手術導航系統分類及在頜面外科中的應用

楊亦，熊猛

(1.東南大學 醫學院，江蘇 南京 210009； 2.東南大學附屬中大醫院 燒傷整形科，江蘇 南京 210009)

頜面外科手術是目前最具挑戰性的手術之一，頜面部復雜的解剖結構以及重要血管神經的走行大大提高了頜面部手術的風險性，口內切口所造成的手術視野盲區同樣限制精準手術的實施。由此造成的出血、神經損傷、醫源性骨折、美學效果不滿意也時有發生，所以精確的頜面術區定位對手術效果有著決定性的作用。手術導航系統(surgical navigation system)作為一種精確定位、實時、可視化的手術輔助工具，對上述臨床問題的解決提供了一種可行的方案。其成功的運用對精準手術實施、減少手術損傷、提高手術滿意度有著深遠的意義。作者就近年來手術導航系統在頜面外科領域的應用作一綜述。

1 手術導航系統的工作原理

隨著近年來信息技術的日新月異，手術導航系統作為計算機輔助手術(computer-aided surgery)的一部分有了飛速的發展。其工作原理大致可分為以下幾個步驟：(1)通過CT、MRI等數字化掃描技術獲取患者帶有(或無)導航系統配準標定點的原始影像學資料。(2)將獲取的影像學資料導入工作站，處理后得到該患者術區的3D模型圖像。(3)用相關導航軟件制定手術方案，在3D模型上清晰地顯示模擬手術路徑。(4)手術器械進行配準，運用光學、電磁、機械等原理將手術器械相對于患者術區解剖部位的現實坐標與事先建立的3D模型虛擬坐標進行匹配，從而在屏幕上實時、清晰、動態地顯示手術器械的位置，使手術醫生更加精準地掌握手術進程。

目前光學、電磁、機械、超聲技術涵蓋了絕大多數導航研究領域。可無論何種導航技術，術區定位的精度始終是術者最為關心的話題。目標點配準誤差(target registration error，TRE)作為衡量系統精度的重要參數已被廣泛研究，它被定義為當探針觸碰現實坐標目標點時，顯示在被配準后的導航系統屏幕虛擬坐標上目標點與探針的幾何距離[1]。TRE值越小，導航系統精度越高。目前尚無臨床導航設備最低誤差的標準，但一般認為，誤差值小于1.5 mm已能滿足大多數頜面外科手術的需要[2]。

傳統頜面導航系統配準方法包括侵入性與非侵入性配準。配準的精確程度將直接影響整個系統的精密度。侵入性配準指術前在患者手術區域附近植入影像學可顯影標記螺釘，再進行CT掃描獲取原始數據，重建患者帶有標定點的術區三維圖像進行系統配準。其優點為精準度較高，缺點是有創操作、患者體驗較差，且需要多次進行CT掃描確定標記螺釘位置。非侵入性配準指利用患者自身特殊骨性結構進行系統配準，其優點為無創、快速、術前準備時間短，缺點是精確度較差。Naujokat等[3]比較了此兩種配準方式系統的誤差，在使用Kolibri 2.0導航設備、iPlan 3.0影像數據處理軟件基礎上，測量顯示植入性配準平均系統誤差為1.03 mm，口內非侵入性固有點配準平均系統誤差為1.7 mm。同時其介紹了口內牙齒咬合面夾板標記點配準法，此種配準法的系統誤差達到0.98 mm，且為非侵入性配準法的一種，在提高患者接受度的同時，增強了系統的精確程度。其缺點為需要額外制備咬合夾板，增加術前準備時間和患者費用。

