第二节 应用范围
第二节 应用范围
一、创伤骨科
1．骨盆、髋臼骨折 骨盆、髋臼骨折是一种高能量骨科创伤，这类骨折的治疗有不同的手术方案，并存在相应问题。骨盆环的损伤可分为前环损伤和后环损伤。其中骨盆前环的损伤包括耻骨支骨折和耻骨联合分离，骨盆后环的损伤包括骶髂关节分离、骶骨骨折等。而髋臼骨折可分为前柱骨折和后柱骨折。对于骨盆前环的损伤，目前常用的固定方法是耻骨上支或耻骨联合钢板内固定，但并发症较多。耻骨联合、耻骨上支逆行空心拉力螺钉内固定具有内固定可靠、可经皮操作、并发症少等特点，更适用于计算机导航下进行。骨盆后环损伤的通用内固定技术有三种:①后路骶骨棒固定;②前路钢板固定;③后路骶髂拉力螺钉内固定。其中骶髂拉力螺钉固定最符合生物力学特点，可提供有力的固定效果，但该方法要求骶髂关节完全复位，对手术技术要求较高，术中需要反复X线检查，病人及医护人员受反射线照射时间长。如置钉位置不当，可造成医源性骶前血管及神经损伤。应用计算机进行辅助操作则可提供精准的置钉路径及深度，有效避免上述并发症的发生。对于髋臼前、后柱骨折，由于其解剖结构复杂，准确的复位需要在三维空间中进行，这就要求术者对髋臼的三维立体构像有一个准确的把握。在计算机导航控制下，手术医师可以实时、立体、动态地对髋臼结构、进钉位置进行准确把握，并作出规划，对手术的精确性、复位的准确性都有质的提高。
X线透视导航程序操作步骤:①图像采集:对于髂骨骨折和耻骨上支骨折而言，要标准的骨盆出、入口、骨盆出口—髂骨斜位、骨盆入口—髂骨斜位观图像摄影作为导航依据;对于骶髂螺钉固定而言，要标准的骨盆出、入口位和侧位观图像摄影作为导航依据。②在上述图像同时监测的情况进行X线透视导航，借助经皮套筒钉固定骨。术中可以根据螺钉的轴向、长度和三维尺度决定其置入的计划。③实施手术。
(1)骨盆后环损伤骶髂螺钉固定 将半髋固定于中轴骨即S1，导航装置可以使用经过校准的套筒钉或导针。当经过校准的套筒钉的位置接近骶髂关节外表面时，根据骶骨的侧位观便可确定骶骨螺钉的入点。第一枚螺钉的理想位置应定位于S1的前上部分，而第二枚应定位于S1的中下部。螺钉置入的方向应是尾部朝向L5和S1之间的椎间盘，头部朝向S1椎孔。在入点作一直径20mm的切口，钝性分离肌肉，插入套筒。当套筒接触到髂骨的外翼时，再次确定入点的同时，根据虚拟的尖端显示并确定螺钉插入的长度。螺钉置入计划可以通过输入螺钉直径来实现。通过套筒置入一枚3mm的导针，置入的长度可以根据螺钉置入计划确定。当导针置入到正确长度时，必须在透视图像的监视下检查导针位置。第二枚导针也按照同样的方法置入。置入所选长度的带垫圈的中空钛螺钉。螺钉的位置可以在透视图像下确定。简单缝合切口，不做引流。骶髂螺钉固定术中注意事项:用于导航的导针必须足够坚硬，通常推荐使用直径大于3mm的导针，如果导针始终保持刚性，那么就可以在术中实时监测导针的前进方向和具体位置。经过校准的套筒钉的优点在于坚硬且易于导航。导针的缺点在于不能在术中实时显示，且其置入点的监测非常困难，特别是使用刚性不强的导针时最为显著。建议在进行各种复杂手术程序时使用透视图像的入口观和出口观进行确认。
(2)骨盆前环损伤经皮拉力螺钉内固定 患者仰卧于专用骨科透视床上，导航注册架安放在手术操作者对侧髂嵴上，耻骨联合分离先以经皮巾钳夹持复位。行3D系统扫描，将图像传送至导航工作站，选择三维图像工作界面，注册并校准智能工具。将探针置于耻骨结节附近，根据三维图像确定进针点及进针方向，取1．0cm小切口，钝性分离直达耻骨结节。在导航引导下钻入导针，探针确认针道方向正确。固定耻骨联合要保证针道位于骨质最丰富的部位，耻骨支的针道要保证位于中心，不进入髋臼。在导航工作界面上测量预置螺钉直径和长度，测量耻骨支螺钉的直径，要分别测量三维图像耻骨支最狭窄处，以不大于最小值为准。沿导针方向置入直径6．5mm或7．3mm空心拉力螺钉，3D系统扫描或透视骨盆入口位、出口位确认位置良好，术毕。术中应注意以下几点:①参考架的安放以方便注册、不影响3D系统扫描为原则。②进钉部位:首选耻骨结节。此处骨质较多，螺钉如果能贯穿双侧的耻骨结节，则把持力最大。其次为螺钉贯穿一侧的耻骨结节和另一侧的耻骨体中、上部。再次为贯穿双侧的耻骨体中、上部。耻骨结节和耻骨体的上1/2部是入钉区域，最佳入钉点是耻骨结节的外缘根部。进钉部位不要高于耻骨结节，注意钝性分离和避免损伤精索。③以智能工具在进钉部位调整方向和角度，观察导航工作站画面，三维图像均显示方向、角度最佳时维持智能工具不动，模拟操作以保证钉不进入髋臼、不穿透骨皮质。④测量耻骨支螺钉的直径，要分别测量三维图像耻骨支最狭窄处，以不大于最小值为准。耻骨联合可安全地置入直径7．3mm空心拉力螺钉;而耻骨支可置入直径6．5mm或7．3mm的空心拉力螺钉，推荐使用直径6．5mm的拉力螺钉，因为其强度较4．5的拉力螺钉大;是否使用7．3mm拉力螺钉应结合术前CT测量结果。
