1、計算機輔助導航技術在骨科應用計算機輔助導航技術在骨科應用既往骨科手術：術前看片、計劃、手術既往骨科手術：術前看片、計劃、手術現在骨科手術：術前讀片+手術設計+精確=精準醫療未來手術？如何讓機器輔助手術呢？人人機器人機器人機械機械融合融合廣義導航廣義導航基本概念基本概念即即利用各種影象設備如利用各種影象設備如CT、MRI、PET、DSA、US等結合等結合導航系統，對人體骨骼解剖結構及手術器械進行顯示和定導航系統，對人體骨骼解剖結構及手術器械進行顯示和定位，通過計算機制訂手術計劃，在術中進行操作干預的一位，通過計算機制訂手術計劃，在術中進行操作干預的一項技術。最早應用于神經外科領域的立體定位，腫瘤

2、切除項技術。最早應用于神經外科領域的立體定位，腫瘤切除化療等。其最大的優勢是：簡化了手術操作，縮短了手術化療等。其最大的優勢是：簡化了手術操作，縮短了手術時間，減少了手術創傷，減弱了術中放射線的照射，使骨時間，減少了手術創傷，減弱了術中放射線的照射，使骨科手術變的更安全、更準確、更微創。科手術變的更安全、更準確、更微創。骨科計算機輔助導航技術簡史骨科計算機輔助導航技術簡史199119921995日本的Wanatabe和美國的Pell相繼發明了遙控機械臂定位系統，可以不受瞄準線約束。但因其體積過大，使醫生的操作受限. 1992年，使用紅外線跟蹤技術的影像導航系統在美國開始應用于臨床。這是世界上首

3、臺光學手術導航系統，由于其精度較高，所以成為目前市場上的主流產品1995年，Gunkel推出了電磁感應型導航系統，但由于手術室各種金屬器械及儀器都會影響電磁場，從而影響其精度，所以未能很好推廣1999年首臺完全針對骨科的手術導航系統進入市場。X線透視和紅外線跟蹤技術、計算機定點手術技術的結合提供了一種新穎的術中影像導航的方法19991986計算機輔助導航系統組成及工作原理計算機輔助導航系統組成及工作原理ImageImageActionActionNavigationNavigation基本設備基本設備 不同的導航系統有不同的設備，但其中最基本的設備是一致的。大概有以下三種分類：（1）SO（su

4、rgical object）:手術操作實體，在骨科領域，主要是骨骼及相關聯的組織結構。（2）VO（virtual object）成像設備。現在常用的CT，X線，MRI ，PET，DSA 等影象設備，可以實時準確地提供圖象及數據。（3）NAV（navigator）：導航儀。即在SO 和VO 之間的連接裝置。獲取操作器械在人體的定位和方向。Tool Set SpineTool Set Spine 4 chisels 4 chisels Pelvis Pelvis Fragment Fragment Calibration Calibration Pointer Pointer VK VK同時可跟隨

5、同時可跟隨9 9件器械件器械Tool Set PelvisTool Set PelvisTool Set Hip ProstheticsTool Set Hip Prostheticseasy setup, mobile, only 80 x 80 cm eacheasy setup, mobile, only 80 x 80 cm eachShieldShieldInfraredInfraredCameraCameraLEDLED High precision High precision long and compact tools long and compact tools Many

6、objects tracked Many objects tracked multiple tools and bonesmultiple tools and bones Large Field of View (FOV) Large Field of View (FOV) needed for C-Arm and other applications needed for C-Arm and other applications三個條件三個條件 1校準（calibration）：對于描述骨骼的幾何形狀校準是必需的。即在操作器械上安裝跟蹤器，是提高圖象配準精度及定位精度的第一步。 2配準(re

7、gistration)：其目的是在VO和術前圖象的基礎上對手術器械定位，提供相對應的定位顯象。 3參照(reference)：動態參照系統（dynamic reference bases,DRB）可以彌補由于導航儀和骨骼位置的移動帶來的誤差。Automatic compensation of Automatic compensation of patient and camera motion.patient and camera motion.Reference coordinate Reference coordinate system is attached system is atta