2 手術導航系統的分類

2.1 光學手術導航系統

光學手術導航系統是迄今為止最常用的頜面手術導航系統，無論何種工作平臺，現階段主流的光學導航系統定位精度一般穩定在0.1 mm左右[1,4-5]。光學手術導航系統依據工作原理的不同分為主動式、被動式、混合式3種[6]。主動式光學導航設備通過攝影機捕捉安裝在手術器械發光二極管發射的紅外光進行術中器械的實時定位，此種定位方式精確度高、算法簡單。也有報道描述具有特殊樣式的被動跟蹤標識通過攝影機圖像捕捉、軟件數字分析，從而得出具體空間方位的光學定位系統[7]。混合式光學導航設備是綜合前兩種定位方式的優點設計而成。另外激光傳感器掃描技術也分別在頜面外科[8]、肝膽外科[9]、骨科[10]等領域得到應用。Pietruski等[11]采用紅外定位設備和自主研制MFSS導航系統進行模擬下頜骨截骨術，將截骨前后CT圖像進行融合，得出平均TRE為(0.95±0.19)mm，平均截骨量差異為(8.55±5.51)%，平均角偏差為(8.08±5.50)°。Zhang等[1]基于國產AccuNavi導航工作平臺，利用光學定位設備對頭顱模型進行配準精度研究顯示，TRE在使用7個上頜骨固定螺釘作為配準點時的精度范圍在0.93～3.19 mm，使用非侵入性牙套模型配準點精度范圍在0.56～0.96 mm，進一步說明了非侵入性配準方式完全可以滿足手術需要。在隨后的研究中成功將此設備運用于頜面部復雜骨折及頦成形等手術，均取得了滿意的效果，證明了光學導航系統的精確性、穩定性[4]。Bernstein等[5]利用GTx-Eyes 3D紅外光學導航系統進行下頜骨模型截骨，在對截骨刀頭進行配準后，可清晰地顯示刀頭與設計截骨線的距離、刀頭傾斜和旋轉的角度等信息，并用不同的顏色標注刀頭當前的位置是否準確，使手術醫生更加直觀地了解手術器械的走行，提升了系統界面友好性。同時測試了此系統截骨的精準性，并與傳統經驗性截骨進行了對比，顯示了導航系統在截骨術方面的優勢。近年來，增強現實技術(augmented reality)在手術導航系統中得到應用。Chen等[12]在光學導航系統基礎上整合頭戴式增強現實顯示器，并指出此技術運用可以讓醫生免于在手術區域和顯示屏幕之間切換，增加手術便利性與手術連貫性。

光學導航系統的優點：(1)定位技術較為成熟。現階段已有多國研制出可應用于臨床的光學導航系統，比較有名的例如德國的VectorVision (Brainlab, Munich, Germany)、Stryker Leibinger Navigation System (Stryker Leibinger, Freiburg, Germany)和美國的Optical Tracking System Microscope(OTS, Radionics, Tyco Healthcare Group, USA)等。(2)定位精度較高。現階段大多數研究顯示平均誤差在1 mm左右。

光學導航系統的缺點：(1)導航過程中光路不可有遮擋，一定程度上影響了醫生操作的便利性，尤其在深部難以充分暴露的解剖結構導航方面存在困難。(2)光學導航系統硬件設備體積較大，造價高，手術經濟性較差。

2.2 電磁手術導航系統

電磁手術導航系統利用磁場發射器在手術空間制造特定強度的交變電磁場，傳感器綁定在手術器械上。當電磁場發生變化，傳感器線圈會產生相應的感應電流，主機接收到該電流并分析電流強度，從而確定傳感器相對于電磁場的方位，并將信息傳輸至圖像工作站，顯示此時手術器械在術區的位置[13]。穆曉蘭等[14]于2004報道電磁定位方法的精度在5 mm，而現如今隨著硬件設備的更新、算法的不斷完善，電磁手術導航系統的準確性已經有了明顯的提高。Peacock等[15]評估了OsteoMark-Navigation電磁導航系統在頜面外科手術過程當中的精確性。在人類下頜骨截骨模擬實驗中，利用該系統標記的目標點與術前規劃的標記點之間的平均距離分別為0.7 mm(水平方向)、1.7 mm(垂直方向)。近期的研究也表明，只要術前重建影像足夠清晰，電磁手術導航系統可提供小于1 mm的精確定位[16]，說明現階段利用該系統指導手術的誤差基本在可接受范圍，即小于1.5 mm。由于體積以及光路易受干擾等固有缺陷，光學手術導航設備對于需要實時監測并調整術區部位相對位置的手術勢必造成不便，電磁手術導航系統提供了新的解決方案。有研究[17]利用Aurora電磁追蹤系統設計了一組對比試驗，12位外科醫生將事先截下的上頜骨模型通過平移、旋轉等一系列動作移動至預定的位置，操作者分別使用傳統方式與電磁導航系統進行手術模擬，移動的準確性與所需時間進行對比，發現所有醫生在移動準確性上都有提高，手術時間都有減少，且對于初學者，時間減少尤其明顯，提示此類手術導航系統在日后的外科教學方面有進一步利用的空間。

