O-Arm 导航在骨肿瘤外科中的应用和思考

孙伟 孙梦熊 韩倞 蔡郑东

虽然导航系统在骨科的手术中已经使用了 20 余年，但在骨肿瘤外科的应用较少且存在争议，因为耗时、设备昂贵且并没有明确的证据证实其在骨肿瘤外科中的作用。新型的 O-Arm 导航于 2000 年引入国内，最多应用于脊柱外科尤其是脊柱畸形手术中，应用于骨肿瘤手术的鲜有报道，现就 O-Arm 导航应用于骨肿瘤外科的现状、问题及应用前景展望述评如下。

一、O-Arm 导航原理及其在骨科的应用历史

O-Arm 导航系统是通过红外线的发射与接收从而实现对不同几何排列的反射小球的追踪。通过网线将O-Arm 影像采集系统与导航仪连接，将配有反射球的参考架牢固放置于容易被导航的红外摄像头看到的骨头上，在整个手术过程中都不可移动。在手术操作前，用 O-Arm 对手术区域进行扫描，需要注意的是：O-Arm机架配备有主动发射红外线的追踪器。O-Arm 追踪器及固定于患者骨组织参考架上的反射球均需要被导航的红外摄像头所追踪到，从而获得三维影像与实际患者空间位置的关系。在手术中，配有反射球的导航探针以及安装上反射球的手术工具将被导航仪实时追踪并体现于导航屏幕上，从而实现手术操作的实时可视。

在骨科领域，O-Arm 导航系统最先也是最广泛被应用于脊柱外科，基于 O-Arm 导航引导下的术中置钉及精准切除和减压有效提高了复杂脊柱手术中术野的可视度，使手术操作更加微创、安全、精准。此外，O-Arm 导航系统与脊柱内镜技术的有机结合极大推进了脊柱微创外科的发展，一定程度上扩大了适应证，保障了手术经皮置钉的准确性以及内窥镜下减压的安全性。直到 2004 年，Krettek 等和 Hüfner 等首次将导航技术应用于骨肿瘤的外科治疗并得出结论，导航系统可以提高具有解剖和手术复杂性的骨盆肿瘤切除的准确性。自此，导航技术在骨肿瘤手术中的应用进入了新纪元。

二、O-Arm 导航在骨肿瘤外科中的应用现状

骨肿瘤手术的目的是在获得良好的外科边界及不切除多余正常组织情况下，尽可能完全切除肿瘤，以获得更好的功能恢复。近年来，伴随骨肿瘤疾病诊断及治疗模式的不断进步，越来越多的保肢方法孕育而生，而这也从另一方面促使骨肿瘤科医师们进行更复杂，更具挑战性的外科手术，如靠近关节的骨骺内截骨术、对于已经侵犯邻近骨的软组织肉瘤进行精确截骨术，或是在复杂解剖区域 (如骨盆) 的截骨术，这些操作都要求严格且仔细的术前规划和精确的术中执行。

1.O-Arm 相比传统基于 CT 导航的优势：正如同计算机导航系统在脊柱手术、关节成形术、创伤手术和畸形矫正中通过提供详细的术中信息和指导大大提高了手术精度，近些年的一些报道亦都在推崇或鼓励将导航系统应用于临床的骨肿瘤切除术中。在这部分研究中，绝大多数所应用的计算机断层扫描 (CT) 导航系统需依赖于患者仰卧位时获得的术前 CT 数据。然而，在实际情况下，不同部位的骨与软组织肿瘤手术需要对目标切除骨区域进行额外的点对点匹配，从而导致手术时间的延长。O-Arm 导航 (Medtronic，USA) 是现代影像引导外科手术被临床最广泛应用的典范，可为外科手术提供高分辨率的三维 (3D) 和多平面图像。与传统的基于 CT 的导航系统相比，O-Arm 导航具有一定的优势。首先，外科医师无需再依赖术前的 CT 扫描，而是通过患者不同手术体位下进行术中实时更新的 CT 扫描影像。其次，O-Arm 导航系统可敏感识别 O-Arm 的光学追踪器和已连接到肿瘤负载骨的参考架，以高效的方式自动注册配准 (误差约 0.20 mm，可以认为该结果准确且可靠)，不需要与术前 CT 数据进行点对点匹配，从而节约手术时间并可以避免由于手术位置引起的误差。整个 O-Arm 导航过程操作简单，大约只需要 14 min，便可帮助术者实现精确的截骨。O-Arm 术中实时导航是结合了 O-Arm 及导航设备的实时导航系统。即使 O-Arm 辐射量远远超过 C 型臂，但是术中导航地图的获取只需要一次扫描即可完成，相比较反复多次 C 型臂 X 线透视仍无法获得精确图像仍具有很大优势。而导航系统的参与，相比较手术室中的三维 CT 扫描，具有直接指导手术的意义，仍然值得推广。