(3)髋臼骨折手术固定 患者健侧卧位，在透视监测下骨牵引确认骨折复位。用髂骨斜位观、闭孔斜位观及骨盆入口观和出口观进行导航后柱手术螺钉固定。用闭合斜位观、骨盆入口—髂骨斜位观、骨盆出口—闭孔斜位观对前柱进行螺钉导航固定。3～4个透视角度同时监控下，经皮中空螺钉在导航条件下固定骨折。根据术中所需螺钉轴向、长度和尺寸等设计置入计划。①后柱螺钉:通常从坐骨结节朝向髋臼顶方向置入。术中应注意:髋关节伸直，膝关节屈曲，保持坐骨神经放松;切口在坐骨结节顶点;将经过校准的套筒插入至接触坐骨结节。螺钉的置入轨迹为沿着后柱中央中部避开髋关节和坐骨大凹，直至髋臼顶中部。②前柱螺钉:可以顺行或逆行置入，但尽量选用顺行置入。大转子尖端和髂骨结节突出部之间连线的中点作为入路点;经过校准的套筒通过切口置入，螺钉的置入轨迹为沿着前柱中央避开髋关节下方和骨盆腔中部。手术可以根据上述获得的4个角度图像来确定;3mm的导针通过导航管置入，随后也一并置入带有垫圈的中空钉;由于导针置入点的角度非常小，可以考虑用钻头将入点周围皮质切开，有助于标记好入点位置，便于随后的导针置入;通常置入一枚螺钉即可。其他骨折，如髋臼顶骨折也可以采用类似技术固定。
术后通过CT扫描和X线片检查来评价骨折固定的准确性。患者可以进行术后早期活动。
2．股骨颈和股骨转子间骨折 为达到松质骨拉力螺钉在股骨颈通道内的入钉点及拉力螺钉置入过程的准确定位，在股骨粗隆间骨折和股骨颈骨折行DHS或空心钉固定手术中需要频繁的透视，手术过程中经常通过股骨颈的冠状面和矢状面透视图像来控制，所以应用计算机辅助透视导航将大大减少术中透视和X线辐射量。
目前治疗股骨转子间骨折首选动力髋或髁螺钉系统，以维持骨折的轴向嵌压，并接受一定的肢体短缩为代价来增加骨折的稳定性。此外，该系统还有加压和滑动的双重功能，有利于骨折端的愈合，负重时拉力螺钉可沿套筒滑动，不会出现钉尖向前穿过股骨头皮质的问题。随着骨折内固定的不断发展，空心钉内固定也已广泛用于股骨颈骨折治疗。但为了避免术中及术后发生并发症，松质骨拉力螺钉或者空心钉在股骨颈内的位置必须准确，这就需要频繁的X线照射来监视拉力螺钉的放置，但透视只能观察到单平面视图，当需要在多平面视图上观察手术器械的位置时，需不断调节C形臂的位置进行扫描定位，造成手术中断，且费时费力，对手术干扰较大，同时术者及患者都要接受较大量的X线辐射。
随着计算机技术的发展，将传统C形臂X线透视定位技术与计算机技术结合，在手术中创造无辐射、多维虚拟的手术环境，这就是计算机辅助的X线透视导航系统。在此系统的导引下，术者按需要可随意设定手术方案，建立内植物最佳进入路径，并可在术中实时跟踪手术器械位置，使内置物按照所建立的手术路径精确固定，避免了频繁的调整C形臂，使手术持续时间缩短，同时极大地减少了患者和手术室工作人员的X线辐射量。
导航手术同时提高了手术的精度，可以起到术中持续导航作用。许多内固定都有固定的机械定位装置，但对于长度的测定就无能为力了。有时必须通过术中的透视来完成，如Gamma钉、PFN钉、空心钉等内固定物的股骨颈方向螺钉的长度，术中经常会由于测量不准确误使内固定物进入关节腔内，导致髓臼软骨的损伤，明显影响手术效果。在导航治疗中，可以较为准确地测出一定范围两点间的空间距离，成功地解决了以上的问题。
另外，导航系统对手术的操作没有任何妨碍作用，其屏幕可根据手术需要放置于最适合操作者的位置。只需少数的透视取图，即可在导航屏幕上保留影像资料，随时重复操作过程及内固定物的位置情况。经过一段时间的经验积累，可明显减少手术时间和创伤。
在导航手术过程中，为了避免产生误差，示踪器的安置和术中的稳定性是整个手术的关键。要求示踪器位置在不干扰操作情况下尽可能靠近手术操作部位，示踪器的安装要牢固，术中避免与其接触;操作要轻柔，要经常检查示踪器是否松动，一旦松动要重新安装，并重新取图建立新的导航状态。
手术方法:手术在连续硬膜外或全麻下进行，患者仰卧于骨科牵引手术台上，健侧下肢屈曲、外展、外旋，使C形臂有足够的空间进行透视，通过足靴施加纵向牵引来复位，稳定患肢，由透视确认骨折复位。常规消毒铺巾，股骨转子间骨折在患侧髂前上棘后方2cm处的前方髂峭处做0．5cm切口，用2．5mm钻头在皮质钻孔。把一个5cm长带有松质骨螺纹的定位针置入并牢固地锚定在髂嵴上。把一示踪器连接到这根针上，使之面向红外线位置侦察仪。股骨颈骨折，在股骨大转子的顶点偏外侧3mm钻孔，用以固定肢体追踪器，固定必须十分可靠，不能有任何的活动，否则将影响手术的准确性。调整导航系统的红外线位置侦察仪，以使示踪器在定位仪的工作范围内。打开C形臂示踪器，并验证系统的准确性。C形臂示踪器注册后，采集股骨近端的冠状面和矢状面图像用于导航，然后观察导航系统的屏幕，在导引器的引导下进行松质骨拉力螺钉导针的置入，在导航下实时地反映手术的过程，直观显示固定物的位置及其与骨折之间的关系。同时精确地测定所用拉力螺钉的长度，选用合适的拉力螺钉，顺导针的方向完成拉力螺钉的置入。