電磁導航系統的優點：(1)電磁傳感器較小，手術過程中無需患者保持同一姿勢，醫生操作不受限制；(2)空間定位幾乎沒有死角，無光路遮擋等問題。電磁導航系統的缺點：(1)總體精確度相較研究較為成熟的光學手術導航系統要低，設備研制并不十分完善；(2)對手術室的要求較高；(3)設備成本高昂，手術經濟性較差。

2.3 機械手術導航系統及超聲手術導航系統

機械手術導航系統一般由6～7個自由度的機械臂組成，機械臂各關節均安裝角度傳感器，可以隨時給出手術器械末端相對于機座坐標系的位姿。當患者頭部保持靜止，通過點對點觸碰即可完成患者坐標與機械坐標的配準[18]。其精度因制造及保養水平差異較大，范圍在0.1～2.5 mm之間。這種系統由于體積較大且靈活性差，一般與其他類型的導航系統聯合使用[19]。

超聲手術導航系統的精度在2～5 mm，但由于受到環境溫度、氣流擾動、影像漂移等一系列問題影響，這類手術導航系統的穩定性較差[20]，臨床應用也較少，一般只起到臨時定位的作用。

3 手術導航系統的應用

3.1 導航系統在頜面腫瘤切除方面的應用

通常，手術醫生會憑借經驗，利用傳統方式判斷腫瘤相對于體表的具體位置，卻無法明確腫瘤的邊緣及侵犯的深度，尤其對頜面部較小的腫瘤。雖然各類術中腫瘤顯影劑在理論上被證明行之有效，但新型制劑的臨床安全性、實用性、研究周期、產出回報比卻限制此技術的快速發展[21]。在影像學高度發達的今天，術中精確定位腫瘤的邊緣，盡可能減少對正常組織的損傷仍舊存在困難，這可能是造成術后復發及患者預后不良的重要原因[22]。Tarsitano等[23]利用術前計算機重建技術確定腫瘤切除范圍的大致輪廓，并在圖像上進行標記點標識。在三維平面顯示模擬穿越標記點的截取線，這樣手術的切除范圍就十分清晰地展示在導航系統屏幕上。術者只要根據導航的圖像就可以實時控制切除的大小。切除的標本同樣可以進行圖像重疊，進一步明確手術范圍是否符合術前計劃。對20名頜面惡性腫瘤患者進行導航系統腫物切除手術可行性研究表明，129個實驗組標本切緣顯示僅9%陽性率，同期對照組10名類似腫瘤患者89個標本切緣顯示陽性率為16%，差異有統計學意義，證明了手術導航系統在腫瘤切除方面較傳統手術模式更有優勢。進一步研究提示，這種差異在深部腫瘤切除術中表現得更為明顯。Yu等[24-25]利用不同導航系統在包括頜面部腫瘤切除等多種術式中證明其實用性、有效性。也有報道描述了利用術中導航系統顯示手術切緣距離規劃線的長度從而判斷切除范圍是否足夠，并在臨床得到應用[26]。總之，導航系統在頜面腫瘤切除方面的應用提高了手術的安全性，降低了患者腫瘤的原位復發率。

