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影像导航技术在耳鼻咽喉微创手术中的应用
第四军医大学西京医院耳鼻咽喉科
全军耳鼻咽喉科专科中心

 

邱建华
近年来,随着科学技术的飞速发展,传统的外科观念受到极大的挑战。微侵袭概念已深入到外科诊断与治疗的各个领域。影像学、放射外科和立体定向技术的有机结合,衍生出多种新型的治疗手段。
如:脑血管造影定向技术、磁共振定向技术、内窥镜立体定向术等。立体定向放射外科概念的引入和发展,伽玛刀、X刀和质子束放射系统的应用,使微创或无创的概念得到进一步的深化。
通过无框架式立体定向系统引导外科手术在三维空间定位,精确设计手术进路,模拟最安全的手术方法,极大地提高了手术的安全性和准确性,已成为外科手术发展的主要方向之一。
耳鼻咽喉各器官解剖复杂,位置深在,功能重要,与重要的血管、神经毗邻。传统的颅底手术创伤较大,在维护各器官功能方面有较大的缺陷,因而在微创、功能手术方面发展较慢。
鼻内窥镜技术的发展已使一些颅底手术发生了变化,如鼻内窥镜下垂体瘤切除术、脑脊液鼻漏修补术、经蝶视神经减压术等,不仅手术径路简单、创伤小、视野清晰、而且并发症少。已成为众多耳鼻咽喉、神经外科医师接受并采纳。
我们新近开展的鼻内窥镜下中隔后端切除,辅以激光鼻咽肿瘤切除术,也具有视野开阔、病变切除彻底、创伤小等优点。同时我们耳内窥镜下行上鼓室进路面神经水平段及膝状神经节减压、颅颞联合径路全程面神经减压术也同样显示了耳内窥镜下微创手术的优点。
1998年7月在法国卢兹堡市召开了第二届耳鼻咽喉、颅底外科微创手术的发展方向。影像导航、专业内窥镜、激光设备、神经监护及智能计算机等高科技的应用,已使耳鼻咽喉、颅底外科微创手术成为可能。

影像导航技术的基本概念
影像手术导航系统(imagimg operation navigation system)是利用特殊设计的计算机软件,将病人术前CT或MRI图像进行三维重建(3-D-reconstruction),并通过术中定位系统,对手术器械在术野中的位置进行精确定位,术者参照显示在计算机监视器上的三维影像(水平位、矢状位、冠状位)观察到手术器械的实际位置。
影像导航系统可与具有导航功能的手术显微镜或内窥镜相驳接,将手术视野扩展到显微镜及内镜视野之外,使术者在术野中进行手术操作的同时,能顾及到术野周围的重要组织结构,如:颅底、眼眶、神经、血管等。并可随手术的不断进展,影像导航系统可提供连续的手术器械定位,使手术安全、彻底、减少手术并发症的发生。

影像导航技术 在耳鼻咽喉科的发展与现状
1986年德国Aachen大学附属医院首次在耳鼻喉科运用计算机辅助手术,他们运用一个机械手臂,手臂的各部分通过5个滚动关节相连,电位记录关节的运动,将手臂末端相应位置的信息传送给计算机。不幸的是手臂的移动很局限,且笨重,不能适应耳鼻喉科手术的精确性。