在导针的置入过程中，示踪器应完全并十分牢固地固定在患者的骨骼上，不允许有丝毫晃动，否则将影响手术中导航的精度，甚至出现一些意想不到的不良后果。术后必须常规C形臂透视复查内固定情况。
3．四肢骨折交锁髓内钉固定 交锁髓内钉远端交锁螺钉固定中使用计算机导航技术，不需使用其他特殊的定位装置，通过屏幕的导航固定交锁髓内钉的远端螺钉。手术中只需一次C形臂X光机透视及取图即可完成，手术后的透视检查显示其效果良好。
手术方法:骨折复位内固定置入的手术过程与常规手术相同。常规交锁髓内钉入路，置入合适的内固定物后做如下操作:首先在内固定物的手柄上安装并固定肢体示踪器，固定必须十分可靠，不能有任何活动，否则将影响手术的准确性;然后应用计算机取图，在取图前应使定位装置完全能追踪到C形臂X线机靶罩及肢体示踪器，C形臂X线机侧位透视，可见到较完整的圆孔(圆而不能是椭圆，有时须多次调整位置)，即保持所有物体相对位置不变的情况下取图，最后导航系统的屏幕所示如同C形臂X光机透视一般，在导引器的引导下，可顺利进入远端交锁孔并固定。
在进行交锁操作时，可在导航屏幕上适当延长导引器的顶点约3cm，当延长线在髓内钉的圆孔中心上成一点时，即为最佳的交锁位置及交锁方向，与透视下徒手交锁时的导钻定位同一原理，即可以骨钻进入远端交锁孔，完成交锁。术后常规以C形臂X光机透视复查。
总之，计算机导航技术是一个全新的领域，其在骨折内固定的成功运用，将有利于骨科手术技术的发展，使手术过程在无辐射条件下更形象化、多维化，且实时感强，使手术更直观、更准确、更安全。但是，它仅是一个“外科助手”，必须在骨科医师严格而专业化的监控下工作，熟练运用，若有差错，及时纠正或者重新注册，避免发生不良后果。
二、关节外科
1．全膝关节置换术(TKA) 是治疗晚期膝关节病变的可靠方法，其疗效取决于手术精确性。而基于肉眼对肢体和假体的观察及定位可能影响定位的精确性和可重复性，例如胫骨内翻截骨＞3°会导致关节假体早期失败，股骨假体旋转不良会导致髌骨不稳定，胫骨或股骨矢状面对线不佳会导致膝关节屈曲度数下降。然而即使是专业水准的骨科医师，应用传统技术行TKA也难以保证手术能获得优异结果，尤其是对于骨骼严重畸形或髓腔硬化患者，手术难度更大。计算机辅助的TKA导航在过去几年中越来越普及，有助于术者在三维空间模拟手术计划，准确选择截骨平面，提高截骨准确性，进行关节假体立体定位和型号选择，有助于调节软组织平衡。但导航技术毕竟是一门新技术，它到底有多精确，是否存在误差，只有充分透彻地了解可能存在的问题，尽可能减少误差发生，才能更好地利用，使手术更完美。
全膝关节置换术导航精确性:
(1)冠状面力线 正确的下肢力线是手术成功的关键。Jeffery等研究表明，关节假体置入位线不良大于3°者术后8年内假体松动率达24%;置入位线良好者假体松动率仅为3%，指出TKA后冠状面力线异常与假体无菌性松动关系密切，在冠状面上重建精确的下肢力线是防止无菌性松动的重要因素。导航可改善冠状面力线，减少股骨端、胫骨端所致内、外翻。应用导航技术的手术中98%股骨假体和100%胫骨假体位置的误差在3°以内，而传统手术中只有90%股骨假体和92%胫骨假体位置误差在3°以内。Jenny等报道TKA后评估结果，发现导航组与传统组在假体位置及肢体力线方面没有差异，但导航组的离群值较小。Bauwens等对近年来3 423例患者、33项导航辅助TKA的文献资料作荟萃分析，结果显示导航组与传统组在假体位置及肢体力线方面的差异无统计学意义，但导航组离群值较小。
(2)假体位置 导航系统通过录入患者解剖标志数据进行动态推算，计算、绘制膝关节形态及生物力线，并以此来确定假体位置。Bathi等报道应用导航系统股骨假体和胫骨假体在冠状面和矢状面上的位置明显改善，冠状面上导航组股骨假体平均偏离力线1．5°，传统组为2．1°，导航组胫骨假体平均偏离力线1．2°，传统组为1．5°;矢状面上导航组股骨假体平均偏离力线7．3°，传统组为9．5°，导航组胫骨假体平均偏离力线2．5°，传统组为4．5°。两者的差异均有明显的统计学意义。
(3)软组织平衡 导航系统可根据截骨前膝关节初始运动学参数和安装试模假体后膝关节术中运动学参数对膝关节软组织平衡状况进行评估，运动学参数可反映膝关节在各个屈曲度时下肢力线和内外侧软组织张力情况。术者可根据这些参数作针对性的软组织松解，以获得最佳的膝关节软组织平衡状态。