3.2 導航系統在頜面修復方面的應用

外傷及手術形成的頜面部缺損，不僅對患者說話、咀嚼、面部表情等生理功能造成影響，而且不利于其再次融入正常的社會生活。頜面部的修復手術在造福這類人群的同時，也伴隨著術后效果欠佳、術中損傷重要神經、血管的弊端，給患者及其家庭帶來新的傷害。徐旭等[27]就手術導航系統在下頜骨修復手術的療效方面進行了研究，與單純使用CAD/CAM模版技術相比，術中加用BrainLab導航系統的血管化腓骨瓣移植修復手術在復位準確性與術后對稱性都較前者有明顯優勢，且糾正了以往經驗性的手工拼接與彎制，通過導航系統提供的客觀數據反饋，最大限度地避免了截骨塑形中產生的誤差。術后CT平掃也證實了利用手術導航系統進行手術修復效果與術前規劃更加近似。Yu等[28]也比較了傳統手術方式與加入BrainLab導航系統的游離腓骨皮瓣下頜骨修補術之間的差異，在不增加手術時間的情況下，后者術后骨性偏移更小，效果更滿意，差異具有統計學意義。

頜面部骨骼較小、走形復雜，某些部位位置較深，一旦發生骨折，通常對手術修復，尤其是精確的解剖復位帶來困難，手術導航系統改變了現狀。一些學者就計算機輔助導航系統在單側顴骨復合體骨折復位及其預后與傳統手術進行比較研究[29-30]，并使用色譜分析法進行術后療效評價，效果令人滿意[31]。近年來，對于復合性眼眶骨折[32]、上頜骨骨折[33]的修復，計算機輔助導航系統同樣取得了喜人的結果，可同時利用導航系統對操作人員技術要求較高，不恰當的使用反而會增加手術時間，加重組織水腫，產生“影像漂移”，降低導航系統的精確性。所以簡化導航操作步驟，提高導航系統自身準確性是未來進一步需要探討的課題。

3.3 導航系統在頜面正畸方面的應用

近年來，手術導航系統以其無可比擬的優勢越來越多地應用于臨床頜面外科手術中。牙齒咬合畸形是最為常見的口腔形態學畸形之一，Le Fort Ⅰ截骨術、雙側下頜升支矢狀截骨術常被用來糾正這一系列咬合畸形。上頜骨與下頜骨之間的移動往往會造成下頜骨髁突位置的改變，從而影響顳下頜關節的功能，嚴重的甚至造成手術的失敗，所以術中明確髁突的相對位置至關重要。

手術導航系統所提供的三維視角有效規避了傳統手術醫生憑借經驗性的操作和利用術前定制模具而可能造成的誤差。Sun等[34]對17名患者施行Le Fort Ⅰ截骨術，利用Kolibri導航系統指導上頜骨在術中的移動，以求最接近原始設計的位置，術后6周對其進行CT掃描，驗證實際移動距離與導航的偏差，發現各平面均小于1 mm，可滿足臨床需求，同時外觀滿意。Sun等[35]報道了兩例顳下頜關節強直患者在手術導航系統引導下實行的強直關節切除術，同樣療效顯著。在術后6個月的隨訪中未見患者出現術后并發癥且保證了最大張口度大于30 mm。但光學導航系統由于設備體積較大，難免影響術中移動，而電磁導航系統傳感裝置輕便小巧的特點為術中操作提供了便利，所以如何在保證導航系統精確性的前提下減小體積，是下一步需努力的方向。