8、ched anywhere on patient.anywhere on patient.ReferencingReferencingDefine Landmark in Define Landmark in ImageImageFind Landmark on Find Landmark on PatientPatientThe transformation between the patient world The transformation between the patient world and the CT image world is foundand the CT image

9、 world is foundMethods:Methods: Paired-Point Paired-Point MatchingMatching Surface Matching Surface MatchingDigitization of pointsDigitization of pointsImageImagePatientPatient工作模式工作模式 醫生通過術前或術中醫生通過術前或術中x線線CTMRI對對人體手術部位進行顯示，定位，然后規劃人體手術部位進行顯示，定位，然后規劃模擬，術中手持裝有跟蹤器的操作器械對模擬，術中手持裝有跟蹤器的操作器械對患者實施操作，手術工具的空間立

10、體定位患者實施操作，手術工具的空間立體定位及瞄準過程均在跟蹤器的實時控制之下，及瞄準過程均在跟蹤器的實時控制之下，跟蹤器能夠精確地給出術中解剖部位與多跟蹤器能夠精確地給出術中解剖部位與多模圖像之間的位置關系，經過相應坐標轉模圖像之間的位置關系，經過相應坐標轉換換(平移、旋轉等平移、旋轉等)的配準過程控制手術器的配準過程控制手術器械到達要求的部位，從而實施相應的手術械到達要求的部位，從而實施相應的手術操作。操作。Reference coordinate system Reference coordinate system is attached anywhere on is attached a

11、nywhere on patient.patient.Step 1: Placement of the Reference BaseStep 1: Placement of the Reference BaseStep 2: Shoot imagesStep 2: Shoot imagesImage stored in the computerImage stored in the computerActionActionImageImageStep 3: NavigateStep 3: Navigate基本類型基本類型CT依賴的導航系統依賴的導航系統 基于基于X線透視圖像導航系統線透視圖像導

12、航系統 三維三維X線透視導航系統（線透視導航系統（Iso-C） 非圖像依賴導航系統非圖像依賴導航系統 41231、CT依賴的導航系統依賴的導航系統 最早應用于神經外科，目前在骨科應用比較廣泛，最早應用于脊柱椎弓根螺釘固定系統。目前典型的系統有DiGioia等開發的Hipnav系統，Langlotz等開發的脊柱導航系統。術前將獲得CT掃描圖像，并將患者的模擬仿真數據導人計算機中；術中，通過定位跟蹤器獲得手術工具與解剖結構之間的空間位置關系，并與術前的CT圖像進行配準，在計算機中實時顯示手術工具在仿真模型中的位置關系，以指導醫生實施手術操作。配準是其最關鍵的技術，有過去的點匹配和現在的面匹配。該導

13、航最大的優點是可以獲得良好的三維圖象，有利于術前計劃和模擬。其缺點是，需要嚴格的配準和參照才能獲得更好的圖象，而且無法實時顯象，圖象無法更新。，現在已經廣泛應用于全髖置換和全膝置換，DHS，鎖式髓針，十字韌帶重建等。2、基于基于X線透視圖像導航系統線透視圖像導航系統 C臂現在已經成為骨科手術的基本設備。其最大的特點是實時迅速的顯象，無須術前模擬。在手術器械上和傳感器上安裝兩套光發射二級管（LEDS）通過顯示屏來配準。其配準過程包括X線的建模和補償由于C臂轉動帶來的圖象變形。示蹤器安放在C臂上，可以計算控制功能參數，最先被ofsteterr使用。通過C臂的轉動獲得圖象，是一對多的圖象，相當于使用

14、了多個C臂，這是2維顯象的一個優勢。另一個優勢是圖象可以更新，隨時可以獲得最新的圖象，有利于復雜骨折的復位。現在2維依賴的導航已經廣泛應用于關節置換、鎖式髓針，DHS，十字韌帶重建中。3、三維三維X線依賴的導航線依賴的導航 1999年，3維依賴的導航開始應用于臨床 （德國西門子公司）。其配置了特殊的發動機和旋轉程序來實現高清晰的圍繞骨骼旋轉軌跡的圖象。大約可以旋轉190度。可以達到CT一樣的顯象效果。每一次旋轉可以獲得50200套2維圖象。把骨骼放在C臂中心，通過圖象數據綜合，來獲得高分解的3維圖象數據，其中容量掃描的準確性是成功的關鍵。3維X線依賴的導航還可以實時顯象，所以前景非常廣闊，是計