(4)股骨和胫骨旋转对线 导航系统能否改善假体旋转对位，尚存在争议。TKA中假体的旋转对位是决定手术成败的重要因素之一。旋转对位不良会引起诸多问题，如膝关节屈曲时内、外翻畸形，髌骨活动轨迹不良、屈曲不稳等。导航系统采用对Whiteside线和经髁上轴线角度的平均算法，术中可直观实时地显示出胫骨假体和股骨假体旋转对位角度与膝关节伸屈位时间隙的变化，以便于准确调整所需角度，确定股骨假体的旋转对位。Stockl等将64例患者随机分为常规组和导航组并分别行TKA，术后应用CT扫描测量股骨假体旋转角度，结果显示导航组明显优于传统组。但Siston等对TKA后CT评估发现，导航组与传统组在假体旋转对位方面没有差异。此外，Bauwens等的一项荟萃分析也表明，导航系统可帮助改善冠状面力线、软组织平衡，但对旋转力线并无显著改善。
综上所述，导航系统可提高TKA准确性，主要体现在它能明显改善下肢冠状面对线和假体安放位置，并能更有针对性地调节软组织平衡，但是否能改善股骨、胫骨旋转定位尚无定论。
2．全髋关节置换术(THA) 被认为是一项成功的外科手术，给严重髋关节病变患者带来了革命性治疗。过去这项手术失败的原因主要来自于假体本身，如假体负重部位的磨损与腐蚀、假体表面的破坏等。随着假体设计与制造技术的提高，绝大多数的翻修原因为:假体缺乏初始稳定、假体放置于错误的位置、欠足够的扩髓及不合适的骨水泥厚度、软组织并发症及反复脱位等。尽管上述并发症可由多种原因引起，但都与手术的精确性有关，因此，提高手术操作的精确性、一致性至关重要。假体的准确置入是评价手术质量、预后、功能恢复的重要指标，是人工髋关节置换术最为关键的部分。适当的髋臼角度，可以避免髋关节撞击征、脱位的发生，维持人工关节的活动度和稳定性，而假体的中心化是避免无菌性松动以及延长假体寿命和可靠性的重要因素之一。虽然近几年来，人们越来越认识到假体中心化是手术成败的重要因素，但在实际中仍然难以做到理想的中心化。正常股骨前倾角的存在符合人体负荷力线的要求，若前倾角变化，股骨头水平偏距和(或)垂直偏距发生变化，股骨头臼间的相互适应关系也发生相应的变化，使头臼的正常轻度不适应关系趋向于不适应关系，导致髋关节的载荷传导紊乱，而引起关节软骨退变，继发骨性关节炎，与THA后的疼痛、再脱位密切相关。
(1)计算机辅助下全髋关节置换术的优势与传统手术方式相比，计算机辅助下的全髋关节置换术具有以下优势:①省去了术前、术中对假体选择的繁琐比画测量过程，术中能便捷地测量头臼的大小，选择与髋臼精确匹配的假体;②减小手术伤口，无需对关节周围软组织做过多剥离，非直视下立体地进行手术监控，减少患者失血量，减少手术中的创伤，有利于患者术后的恢复;③术中可建立个性化的三维骨盆和股骨模型，更好地计划和模拟手术步骤;④外科手术导航系统空间定位距离精度为±0．1mm RMS，角度精度为±1°，术中可立体直观地显示假体的角度、深度，提高手术精确度，减少了手术失误;⑤术中模仿置入假体后的髋关节功能恢复情况，观察髋关节活动范围(伸屈、旋转、收展)、脱位的极限位置和碰撞位置，通过模拟动态的股骨在静态的髋臼上的运动来揭示磨损何时发生以及发生在什么位置，有利于关节功能的评估和调整手术方案，减少术后关节的磨损;⑥可以立体地观察术后股骨头旋转中心和下肢力线的改变和由此引起的下肢长度的改变，防止双侧肢体不等长;⑦对于髋关节畸形、发育不良的患者具有更重要的指导价值。
(2)计算机辅助下全髋关节置换术的技术要领导航的精度是手术导航设备最主要的性能指标，主要受图像数据、定位技术、匹配算法、影像漂移、观察棒的精度、遥感器等因素的影响。其中影像漂移是手术影像导航精度的主要因素，它是手术进行中的组织结构的移位所导致的导航系统影像与真实位置的误差，这是导航系统最大的弊病。影像漂移又分为两种:一类因导航和手术设备，如固定架的松动移位，或定位标记移位等引起的系统性影像漂移;另一类由术中病变组织(如椎板、骨块等)的移位所引起的结构性影像漂移。为了减小导航系统的误差，提高操作的精度是关键，操作技巧上必须注意以下几点:①股骨、骨盆上的红外线参考架要安装牢靠，不影响手术操作，术中避免碰撞移动，一旦棘突上的参考架发生松动、位移，整个系统要再重新注册进入导航状态，若参考工具上的参考架发生松动、位移，只需对参考工具重新注册即可;②调整好发射器与接受器之间的距离，使接受器同时能接收到股骨、骨盆上的红外线反射信号;③必须正确地掌握建立骨模的方法，旋转股骨头时易慢而匀速，以确保正确的股骨力线和活动中心的建立，股骨头中心的定位精确性要＜1．9mm，以保持匹配的精确性;④选择导航系统认可的厂家的配套工具、器械，并对操作器械(锉、钻)进行正确的注册，使之进入导航状态;⑤定时通过点击解剖标志点，观察导航棒位置与显示屏图像的对应关系确定的图像匹配精确性;⑥保持红外线反射球的干净，勿被血迹等玷污，定期更换反射球(一般在使用10次以后，反射膜会被耗损)，以保持良好的信号通道。