2.O-Arm 导航应用于骨肿瘤手术后的疗效：既往的文献亦报道了 O-Arm 导航在四肢、骨盆、骶骨肿瘤切除中的应用，展现了较传统切除方式更为精准的优势。2016 年，Ould-Slimane 等在 6 例骨盆肿瘤中应用了O-Arm，发现 O-Arm 导航有助于减少术中出血量及局部复发率；2017 年，Drazin 等进行了 6 例 O-Arm 导航下骶骨肿瘤切除术，得到了类似的结果，同时在恶性和侵袭性良性骶骨肿瘤中均取得了良好的功能学结果；2018 年，Abraham 等回顾性分析了 23 例应用 O-Arm 导航进行肿瘤切除的骨盆及骶骨肿瘤患者及对应切除边缘情况，结果显示所有患者的骨性切缘均为阴性，其中 2 例骶骨切除患者的软组织边缘呈阳性。在并发症方面，2 例患者术后出现短暂的股神经麻痹，这可能是由于在耻骨支放置参考阵列后股神经拉伸所致；2018年，Tomohiro 等报道了 6 例在 O-Arm 导航下切除的四肢及躯干骨与软组织肿瘤，评估后发现，经 O-Arm导航辅助下的截骨角度的平均差异为 (2.8±1.2) mm，组织学结果显示所有患者的手术边缘均清晰，并在平均 30.6 个月的随访期间，没有出现与导航相关的并发症及局部复发；2019 年，Fujiwara 等在 5 例骨样骨瘤中应用 O-Arm 导航进行了迷你开放切除，术后经病理证实，所有患者均获得完全切除，平均皮肤切口为2.1 cm，无与导航相关的并发症及局部复发。以上结果均证实了 O-Arm 导航在骨肿瘤切除手术中的精准度及安全性。然而，目前国内外关于在骨肿瘤手术中应用 O-Arm 导航鲜有报道。

三、笔者团队应用 O-Arm 导航进行骨肿瘤切除的经验分享

1.在高位骶骨肿瘤切除术中的应用：原发恶性骶骨肿瘤临床发病率低，主要的病理类型是：脊索瘤、软骨肉瘤及骨肉瘤，良好的外科边界的手术切除是治愈的关键。作为长期致力于临床一线骨肿瘤诊治的医务工作者，笔者发现累及高位的骶骨肿瘤整块切除后，经常面临着神经功能的缺失，极大影响患者术后生活质量。自我院引入 O-Arm 导航系统以来，在颅脑外科及脊柱外科广泛应用，基于高位骶骨肿瘤的外科手术切除与神经功能保留的精准要求，创新性的将这套先进的导航系统应用与骶骨肿瘤整块切除手术及保留 S神经根的切除，以期在良好外科边界的前提下，最大可能的保留骶神经功能。

2020 年 4 月至 2020 年 12 月，共对 4 例原发骶骨恶性肿瘤患者实施了 O-Arm 导航引导下的高位骶骨肿瘤切除。经分析，4 例平均导航扫描和验证截骨计划所需时间平均 15 min，术中 O-Arm 扫描时间与传统手术切除时反复 X 线透视验证截骨平面耗时相仿，并不增加手术时间，术中出血量与围术期并发症发生率均在既往文献报道范围内，且均未出现导航相关的并发症。术后病理证实，骨性切缘均阴性 (图1)。术中验证，导航可精准的引导术者执行术前计划，在安全的外科边界前提下，尽量保留双侧 S神经根，在不影响肿瘤局部控制的情况下，减少了术后神经功能缺失的范围。这种保留 S神经根的高位骶骨肿瘤切除术对于患者术后保留完整的行走及括约肌功能的部分恢复有着巨大意义。