15、算機導航的發展方向。非圖像依賴導航系統非圖像依賴導航系統 這種導航沒有具體的圖象，而是通過示蹤系統作用于不同的骨性結構和參照標記建立起來的。最早應用于前交叉韌帶的重建。其最大的特色是旋轉程序，嚴格的人體機械定位和數據優化來計算運動參數，決定特殊關節的運動特征。最大的優點是骨骼變形技術。必須建立骨骼解剖模型數據庫，需要大量的高分解的容積圖象、數據參數和表面形態，以及尸體模型。在術中通過個解剖區的點數據對應來達到導航作用。要作到微創很難，必須借助2維和3維圖象來獲得所有必要的解剖標記。因此適合于那些解剖結構暴露比較充分的手術，典型的如ACL重建，全膝關節置換，全髖關節置換等。Dessenne等于1

16、995年最早應用于交叉韌帶重建。 臨床應用臨床應用臨床臨床應用應用腫瘤腫瘤關節關節脊柱脊柱創傷創傷脊柱手術脊柱手術最早在實驗室應用于椎弓根螺釘系統，由于設備技術的限制，以前僅最早在實驗室應用于椎弓根螺釘系統，由于設備技術的限制，以前僅限于腰椎的應用，現已拓展到頸椎和胸椎。最常用的導航是依賴限于腰椎的應用，現已拓展到頸椎和胸椎。最常用的導航是依賴CT的導航。如椎弓根螺釘的置入，術前通過的導航。如椎弓根螺釘的置入，術前通過CT對手術部位脊柱進行三對手術部位脊柱進行三維重建，制定手術方案，然后在脊柱上確定維重建，制定手術方案，然后在脊柱上確定36個術中可分辨的標記個術中可分辨的標記點。術中通過帶有動

17、態參考系統的操作器械進行點對點匹配。當二者點。術中通過帶有動態參考系統的操作器械進行點對點匹配。當二者完全匹配時再鉆孔置入螺釘。由于完全匹配時再鉆孔置入螺釘。由于CT良好的三維圖象，最常用于頸良好的三維圖象，最常用于頸椎和胸椎上段。在計算機導航系統引導下的頸椎離體實驗中，椎和胸椎上段。在計算機導航系統引導下的頸椎離體實驗中，C1、2經關節螺釘與經椎弓螺釘的使用都是安全的經關節螺釘與經椎弓螺釘的使用都是安全的,而且有很高的精確性以而且有很高的精確性以依賴依賴X 線的導航：術中通過線的導航：術中通過X線獲得圖象，然后通過計算機工作中心線獲得圖象，然后通過計算機工作中心設計引導下置入椎弓根螺釘。不需

18、要術前模擬，而且術中圖象可以更設計引導下置入椎弓根螺釘。不需要術前模擬，而且術中圖象可以更新，但是無法得到良好的三維圖象。所以更廣泛應用于腰椎和下胸椎，新，但是無法得到良好的三維圖象。所以更廣泛應用于腰椎和下胸椎，不過也有人開始應用于頸椎和上胸椎。目前的脊柱外科的研究熱點是不過也有人開始應用于頸椎和上胸椎。目前的脊柱外科的研究熱點是如何進行經皮螺釘植入和脊柱內窺鏡技術。如何進行經皮螺釘植入和脊柱內窺鏡技術。Advanced pre-op planningAdvanced pre-op planningCurrent Current positionpositionTarget position