Aachen的学者们对此系统进行一步研究而设计了一种6关节视觉编码器的计算机系统,他们用此系统为64位病人进行包括副鼻窦,眶,颅底,中枢神经系统及翼腭窝的手术。作者认为运用计算机辅助系统可提高准确性达1-2mm,所以非常准确。
1991年Aachen大学工作组改进了他们的经验而报道了200例手术,计算机辅助手术的适应症包括鼻,鼻窦,及眶肿瘤,颅底手术,首发和复发的副鼻窦炎及听神经瘤,作者评估了CAS手术的优缺点,缺点包括二次CT的辐射,费用及多用的人力,CAS优点是手术中大大提高了信息量,可以更有效的手术并减少手术并发症。
1993年Aachen大学的mosges和Klimek报道了他们在副鼻窦手术中运用计算机辅助系统。他们相信CAS系统可以提供术中定向,特别对那些出血或解剖标志被肿瘤或上次手术破坏的手术。作者得出结论:CAS手术将副鼻窦手术并发症发生率降低2%左右。
1994年Anon 等在美国首次报道计算机辅助鼻内窥镜手术。他用viewing wand系统为70例患者手术,联合运用体表标志注册及表面注册(替代坐标标记注册)。作者报道临床精确度为1-2mm,手术适应症包括复发,巨大病患,蝶窦手术,额隐窝手术。
在一份回顾中Roth 等一年中为220例中的12例(5%)患者viewing wand系统作鼻内窥镜手术,作者发现CAS很有帮助,但是费用高,需2次CT,需增加手术时间,另外一点是患者在局麻下很难注册。
1996年Tebo 等在塑料头颅上重复了精确度研究。他们用flash point系统替代了viewing wand系统,在塑料头颅上测试了1590个点,平均误差为2-3mm,95%的误差在0-5mm之间,在3个医生3次不同手术中临床误差率为2-5mm。
Fried 等采用了一种新的电磁系统:insta Trak系统。这种系统可以跟踪直或弯的吸引头的电磁轨迹。14例手术无并发症,这种系统在手术室中可方便调节,精确度在2mm以内。作者认为intra Trak系统已经克服了其它计算机导航的局限。
电磁系统(insta Trak)
instTrak系统运用电磁跟踪装置及时监视吸引器套管的位置,套管末端以十字交叉点的形式反映在冠状,矢状,及横断位CT上,而CT图像被显示在监视器上。患者手术中需带头架,头架上安有发射装置,吸引器手柄上装有电磁接受器,发射器与接受器都通过电缆与计算机系统相连。
电磁系统需患者在术前和术中带同一头架,扫描中应注意防止发夹发带头发等移动头架使图像扭曲,CT厚度为3mm,扫描范围从下颌骨底到头架金属球上方2.5mm。患者必须在手术当天佩带同一头架,头架不能更换而且为一次性使用,头架有两个功能:.补充术中头的移动及自动注册。注册的意思是把CT数据与病人解剖相连系。Insta Trak系统能够自动注册:标记已事先埋于头架内,所以不用体表标志标记来校对解剖。
因为instaTrak系统用电磁波系统,金属器械会影响信号传送,当有干扰发生时,监视器会自动提醒术者。在患者与金属手术台之间需垫两层褥垫,另外器械台,麻醉机,及其它金属器械与手术区之间应有一定距离。
Stealthstation系统运用红外跟踪系统及时显示手术器械在患者术前CT中的位置,器械末端以十字交叉的形式反映在冠状、矢状及横断位CT上,光电感受器是排列在固定装置上的三个红外感受器,位于手术台前6英尺高。感受器跟踪安于标准手术器械或直吸引器上的红外发射点的位置,患者头架上也有一系列红外发射点用来监测头动。这些信息通过光电数字处理器来处理。
Stealthstation系统需术前连续用1-3mm厚CT扫描,一般用2mm。扫描时缓者要带头架,手术器械的手柄通过将其末端伸到头架的发射红外线的二极管(LED)槽内并同时踩脚踏板来校对,择了5个标记点。注册时将直吸引器头接触患者面部的体表标记并同时踩脚踏板来完成。
Instatrack和station两种系统都利用功能性鼻内窥镜手术器械作为探针,instatrack用非金属性吸引头,其优点是可针对快速出血,但用弯吸引器头到达额窦时因其口径及尖端结构问题而造成困难。Station系统用标准的内窥镜手术器械配有红外发射点来定位,其优点是可在额隐窝区手术,细小的弯尖头吸引器可进入额窦并可显示一个大窦腔内不同位置的定位。
两种系统都需要患者在术中带头架,但instatrack系统还需要患者在术前带同一头架进行术前CT扫描。Station系统的头架通过眉间固定,而instatrack系统的头架被固定在外耳道及鼻背上,这种结构可以反映眶内壁及额窦,内眦,及耳部区域手术。
功能性鼻窦手术中的一个困难是对关键解剖结构的识别,如纸样板,筛顶,蝶窦前壁,额隐窝等往往因为上次手术瘢痕形成或仅仅因为疾病本身使这些标志更难识别。CAS使这些关键标志定位准确,这种技术很明显不仅可应用于慢性鼻窦炎而且可用于窥镜下前颅底手术,眶及视神经减压和后鼻孔闭锁手术。
历史短 (1986)近15年历史
发展快 传导定位方式包括-声导型、机械 臂型、电磁感应型及光感应型
应用少 主要原因是仪器及辅助仪器设备昂贵,目前主要用于鼻腔、鼻窦及前颅底手术。
影像导航手术的优缺点
主要优点:降低术中并发症、缩短手术时间、提高手术疗效,某种程度上可改变手术径路、扩大微侵袭手术的范围,使一些大手术改在腔内进行,同时能提高观摩示教,是很好的教学工具。