4 前景及展望

手術導航系統尤其是光學及電磁手術導航系統在頜面外科領域的應用范圍越來越廣泛，其實時定位、清晰顯影的特性為頜面部復雜解剖區域的手術提供了便利，正確使用可以縮短手術時間，優化手術方式，減少重要神經、血管的損傷。但手術導航系統的缺陷同樣明顯，首先，利用手術導航系統進行頜面部手術需要進行長時間的術前準備，包括虛擬手術過程、原始影像數據的處理、配準點的安置等。就目前來看，術區配準點的放置及配準方法仍未形成國際統一的規范，即滿足臨床精度需要即可，如果可以達成某種術區或術式的配準共識，可以快速地減少配準精度誤差及術前準備時間。其次，手術操作的便利性與靈活性也因導航設備的不同而有所差異。錯誤的使用會增加手術時間，由此所造成組織水腫產生的影像漂移反而降低導航系統的準確性，為術者提供錯誤的信息。再者，與導航軟件相匹配的手術刀頭的制備、各種導航設備軟硬件的成本同樣是不可忽略的問題，現階段主流的導航設備主要來自歐美，我國醫院引進及患者使用花費巨大。國產AccuNavi導航工作平臺已在臨床研究中獲得滿意效果，如何制備更加先進的國產手術導航設備、降低手術費用，也是亟待解決的問題。手術導航系統在頜面外科領域的成功運用，證明了其在臨床實踐中的有效性、實用性，隨著設備的不斷更新，相信在不久的將來，手術導航系統必定在其他手術領域發揮巨大的作用。

[參考文獻]

[1] ZHANG W,WANG C,SHEN G,et al.A novel device for preoperative registration an-d automatic tracking in cranio-maxillofacial image guided surgery[J].Comput Aided Surg,2012,17(5):259.

[2] SUN Y,LUEBBERS H T,AGBAJE J O,et al.Evaluation of 3 different registration techniques in image-guided bimaxillary surgery[J].J Craniofac Surg,2013,24(4):1095.

[3] NAUJOKAT H,ROHNEN M,LICHTENSTEIN J,et al.Computer-assisted orthognathic sur-gery:evaluation of mandible registration accuracy and report of the first clinical cases of navigated sagittal split ramus osteotomy[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2017,46(10):1291-1297.

[4] ZHANG W,WANG X,ZHANG J.Application of preoperative registration and automat-ic tracking technique for image-guided maxillofacial surgery[J].Comput Assisted Surg,2016,21(1):137-142.

[5] BERNSTEIN J M,DALY M J,CHAN H,et al.Accuracy and reproducibility of virtu-al cutting guides and 3D-navigation for osteotomies of the mandible and ma-xilla[J].PLoS One,2017,12(3):e0173111.

[6] 辛鵬飛，沈國芳.口腔頜面外科手術導航分類及其定位配準[J].口腔頜面外科雜志,2010,20(1):60-63.

[7] COLCHESTER A C F,ZHAO J,DORWARD N L,et al.Comparison of phantom target localization by frame-based stereotaxy and by the VISLAN system[M].Berlin Heidelberg:Springer,1997:501-510.

[8] MARMULLA R,LüTH T,MüHLING J,et al.Automated laser registration in image guided surgery:evaluation of the correlation between laser scan resolution and navigation accuracy[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2004,33(7):642-648.

[9] FUSAGLIA M,HESS H,SCHWALBE M,et al.A clinically applicable laser-based im-age-guided system for laparoscopic liver procedures[J].Int J Comput Assist Radiol Surg,2016,11(8):1499-1513.

[10]KOMPA G,KAMUCHA G.Non-invasive intraoperative imaging using laser radar imaging in hip joint replacement surgery[C].Germany:Medicial Robotics,Navigation and Visualization,2015.

[11]PIETRUSKI P,MAJAK M,SWIATEK-NAJWER E,et al.Accuracy of experimental mandibu-lar osteotomy using the image-guided sagittal saw[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2016,45(6):793-800.

[12]CHEN X,XU L,WANG Y,et al.Development of a surgical navigation system based on augmented reality using an optical see-through head-mounted display[J].J Biomed Inform,2015,55:124-131.

[13]高慧,錢志余,王躍,等.電磁手術導航系統的導航精度問題研究[J].北京生物醫學工程,2012,31(6):592-596.

[14]穆曉蘭,王滿寧,宋志堅.手術導航中精度問題的探討[J].中國微創外科雜志,2004,4(5):444-446.

[15]PEACOCK Z S,MAGILL J C,TRICOMI B J,et al.Assessment of the osteo mark-navigation system for oral and maxillofacial surgery[J].J Oral Maxillofac Surg,2015,73(10):2005-2016.