图1 患者，女，75 岁，骶骨脊索瘤 a：术前 X线片提示骶骨肿瘤；b～f：术前 CT、MRI 扫描提示骶骨肿瘤，累及 S2～5；g、h：术中导航提示纵向和横向截骨面；i：肿瘤切除后术野，S1 神经根保留；j、k：肿瘤标本，截面无肿瘤累及及残留；l：导航下骶骨肿瘤切除后，镜下显示切缘阴性Fig.1 Patient,female,75years old, sacral chordoma a: Preoperative X-ray showed sacraltumor; b- f: Preoperative CT and MRI scans showed sacral tumors involving S2-5; g - h: Intraoperative navigation prompted longitudinal and transverse osteotomy surfaces;i: After tumor resection, the sacral 1 nerve root was preserved; j - k: Tumor specimen, no tumor involvement and residue on the cross section;l: After sacrum tumor resection under O-Arm navigation, the cutting edge was negative under microscope

2.在骨盆肿瘤切除重建中的应用：髋臼肿瘤是骨盆肿瘤中最具有挑战的一种类型，结构复杂，累及髋臼的肿瘤常常需要精准的切除及重建来保证肢体功能，定制金属假体重建是目前重要的重建方法。而 O-Arm 导航系统可为肿瘤的精准切除及精准重建提供实时的指导，最大限度地减少误差。

笔者回顾分析了 2019 年 1 月至 2020 年 9 月，我院收治的 22 例于我科行外科手术治疗的髋臼恶性肿瘤患者 (骨肉瘤 8 例，软骨肉瘤 12 例，UPS 2 例)，其中导航下切除及重建 14 例 (导航组)，通过术前影像截骨及重建 8 例 (对照组)，所有患者均接受骨盆肿瘤切除及定制骨盆假体重建手术 (图2)。结果显示所有患者均顺利完成手术，围术期无意外并发症发生，导航组患者手术时间、术中出血量、术后住院时间、疼痛评分与对照组差异无统计学意义，导航组患者术后双下肢不等长 (leg length discrepancy，LLD) 发生率明显低于对照组(0 / 14，2 / 8，＜ 0.05)，所有患者术后均达到了 R0 切缘，此外，导航组术中旋转中心误差率明显低于对照组，术后早期 MSTS 评分导航组稍高于对照组。初步结果显示，利用新型实时 O-Arm 导航系统可辅助进行精准肿瘤切除及精准重建，能更大限度地减少下肢不等长的发生，未使用导航组患者截骨范围往往难以与术前计划达到一致，下肢等长更利于恢复自身旋转中心，进而助于下肢功能恢复。

图2 患者，女，48 岁，髋臼去分化软骨肉瘤 a～d：术前 X 线、CT 和 MRI 提示右侧髋臼肿瘤；e～g：术中截骨平面导航图；h、i：切除后肿瘤标本大体图片；j～m：术中导航下验证旋转中心，实现精准重建；n：精准重建后术野照片；o：术后透视图片Fig.2 Patient, female, 48 years old, acetabular dedifferentiatedchondrosarcoma a - d:Preoperative X-ray, CT and MRI showed rightacetabulartumor; e-g: Intraoperative osteotomyplanenavigation map;h -i: Generalpictureoftumor specimen after resection; j - m:Verifythe rotationcenter under intraoperativenavigationto achieve accurate reconstruction; n: Photos of surgical fieldafter accurate reconstruction;o:Postoperativefluoroscopy image

3.在四肢骨肿瘤外科手术中的应用：膝关节周围是原发性恶性骨肿瘤的好发部位。目前成年患者临床采用肿瘤切除合并组配式关节假体重建的保肢方案应用已较为成熟。在骨骼发育未成熟的青少年患者中仍面临诸多瓶颈和挑战，包括 LLD，假体无菌性松动、感染、软组织失败等。保留骨骺假体能有效解决 LLD、假体松动、短期和晚期功能问题，然而手术中的精确截骨却是一个较大的困难。将 O-Arm 导航系统用于膝关节肿瘤切除手术，以期在精确控制肿瘤切除边界的同时，保留足够的骨骺。