应用影像导航系统,术者可获取以下重要信息:
准确定出术野所处的三维空间的位置。
显示术野邻近的结构。
指出靶灶定位与目前手术部位空间关系。
帮助设计理想的手术入路。
显示手术进程中可能遇到的结构。
显示重要结构的位置。
术中显示靶灶范围的大小。

主要不足之处:
术中软组织的改变,不能显示在影像上,可能会造成手术误差。
往往需要病人进行重复的影像学检查。
依赖系统还是依赖术者对解剖理解的取舍,有时术者会遇到选择取舍依据系统还是对解剖的理解。
系统及附件的费用高。

影像导航系统的临床应用
可应用于几年所有的内窥镜鼻窦外科手术中(选择性),包括复杂的鼻窦炎、鼻息肉手术、鼻腔及鼻窦肿瘤取出术。
前颅底手术:经蝶垂体肿物切除术、脑脊液鼻漏修补术、经蝶视神经减压术(鼻咽肿瘤切除术)等。
在部分耳科及侧颅底外科手术中的应用。

Brain Lab影像导航系统在鼻内窥镜手术中的应用程序
病例选择
适应征
术前使病人了解影像导航下手术的特点及有 关注意事项
术前CT扫描
戴头架,调整合适后记录头架的左、右及额侧的有关数据。
在头架上安装Mark(6个标准点)。
平卧位,要求头位居中,左、右两侧Mark在同一水平上,行鼻窦水平位CT扫描。
CT扫描的有关参数:
螺旋CT扫描,100mA,扫描野260~280。
层距2mm,层厚3mm,连续水平扫描。
阵矩512×512。
如术中采用Z-Touch注册,CT扫描时无需戴头架,可直接行无Mark标记扫描,条件同上。
注意事项:
头架固定要可靠,女性病人要注意因头发引起的固定架移位。肥胖病人要注意皮肤移位。
准确记录头架左、右及额侧的数据。
无论是用头架定位或Mark标记,均需在术前一周内行CT扫描。
Brain Lab影像导航系统采用的是自动配准的方法(所谓配准是在患者实体与三维重新图像之间建立一一对应的关系。)在术前CT扫描时,患者戴上特定头架,术中需将头架戴在相同的位置。该头架能被计算机识别而自动配准。配准在影像导航手术中占有非常重要的地位。因与手术导航时的精确度直接相关。配准时所选的标记点至少要4个,最好达6-10个,所选的点越多,配准的精度越高,平均误差率越低。
术前数据准备:
将CT工作站病人的数据输出,用8mm磁带(1Q/PQ格式)记录并输送至影像导航工作站,输入头架Mark的数据,并进行三维重建。术前可根据输入的病变部位的信息,进行手术径路的设计,设计完毕后,将数据输出,存储在Zip盘上,至影像导航机上备用。
术中的处理:
病人采用全麻或局麻。
戴同一头架,并按术前CT扫描时的头架位置 的数据进行调整。
消毒、铺单后在头架上安装红外线反射小球。
病人注册(如术前CT扫描时不戴头架,无Mark标记,用激光Z-Touch注册)。
手术器械,吸引器,Hommer等的注册。
注册完毕即可开始手术,术中可将手术过程连续记录,或关键部位摄像。

目前,在我国影像导航技术已有了初步临床应用的报告。但对其疗效的评估尚未有明确的标准,利用影像导航技术,可以评估导航装置如何帮助医师提高技术,如何更准确,更安全地进行手术,如何降低手术时间,提高临床疗效,降低复发,减少并发症。但导航手术的疗效和其它手术一样,与手术医师经验程度及疾病的类别程度有关。
 

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