Nogler等对12例尸体标本行双侧髋关节置换，一侧运用Hip Navigation System Version 1．05(美国Stryker公司)，一侧采用传统手术作对照，导航下髋臼假体倾斜角为(45．5±2．3)°，前倾角为(21．8±2．5)°;传统组的髋臼假体倾斜角为(42．5±6．3)°，前倾角为(24．8±7．75)°，相比差异有统计学意义(P＜0．05)。Kalteis等对23髋导航下行THA，对照组22髋行传统THA，术后进行CT观测，结果导航组髋臼假体21/23在Lewinnek安全区，而对照组为11/22。Leenders等进行了一项临床随机研究表明，CAOS对于假体安放位置要优于传统手术，认为手术导航的应用能明显提高手术的精确性和成功率，降低假体脱位、松动等并发症的发生。DiGioia等在导航下开展M IS－THA获得极其肯定的早期结果。Weil等在透视导航下行双切口M ISTHA，认为导航系统能提高假体置入的精度。
在手术导航系统下可以立体直观地进行全髋关节置换术，并能准确置入假体，评估关节功能，具有重要的临床价值。但是手术导航系统的外科医师必须深入理解导航系统的基本原理，熟悉所用导航系统的特点和不足之处，确保操作的每个环节正确无误，最大限度地降低对导航信息的误解，消除影像漂移造成的误导，同时必须具有丰富的临床经验，必要时采用传统的手术方法来灵活应对，才能发挥其应有的价值。
3．膝关节交叉韧带重建术 膝关节交叉韧带损伤是年轻运动员及体育运动爱好者最常见的损伤之一。韧带重建手术的成功主要依照两个重要标准:①最佳的等距性;②避免移植物撞击股骨髁间窝顶。符合这两项标准的关键在于置放移植物的股骨与胫骨隧道的准确定位。多数学者认为，骨隧道的精确位置是保障手术成功的关键。常规关节镜下交叉韧带重建术过程中我们仅仅可以通过关节镜看见骨道的胫骨点、股骨点，却无法准确控制骨道的三维空间位置，这也是为什么关节镜下手术重建有8%～25%的失败率，其中73．5%韧带失效原因都是因为两个骨道的三维空间位置不好。关节镜下做韧带重建有10%～40%隧道位置不好，即使对于一个很有经验的关节镜医师也是这样。因此，几乎所有做运动损伤的医师都有这样的共识，一个理想的股骨和胫骨隧道位置是前交叉韧带手术成功的关键。而计算机导航技术由于具有虚拟现实、空间定位准确的特点，弥补了关节镜下韧带重建手术的不足。
(1)前交叉韧带重建 前交叉韧带重建时胫骨隧道最理想的位置在侧位X线片上应该是胫骨平台最大前后径的46%±3%，在冠状位X线片上应该有70°角，同时位于胫骨平台正中线上。股骨隧道理想位置，可以用四方格法规划，要求这个点在四方格后上方格的前下交叉点。在手术操作过程中，仅凭经验和目测很难达到这样的准确程度。应用导航技术，就可以很好解决这个问题。首先在膝关节周围股骨远端、胫骨远端安置导航追踪器。在手术工具即交叉韧带重建定位器上也安装追踪器。导航系统的摄像机有两个功能，一是发射红外线，它发射的红外线就被追踪器的小球反射回来;二是接收红外线。因此股骨远端、胫骨远端、手术工具这三者的空间位置，经过导航计算机一系列的计算可以很准确地确定下来并投影在术中正、侧位X线透视所形成的工作图像上。手术工具的位置、未来骨道的走向都被实时监测。韧带是非骨性物质，韧带断裂后影像学方法不容易表现它的某些特性，而导航恰恰可以预测韧带软组织状况。按照术者所选择的数据虚拟出未来的韧带，预测在植入关节后是否会与周围骨性结构发生碰撞。撞击发生后韧带会受损、弯曲，甚至发生断裂。没有导航的情况下，只有在植入韧带后才能观察检测是否有撞击，而通过导航则可以解决撞击预测的问题。正常人前交叉韧带两附着点之间，无论屈曲或伸直膝关节，韧带长度保持一致，不会随着屈膝角度而时松时紧，如果植入的韧带等长性不良，最终会失效。通过导航可以预测虚拟韧带的等长性。这种非骨性的导航是韧带导航中非常有特色的特点。