笔者收集了 2019 年 1 月至 2021 年 9 月，我院收治的 12 例原发于膝关节周围的青少年恶性骨肿瘤患者(骨肉瘤 9 例，尤文肉瘤 3 例)，随机分为实验组 (导航截骨 6 例) 和对照组 (导板截骨 6 例)，在全麻下行肿瘤切除并假体重建术 (图3)。结果显示，实验组实际截骨线与计划截骨线差距为 (1.6±0.2) mm，对照组差距为(5.3±1.8) mm (＜ 0.05)；所有实验组均为 R0 边界，对照组有 2 例为 R1 边界；两组在 MSTS 评分、步态、视觉模拟评分 (visual analogue scale，VAS) 等均无统计学差异，未观察到假体失败、深部感染、肿瘤复发等并发症。结果证实 O-Arm 导航系统进行保留骨骺的组配式假体重建对于骨关节发育不完全的青少年患者来说具有一定优势。笔者的体会是：导航与导板相结合，使得导航的“点精确”变成导航加导板的“面精确”。

图3 患者，女，16 岁，左股骨骨肉瘤a～d：术前 X 线、CT 和 MRI 提示右侧股骨远端肿瘤；e～h：术前规划及术中截骨平面导航图；i：切除后肿瘤标本大体图片；j、k：术后透视影像图片Fig.3 Patient, female, 16 years old, left femoral osteosarcoma a - d: Preoperative X-ray, CT and MRIshowedrightdistal femoraltumor; e - h: Preoperative planningand intraoperative osteotomy plane navigation map;i:General picture oftumorspecimen after resection;j- k:Postoperative fluoroscopy image

四、O-Arm 导航在骨肿瘤外科中应用前景的展望

迄今为止，O-Arm 导航技术在骨肿瘤治疗领域的应用已取得了迅猛的发展，并被越来越多骨肿瘤专家所认可，工作流程也日趋成熟，其在骨肿瘤外科治疗精准性上的优势亦无须赘述。从现有的文献报道及笔者的经验提示，应用 O-Arm 导航进行骨肿瘤手术不会影响手术持续时间和失血量，特别是因为手术区域的缩小，在很大程度上弥补了准备和实施手术以及 CT 采集所需的时间。该设备的大小也与绝大多数类型骨肿瘤的手术兼容，具有部分适应性。此外，仍有部分患者对 O-Arm 导航过程中的辐射暴露心存顾虑。最新的一份报告显示，患者在两次 O-Arm 扫描期间接受的辐射剂量为 40 mGy，而在一次 O-Arm 扫描期间接受的总辐射剂量仅为涉及同一身体部位的常规 64 层 CT 扫描的一半，因此与其带来的治疗优势相比，O-Arm 辐射暴露的危害似乎也是相对的。

目前，限制 O-Arm 导航发展的主要因素首先在于其相对高昂的成本。O-Arm 设备引进费用较高，国内医院较少配备，且国内市场缺少专门针对骨肿瘤外科的器械，需要合理运用脊柱、创伤的导航工具，同时适配的碳纤维手术床。仅对于一些具有一定规模的骨肿瘤中心来说，引进 O-Arm 导航的费用以及每年的维护费虽然高昂，但可以降低患者因再次手术而产生的费用，从而节省医疗成本，产生社会效益。其次，必须承认术中 O-Arm 在软组织切缘的判断中存在一定缺陷，导航的使用并不能指导或帮助获得更充分的软组织边缘。受累的软组织边缘被认为是一个不良的独立预后因素，大多数局部复发发生在软组织 (边缘)，而不是截骨缘。因此仍需要术者根据术前 MRI 的影像，详细分析并结合术中的扫描数据综合判断。再者，需注意虽然 O-Arm导航仅存在约 2 mm 的精度误差，但在术前计划时仍需将它考虑其中，并且在手术操作时间较长时，建议再次验证导航精度。此外，目前已报道的关于 O-Arm 导航在骨肿瘤外科应用的临床研究大多存在样本量小，随访时间较短，且缺少对照组的缺陷，未来需要进行更多长期随访的前瞻性多中心临床研究，以进一步验证及评估 O-Arm 导航技术在骨肿瘤手术中的可行性及潜在效益。

O-Arm 导航技术的兴起无疑为骨肿瘤外科手术保驾护航，如虎添翼。期待未来 O-Arm 导航能与更多如骨科机器人等这样的新兴技术擦出火花，为将来实现骨肿瘤的个体化切除与重建提供更精准的解决方案，使更多的骨肿瘤患者获益其中。