更有效。镜视下微创手术、单人外科、远程疑难病例的会诊与手术方案的拟定，以及由机器人实施的远程遥控手术已进入现实生活之中。但微创外科作为一种新兴技术，目前在骨科领域的应用大多处于起步阶段，由于受到昂贵的设备、较高的技术要求及骨科学传统观念等因素的限制，临床尚不能广泛推广应用。此外，微创技术能否真正取得与传统手术相同、相似或更佳的疗效，需要运用循证医学方法对大样本病例进行综合评价，客观分析其可行性、安全性、近期和远期效果。在考虑到需要和可能的基础上，以提高治愈率、改善患者的生存质量，使患者获得最佳疗效为目标来制订手术方案。

3.其他微创技术

现代科技的发展和微创观念的形成促进了传统外科手术器械的改进，钬激光手术是近年兴起的一项新技术，与传统的电凝、刨削技术比较，钬激光手术后无关节粘连、肿胀，疼痛水平低，因此优于传统的关节镜技术。双极射频汽化仪则是采用了冷融化的技术，它施加一定电压于电极与靶组织之间的导电液上，将导电液转变为离子汽化层或等离子体，通过后者带电颗粒与靶组织的撞击，使靶组织分子链断裂，从而起到组织切割与清除作用。双极射频汽化仪在对靶组织进行冷融化清除的同时，对邻近组织中的小血管起凝固作用，在修整的同时可止血。

近年来，纳米医学的研究已崭露头角，并在纳米材料、纳米器件和纳米检测等领域取得了令人瞩目的成就。纳米技术使疾病的诊断、检测技术一方面朝着微创、微观、微量或无创方向快速发展，另一方面朝着适时遥控、动态和智能化方向发展。用纳米技术制造的纳米物质与其在自然界中的常规状态相比，其物理性质有着巨大的区别。英国Bonfield成功地合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质，具有与骨骼相似的强度和密度指数，不易骨折，且与正常骨组织连接紧密，显示了良好的临床应用前景。崔福斋等模仿天然骨骼的形成过程，制备出具有纳米尺寸的羟基磷灰石/胶原复合人工骨材料，在家兔颅颌骨骨缺损的修复实验中发现，其具有良好的生物相容性，能够促进和加速骨折的愈合。而Kikuchi等通过化学反应合成的羟基灰石/胶原复合类纳米材料的机械强度为正常骨组织的1/4，体内实验表明，该材料通过破骨细胞样细胞的吞噬作用降解，并可在材料附近诱导成骨细胞形成新的骨组织。其他可望应用于临床的纳米物质有人工关节面与关节腔、美容植入物等。可进行人机对话的纳米机器人（nano robot）一旦研制成功，能在一秒内完成数十亿个操作动作，其对纳米医学和微创外科的作用将难以估量。基因治疗和组织工程研究也为微创外科的发展拓展了更为广阔的空间，目前已成为人们关注的焦点，并展示出诱人的前景。

21世纪的微创外科具有广阔的前景，微创外科作为有创手术和无创治疗发展的桥梁，将外科学带入一个全新的境界，并将成为21世纪外科领域新的生长点和技术领域，具有广阔的发展前景。与其他疾病的诊疗一样，骨科疾病的诊疗也可能会从大体、细胞、分子水平走向基因水平，骨科医师将从传统开放手术中解脱出来，进入操纵内镜和微创器械的微创手术时代，进一步发展将走向由外科医师指挥机器人来完成的极微创或无创时代。这是人类社会进步和现代科技高速发展的必然，并不意味着骨科医师的消亡，相反对骨科医师有更高的要求，即未来骨科医师需要掌握更扎实的现代高科技知识并不断进行知识结构的更新，经过更加严格的岗前培训和资质认证，才能向着微创治疗的目标不断发展。

作为新时期的骨科医师必须正确理解骨科微创技术与传统疗法（传统手术及传统手法）之间的关系。传统疗法是骨科微创技术的基础，是骨科微创技术存在和发展的重要保证，两种治疗方式相辅相成。虽然微创技术在一些领域已经取代传统外科成为主流技术，而且其适应证仍在拓宽。微创手术在某些方面虽优于传统手术，但在许多领域还处于探索阶段，其优越性还有待进一步的证实，尤其是循证医学的有力支持。不能一味地片面追求微创手术而放弃传统手术，恰当地运用微创手术，可显著减少手术创伤、降低手术并发症，譬如较为成熟的腔镜手术也离不开传统手术，更不能替代传统手术，而是对传统手术的补充。临床医师必须以病人为中心，综合考虑传统治疗方法与骨科微创技术的利弊得失，选择合理的诊治方法。

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（张兴平）