(2)后交叉韧带重建 后交叉韧带重建原理与前交叉韧带重建有些相似，也需要在胫骨和股骨打两个隧道，放入移植物并进行固定。与前交叉韧带重建手术所不同的就是隧道位置和方向不同。后交叉韧带重建手术中两个隧道的三维空间位置对手术成败非常关键，特别是胫骨隧道。在正位X线片上，出口隧道定位点要非常准，不仅要求在胫骨正中线，同时要求在关节面平面以下1．5cm。光有交叉点的准确性还不够，还要求尽量接近中轴线。在矢状位X线片上，隧道和未来移植物之间如果存在锐角夹角，移植物和隧道会发生磨损、疲劳、折断，称之为“杀手转弯”。总而言之，后交叉韧带重建胫骨隧道定位非常困难，三维位置很难控制。如何解决?世界范围内大部分医师都提倡术中不惜时间进行透视。一般需要30～40分钟，甚至40～50分钟或更长的时间。透视不仅有辐射污染，还有手术污染的问题。导航技术引入后可以很好地解决这个问题。通过计算机导航系统，手术工具可以根据医师的选择进行注册，并对手术工具进行了点校准和直校准。在术中一旦获得标准的正侧位图像后，透视机在整个术中就不再用了，减少了很多辐射暴露、手术污染、透视及位置摆放不统一的问题。通过导航，未来的克氏针的方向可以很快监测出来，实时调整，非常快速。移植物的直径10mm，导航虚拟出未来隧道位置、出口的位置，在术中我们可以规划，看它是否满足最好的条件(角度和点位)，隧道的位置即可得到保证。
利用计算机导航进行韧带重建手术的最大特色是可以进行规划，计算机按照规划来提示术者怎样做。其中非骨性结构的导航和骨性结构导航中对撞击、等长性的测试是一大特色。我们提倡导航定位和关节镜定位一定要互相验证，因为导航系统毕竟是机器，也有失准的时候，我们手术过程中要用关节镜和导航系统互相校准。导航手术也存在一些问题，比如图像如何透视的更满意，还有手术中的遮挡问题。
三、脊柱骨科
在脊柱内固定手术中，由于结构复杂及毗邻重要神经，内植物植入必须准确，手术有较高的操作难度和很大的手术风险，手术一旦失败，将对患者造成不可估量的身体和精神损失，这就要求反复地进行X线照射来保证内固定置入的准确性。C形臂透视只能获取单平面视图，且经常使手术过程中断，这种对术者和患者存在高辐射危险的定位方法不能满足脊柱手术今后向精确、微创化发展的需要。大量的临床实践已经表明，计算机辅助导航技术是提高手术成功率的有效手段和重要保障。
导航技术有如下优点:①可以进行术前计划，了解椎弓根形态有无变异，设计螺钉型号、置入方向和角度;②导航引导下手术操作变得直观形象，降低了螺钉置入的危险性，增加了手术安全性;③减少了术中C形臂X线机透视的时间，手术人员和患者的放射安全性均大大提高;④在颈、胸椎后路内固定手术中，颈、胸段术中透视常不理想，难以判断螺钉置入的准确性，导航系统则解决了这一问题。但该系统也存在如下缺点:①术中一旦系统出现故障则不能继续使用;②在术中CT应用于临床前，患者CT资料只能术前获取，如术中体位变化明显，则虚拟三维图像不能真实反映三维关系，有误导术者的可能;③目前尚无适用于颈椎椎弓根螺钉内固定的专用导航智能工具，且术中钻探椎弓根通道时，颈椎活动度常较大，导致置钉准确性降低。
因此，使用导航系统时应注意以下要点:①术者应熟悉导航系统的原理和操作，了解导航系统可能产生误差的原因和对策，并经过系统的导航技术培训，达到熟练应用，减少导航操作过程中产生的误差。②术前充分准备，采集尽量高质量的CT影像资料。重视术前计划，精心选择参考点，要求参考点解剖标志在术中清晰易辨，必要时根据术中情况更改参考点。③示踪器必须固定确实，防止导航过程中移动。一旦移动应重新注册确认导航精确性。④在点照合和面照合完成后，宜再选取解剖标志明显的几个点(如棘突、关节突等)进一步核实导航系统本身计算的精确性。⑤导航操作应认真仔细，如对其准确性产生疑问应及时确认，必要时重新注册。
因为导航系统随时可能出现故障或误差，椎弓根螺钉的置入仍需要有经验的医师进行，不能单纯只信任机器，这样才能真正降低螺钉置入的风险。总之，CT三维导航系统应用于颈椎椎弓根螺钉内固定手术，能显著提高椎弓根螺钉置入的精确性、安全性。该系统操作技术有待进一步完善和推广。
1．胸腰椎的应用 目前C形臂X线透视技术仍是腰椎内固定手术中用来实时定位的常规方法。在脊柱内固定手术中，由于结构复杂及毗邻重要神经，内植物植入必须准确，这就要求反复地进行X线照射来保证内固定置入的准确性。C形臂透视只能获取单平面视图，且经常使手术过程中断，这种对术者和患者存在高辐射危险的定位方法不能满足脊柱手术今后向精确、微创化发展的需要。
传统观点认为，腰椎的椎弓根大，椎管宽，解剖学标志明显，导航在腰椎螺钉置入中无意义，且延长手术时间。这与从国内外各文献报道应用导航和不应用导航的结果差别很大，Schulze等对一较大数量的应用传统技术置入椎弓根螺钉固定腰椎融合的患者术后进行CT扫描评估有20%的螺钉突破皮质。Weinstein等在8具尸体上应用解剖学标志和术中X线透视从T11～S1，置入椎弓根钉，21%的螺钉明显穿出骨皮质。Foley应用导航技术在6具尸体上从T11～S1置入椎弓根螺钉没有一例穿破皮质。Girardi等导航引导下置入的330枚腰椎椎弓根螺钉，术后CT发现只有3枚突破椎弓根外侧骨皮质，无一例突破内侧、下方骨皮质。Rampersaud等，应用CT评价分析导航引导下置入的360枚椎弓根螺钉(T2～S1)，55枚( 15．3%)椎弓根钉突破皮质，且其中绝大多数(86%)属于B级，突破皮质＜2mm，未出现任何相关的临床症状。