19、Target positionGuidanceGuidanceFuture Future penetrationspenetrationsCurrent Current positionpositionRealtime TrajectoryRealtime TrajectoryRL1234導航導航傳統傳統置入時間3.2透視率3%5%Kotani等回顧性分析 32 例（416 根椎弓根螺釘）脊柱側彎患者導航導航傳統傳統置入時間（2.370.72）min（4.611.05）min準確率99.2%84% Rajasekaran 進行了一項 31 例（242 顆螺釘）胸椎骨折患者的

20、隨機臨床研究創傷骨科創傷骨科 隨著微創的要求變高和隨著微創的要求變高和X線的局限性，計算機導航在在創線的局限性，計算機導航在在創傷骨科的應用將更加廣泛，主要集中在骨盆骨折和長骨骨傷骨科的應用將更加廣泛，主要集中在骨盆骨折和長骨骨折。骨盆骨折有些位置比較深而且移位比較小，折。骨盆骨折有些位置比較深而且移位比較小，X片不容片不容易發現，而且手術入路比較困難，很難達到堅強固定。用易發現，而且手術入路比較困難，很難達到堅強固定。用以以CT依賴的導航則變的簡單方便，將參考架固定于病人依賴的導航則變的簡單方便，將參考架固定于病人骨折肢體表面，術前進行骨折肢體表面，術前進行CT掃描，手術模擬入路位置術掃描，

21、手術模擬入路位置術中導航儀幫助引導，配準，經皮即可到達理想部位，達到中導航儀幫助引導，配準，經皮即可到達理想部位，達到堅強準確固定骨折。鎖式髓釘的應用。主要應用與遠端鎖堅強準確固定骨折。鎖式髓釘的應用。主要應用與遠端鎖釘的固定，關鍵有兩步：首先準確的控制鎖釘入孔，在髓釘的固定，關鍵有兩步：首先準確的控制鎖釘入孔，在髓針進入髓腔以后，遠端的鎖釘必須準確。其次術中鉆孔需針進入髓腔以后，遠端的鎖釘必須準確。其次術中鉆孔需要跟蹤實時顯象要跟蹤實時顯象DHS的應用。首先復位用克氏針臨時固定，的應用。首先復位用克氏針臨時固定，然后將動態參考系統固定在斯氏針上插入股骨近端。然后將動態參考系統固定在斯氏針上插

22、入股骨近端。C臂臂照射，將圖象傳到投射計算機工作站，通過設計軌跡和引照射，將圖象傳到投射計算機工作站，通過設計軌跡和引導進行螺釘置入。導進行螺釘置入。 Insertion of IM Nails Insertion of IM Nails Fragment Reduction Fragment Reduction K-Wire Placement K-Wire Placement Near Joint Surgery Near Joint Surgery Distal Locking of IM Nails Distal Locking of IM NailsApplicationsAppli

23、cationsTraumaTraumaRealtime modeRealtime mode6 622223 3Fragment motionFragment motion關節外科關節外科 包括髖關節置換（包括髖關節置換（TKA）和膝關節置換）和膝關節置換(THA)。髖關節置。髖關節置換的應用比較早。最主要的問題是確定假體的位置和軸線。換的應用比較早。最主要的問題是確定假體的位置和軸線。計算機輔助骨科技術系統可以在術前用計算機輔助骨科技術系統可以在術前用CT或或X線對關節進線對關節進行掃描及三維重建，設計假體的位置、大小，通過計算機行掃描及三維重建，設計假體的位置、大小，通過計算機計算出力學軸線

24、和截骨平面，模擬匹配，模擬關節活動。計算出力學軸線和截骨平面，模擬匹配，模擬關節活動。術中通過導航系統指導醫生在合適的位置安放假體。術中通過導航系統指導醫生在合適的位置安放假體。Leenders的一項臨床隨機研究表明的一項臨床隨機研究表明CAOS對于假體安放對于假體安放位置要優于傳統手術。減少了全髖置換中由于位置不合適位置要優于傳統手術。減少了全髖置換中由于位置不合適而造成的假體脫位。而造成的假體脫位。optimal implantoptimal implantoptimal placementoptimal placementCup PlanningCup PlanningExecution