[16]SEEBERGER R,KANE G,HOFFMANN J,et al.Accuracy assessment for navigated ma-xillo-facial surgery using an electromagnetic tracking device[J].J Cranio Maxillofac Surg,2012,40:156-161.

[17]JEAN-CHRISTOPHE L,STéPHANE N,VINCENT A,et al.A novel navigation system fo-r maxillary positioning in orthognathic surgery:preclinical evaluation[J].J Cranio Maxillofac Surg,2015,43(9):1723-1730.

[18]郝穎明,王洪光,朱楓,等.機械臂定位外科手術輔助導航系統[J].儀器儀表學報,2006,27(6):614-618.

[19]GUI H,ZHANG S,LUAN N,et al.A novel system for navigation and robot assisted craniofacial surgery:establishment of the principle prototype[J].J Cranio Surg,2015,26(8):746-749.

[20]HASSFELD S,MüHLING J.Computer assisted oral and maxillofacial surgery a review and an assessment of technology[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2001,30(1):2-13.

[21]HARMSEN S,TERAPHONGPHOM N,TWEEDLE M F,et al.Optical surgical navigation for precision in tumor resections[J].Mol Imaging Biol,2017,19(3):357-362.

[22]HINNI M L.Surgical margins in head and neck cancer:a contemporary review[J].Head Neck,2013,35(9):1362-1370.

[23]TARSITANO A,RICOTTA F,BALDINO G,et al.Navigation-guided resection of maxill-ary tumours:The accuracy of computer-assisted surgery in terms of control of resection margins:a feasibility study[J].J Cranio Maxillofac Surg,2017,45(12):2109-2114.

[24]YU H,WANG X,ZHANG S,et al.Navigation-guided en bloc resection and defect re-construction of craniomaxillary bony tumours[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2013,42(11):1409-1413.

[25]OHBA S,YOSHIMURA H,ISHIMARU K,et al.Application of a real-time three-dimens-ional navigation system to various oral and maxillofacial surgical procedures[J].Odontology,2015,103(3):360-366.

[26]FEICHTINGER M,PAU M,ZEMANN W,et al.Intraoperative control of resection marg-ins in advanced head and neck cancer using a 3D-navigation system based on PET/CT image fusion[J].J Cranio Maxillofac Surg,2010,38(8):589-594.

[27]徐旭,朱慧勇,李志勇,等.手術導航系統在下頜骨修復重建術中的療效研究[J].中華全科醫學,2017,15(5):738-741.

[28]YU Y,ZHANG W B,LIU X J,et al.Three-Dimensional accuracy of virtual planning and surgical navigation for mandibular reconstruction with free fibula flap[J].J Oral Maxillofac Surg,2016,74(7):1503.e1-e10.

[29]鞏璽,張益,賀洋,等.計算機輔助導航系統在單側陳舊性顴骨復合體骨折治療中的應用[J].中華創傷雜志,2013,29(2):122-126.

[30]王育新,楊旭東,文建民,等.計算機輔助導航系統在單側顴眶復合體骨折中的應用[J].口腔醫學研究,2014,30(8):780-782.

[31]高濤,富建明,樓勇貞,等.應用計算機輔助手術導航系統治療單側顴骨復合體骨折[J].中華口腔醫學雜志,2012,47(4):238-240.

[32]何冬梅,李政康,范先群,等.計算機輔助導航系統和個體化三維鈦網在陳舊性眶顴骨折治療中的應用[J].中國口腔頜面外科雜志,2011,9(2):143-150.

[33]富建明,王京,禹政玉,等.計算機輔助導航系統在面中部骨折治療中的應用[J].中國組織工程研究,2010,14(13):2287-2291.

[34]SUN Y,LUEBBERS H T,AGBAJE J O,et al.The accuracy of image-guided navigation for maxillary positioning in bimaxillary surgery[J].J Cranio Surg,2014,25(3):1095.

[35]SUN G,LU M,HU Q.The application of surgical navigation in the treatment of temporomandibular joint ankylosis[J].J Cranio Surg,2015,26(8):776-780.