胸椎的椎弓根周径细小，解剖结构复杂多变，给椎弓根钉的植入带来困难，常造成位置不佳，甚至引起神经刺激症状。Castro等报告尸体研究胸椎椎弓根钉偏差率为25%及临床应用40%椎弓根钉突破椎弓根皮质，而Youkilis等采用导航系统行胸椎椎弓根钉植入后发现，只有8．5%突破椎弓根皮质。随着计算机技术的发展，将传统C形臂X线机与术中红外线位置追踪技术相结合，通过计算机虚拟手术环境，术者可按需要通过导航工作站设计手术方案，建立内植物最佳植入路径。同时导航系统具有红外线跟踪功能，可实时显示手术器械的位置，使内植物按照所建立的手术路径准确植入。
手术方法:患者在插管全麻下取俯卧位，取胸腰段后正中入路，显露骨折节段及上下邻椎棘突、椎板、关节突和横突。于固定节段上一椎体的棘突上牢固安装参考架。用带校准靶的C形臂对骨折椎体上下邻椎体进行一次性正侧位成像，这时导航显示器中出现虚拟的腰椎正侧导航图像。用配套的定位探针在导航图的引导下确定椎弓钉入钉点，并在二维导航图上建立手术椎体椎弓钉正、侧位的进入路径和方向。用携带有线(主动)参考架椎弓根开道工具从预定的入钉点开骨道，在导航瞬时跟踪下，沿导航预设的虚拟路径达预定椎弓根深度，拔出开道工具，根据路径选择适合长度的椎弓钉，将椎弓钉拧入。用携带无线(被动)参考架的5 mm套管针在二维导航图上建立椎体正侧位的进入路径和方向，按导航路径从单侧或双侧经椎弓根穿刺至椎体前中1/3处，利用椎弓钉内固定系统特有的撑开和牵张作用恢复爆裂椎体高度，C形臂透视检查复位情况，对有神经压迫症的行椎板减压，必要时用有角度的植骨棒将向椎管后突骨块向前嵌埋，恢复椎管容积。
采用骨科手术导航系统引导行脊柱胸腰段内固定手术，具有显著的优点:①术中能同时在二维、多平面X线影像上观察到手术器械位置，使术者的操作形象化、多维化，且实时感强，最大限度地避开危险区，使内植物按预定的理想路径精确固定;②能大幅度减少患者和医护人员的X线辐射;③具有较高的手术精确度，减少了手术失误;④极大地便利了手术，缩短了手术时间。
2．颈椎的应用 椎弓根螺钉内固定因其可靠的三维稳定性，已经广泛地应用于胸、腰段脊柱稳定性的重建。但因为颈椎解剖关系复杂，椎弓根变异性大，椎弓根螺钉正确置入困难，损伤神经、血管的风险大，使其临床应用受到限制。已经有多种颈椎内固定方法应用于临床。
生物力学研究表明，颈椎椎弓根内固定技术的生物力学稳定性优于现有的内固定技术，包括前路钢板系统、各种后路钢丝内固定技术及侧块螺钉钢板系统。Jones等对比了颈椎弓根螺钉和颈椎侧块螺钉的拔出力，前者明显大于后者，同时颈椎椎弓根螺钉固定的扭转破坏力矩和前屈破坏力矩最大，稳定性最强，因此，颈椎椎弓根螺钉固定技术在临床上有广阔的应用前景。
颈椎椎弓根螺钉内固定技术虽然已有临床应用报道，但解剖学研究和临床应用中均发现椎弓根螺钉穿透椎弓根皮质的发生率较高，为6．7%～24%。该技术临床应用受到限制的主要原因是椎弓根螺钉穿透率较高，潜在的神经、血管损伤风险大，主要为椎动脉和脊髓神经的损伤。毫无疑问，提高椎弓根螺钉的置入准确性是降低颈椎椎弓根螺钉内固定并发症的关键。
颈椎椎弓根螺钉置入方法:
(1)术前设计 术前采集患者CT影像数据，层厚2mm。将CT数据输入计算机导航系统，进行术前设计。导航系统采用单椎体表注册方式。根据其三维重建图像，在拟手术椎体后方表面分别选取至少三个解剖标志清楚的参考点，待术中进行点照合。利用其设计软件，了解椎弓根有无解剖变异，设计椎弓根螺钉的置入位置及螺钉的长度和直径。
(2)术中应用 全麻，患者俯卧位，维持颈椎中立位，并将双上肢尽量下拉固定于身体两侧，以便于术中X线透视。后正中入路，充分显露拟手术节段后方结构至双侧小关节突外侧缘。患者后方解剖结构显露清楚后，在棘突上安装示踪器，确保示踪器牢固固定于椎体上。调整位置传感器，注册并校准智能工具。根据术前设计的参考点，进行点照合和面照合，根据导航系统自动测算的误差范围，如果误差可以接受，则可开始导航操作。在导航系统三维影像引导下，以指示器选择最佳椎弓根螺钉入点和方向，然后用2mm手钻钻探椎弓根螺钉通道，插入定位针，C形臂X线机透视确认椎弓根螺钉通道是否满意，若满意则置入椎弓根螺钉(图20－5)。
图20－5 术中导航下置入椎弓根钉
(1)术前使用CT导航系统进行椎弓根螺钉设计 (2)术中在CT导航系统引导下置入颈椎椎弓根螺钉 (3)术后CT检查示颈椎椎弓根螺钉位置满意
(3)椎弓根螺钉置入的精确性判断所有病例均在术后进行经椎弓根螺钉水平的CT平扫，观察椎弓根螺钉置入的精确性。临床观察有无相关并发症的出现。按照螺钉是否穿透椎弓根及穿透程度将其分为三类:一类:螺钉位置满意，螺钉未穿透椎弓根皮质，或仅轻微穿透＜1mm。二类:螺钉穿透椎弓根皮质＞1mm，但不需要翻修，患者无周围组织损伤症状，内固定稳定性良好。三类:螺钉穿透椎弓根皮质＞1mm，患者出现周围组织损伤表现或内固定稳定性差，需要进行翻修或取出。