25、 PhaseExecution PhaseExecution PhaseExecution Phase骨腫瘤骨腫瘤 如何能夠精確的切除靶區腫瘤組織，進行化療和放療，這是醫學界的一大難題。計算機導航在此方面優勢明顯。CAOS通過CT定位系統能夠對高度不規則腫瘤制訂精確的三維立體顯象，提供腫瘤的實際形狀，能夠嚴格的區分腫瘤與周圍的正常組織。以達到準確切除和最佳照射角度和放射野來避開重要組織器官，并使放射計劃的劑量分布更為精確合理。它不僅對放射治療的計劃設計和照射質量的提高有明顯作用，而且將顯著提高存某些腫瘤的控制率和病人生存率. 計算機輔助導航技術存在的問題計算機輔助導航技術存在的問題減少患者及醫

26、務減少患者及醫務人員的輻射暴露人員的輻射暴露增加了手術的安全增加了手術的安全性減少手術的風險性減少手術的風險減少手術時間減少手術時間患者體位必須嚴患者體位必須嚴格固定不能移動格固定不能移動術者需要術者需要 嚴格培嚴格培訓，學習曲線長訓，學習曲線長設備昂貴，增加設備昂貴，增加患者手術費用患者手術費用發展趨勢發展趨勢更簡單的注冊更簡單的注冊多種導航方法融合，圖像注冊更準確與導航設備相配套的手術室建立，影像設備更加合理布局，更加便捷的圖像數據傳輸各種手術機器人結合導航設備引用于現代骨科手術極大的節約醫療衛生成本，更加充分利用專家資源數字化手術室建數字化手術室建立立手術機器人應用手術機器人應用遠程醫療

27、發展遠程醫療發展計算機輔助導航系統已經使骨科手術迅速、安全、準確。隨著計算機和電腦圖像處理系統的發展，該技術將會輔助醫生完成更多骨科疑難與復雜手術。 計算機輔助導航技術的發展必將日益高科技化，應用領域也將多樣化。Thank You! How do I incorporate my logo to a slide that will apply to all the other slides? On the View menu, point to Master, and then click Slide Master or Notes Master. Change images to the o

28、ne you like, then it will apply to all the other slides. Image information in product Image : Note to customers : This image has been licensed to be used within this PowerPoint template only. You may not extract the image for any other use. 發展趨勢發展趨勢Text in hereText in hereThemeGallery is a Design Di

29、gital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. Description of the contents Description of the contents Description of the business Description of the business Description of the businessThemeGallery

30、is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.Description of the contentsDescription of the contentsClick to edit title styleThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.Add your textAdd your textAdd your textAdd your textAdd your

31、 textAdd your textYour TextYour TextYour TextYour TextClick to edit title styleYour TextYour TextYour TextYour Text2005200620072008 ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.Click to edit title style Description of the contentsText in hereThemeGallery is

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33、esign Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.Click to edit title styleContents01Contents02Contents03Contents04Contents05Contents060% 20% 40% 60% 80% 100% 18.5%17.5%8.7%23.6%63.6%84.3%ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.Click t

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39、 Title Content TitleClick to edit title styleDescribe a vision of company or strategic contents.Describe a vision of company or strategic contents.Describe a vision of company or strategic contents.Describe a vision of company or strategic contents.Description of the productsPlease write down of a s

40、logan for a vision of a company in shortly.Please write down of a slogan for a vision of a company in shortly.Please write down of a slogan for a vision of a company in shortly.Please write down of a slogan for a vision of a company in shortly.CompanyLOGOClick to edit title styleClick to edit title

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45、llery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. Description of the contentsThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.Click to edit title style200820072006 200520042003 200220012000 Description of the contents Description o

46、f the contents Description of the contents Description of the contents Description of the contents Description of the contents Description of the contents Description of the contents Description of the contentsDescription of the contents1.Description of the companys products2.Description of the comp

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48、the companys business3.Description of the companys technology4.Description of the companys contents1.Description of the companys products2.Description of the companys business3.Description of the companys technology4.Description of the companys contentsDescription of the contentsDescription of the contentsDescription of the contentsDescription of the contentsClick to edit title styleClick to edit