四、骨肿瘤及其他
骨肿瘤的手术治疗包括肿瘤切除和骨缺损结构重建两部分。前者术前应用解剖影像学如CT、MRI和功能影像学如ECT、PETCT等确定肿瘤范围，利用三维重建、血管造影等了解肿瘤所在部位的解剖特点，如没有相应设备时，往往是术者依据丰富的临床经验建立肿瘤的三维构像，但术中对于解剖部位复杂或微小肿瘤，依然难以通过直视确定肿瘤的切除范围，若切除范围过小，截骨端易残留肿瘤，术前计划的边缘切除或广泛切除被动地转变为囊内切除，导致复发率提高。更为困难的是，术中缺乏有效的肿瘤切除边缘检测，仅以术者经验判断;反之，为避免出现肿瘤切除边界不足，盲目扩大肿瘤切除范围、切除过多的正常骨结构，给骨缺损重建带来困难，导致术后肢体运动功能损失。骨肿瘤由于其发病部位多累及重要关节(膝关节和髋关节)，解剖结构复杂，因此不规范的骨肿瘤外科治疗会造成肢体的残疾，甚至丧失治疗肿瘤的机会，危及生命。术中应用计算机导航技术有可能进行实时指引，进行恰当的肿瘤外科切除及骨缺损重建，为保留肢体功能创造条件。
计算机导航技术应视为协助手术的一种不断改进的高科技工具，它给骨肿瘤患者带来肿瘤精确切除的福音，同时给予外科医师更强的自信。其最大优势体现于术前设计、术中实施计划、肿瘤切除后边界确认及骨结构重建。
计算机导航技术在骨肿瘤手术中的适应证:
1．骨盆肿瘤的切除 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，如过多切除正常骨结构，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，尤其是在髋臼周围(Ⅱ区)和侵及骶髂关节部位(Ⅳ区)，能够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。
2．四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，实时指导术者确认切除边界是否已超越肿瘤边界，从而达到科学地扩大切除的要求，避免盲目扩大或切除不足。
3．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，若位于骨干等解剖相对简单的部位，传统手术即可以定位并切除，而若位于股骨近端后侧等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。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。
4．保留关节的特制人工肿瘤型假体的安放 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定位手段，并能够验证术者的判断，克服假体安放过程中的不吻合问题。
5．肿瘤边界的判断 计算机导航技术能够融合CT、MRI、PETCT等的图像，将传统的静态图像与功能影像进行融合，能够很好地进一步确认肿瘤的边界，CT、MRI的融合可以利用MRI显示肿瘤软组织范围及髓腔的优势，弥补CT对肿瘤软组织侵及范围判断不足的缺点，利于制定手术计划，再利用术中导航验证，做到完整的肿瘤切除。
操作流程:①将患者的CT和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，在CT图像中标记、勾画出肿瘤边界。术者依据骨骼肌肉系统肿瘤外科分期(Enneking分期)设计肿瘤切除范围并标记，供术中导航指引。如有特殊假体设计，也在术前依据CT数据定制肿瘤模型，在导航引导下截除肿瘤，依残留的骨结构设计假体，提高假体匹配程度，进而提高术后功能恢复水平。②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显示的肿瘤三维构像。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。③肿瘤切除后，可以从解剖角度验证肿瘤外科边界是否恰当，并有记录，而非术者主观判断。
随着计算机导航技术在各学科领域，特别是在骨科的广泛和深入的应用，术前设计肿瘤切除范围，结合术者的经验术中依照计划进行手术，确认肿瘤切除边界有利于提高手术的精确度，可以直观地验证手术的正确性，避免因术者主观三维图像的偏差而导致的误操作，并且使参与手术的其他医师可以提高合作效率，更好地辅助术者精确地完成手术。此外，计算机导航技术的应用有助于骨肿瘤的精确切除，保留重要的正常骨组织，为重建创造条件。