概要】 目的 整形外科領域におけるコンピュータ支援手術（CAS）の具体的な適用を検討・評価する。方法 CASの適用状況.システム構成.作動形態から.整形外科の各分野におけるCASの具体的な適用と開発動向を探った。その結果.浅いところから深いところまで議論され.CASのメリット・デメリットがより体系的・包括的にまとめられました。結論 CASは整形外科手術において重要なツールとなるであろうし.良い技術的方法である。 済南軍区総合病院整形外科外傷科 王維国氏
Key words】 コンピュータ支援.整形外科手術.定位位置決め法
コンピュータ技術の急速な発展により.医療画像の可視化技術の開発が進み.外科医が手術器具の位置と患者の解剖学的構造の関係を一目で理解し.より正確で安全かつ便利な手術を行うために.コンピュータ技術.バーチャルリアリティ技術.医療画像技術.画像処理技術.ロボット技術などが手術と融合し.その結果.医療画像の可視化が実現されています。 CAS（Computer Assisted Surgery）は.コンピュータが大量のデータを高速に処理・制御する能力をベースに.仮想の手術環境を通じて外科医をサポートし.より安全で正確な手術を実現する総合的な新技術です。 コンピュータ技術.空間位置計測技術などの画像3D再構成・融合により.外科医は術前に患者の状態を十分に把握し.手術経路や計画を詳細に立て.手術のシミュレーションを行い.術中に手術器具を追跡し.手術を誘導して手術範囲を決定することができ.より正確で安全な低侵襲手術が可能になります。
整形外科手術におけるCASの具体的な応用は.コンピュータ支援整形外科手術（CAOS）と呼ばれ.コンピュータ断層撮影（CT）.磁気共鳴画像（MRI）.ポジトロン放射断層撮影（PET）.デジタル減圧血管撮影（DSA）.超音波（US）などの今日の医療分野で利用できる高度な画像技術を組み合わせて行われます。 ).超音波画像診断(US).医療用ロボット(MR)の各分野に注力しています。 CAOSは.整形外科医に.手術の位置決め精度の向上.手術ダメージの軽減.複雑な整形外科手術の実施.手術の成功率を高めるための強力なツールと方法を提供します。 CAOS技術は1990年代初頭から欧米で導入され.比較的短期間ではありますが.非常に急速に発展し.利用が進んでいます。 ここでは.CAOSの整形外科分野への応用について説明する。
1 CAOSアプリケーションの現状
医用画像技術（CT.MRIなど.複雑な部位の3次元構造を表示できる技術）の発達により.術者は患者の状態を以前よりも適切かつ正確に把握できるようになりましたが.主に2次元X線画像に依存する手術中は.これらの画像特性を適用できず.被曝の危険性があります。 そのため.整形外科手術の一部では.術中3Dイメージングシステムの開発が必要となっています。 これらの問題を解決する重要な手がかりとなったのが.グローバル衛星測位技術を原理とする手術用ナビゲーションの登場である。 コンピュータ支援手術（CAS）は.脳外科の定位手術に端を発し.ロボットによる位置決め.光学的位置決め.光を遮蔽しない電磁的位置決めと.空間位置決め技術が発展してきた。 空間位置決め技術の発達により.その装置は外科手術ではあまり影響力を持たなくなり.次第に脊椎手術に使われるようになった。 CAOSは.医用画像技術やコンピュータ技術の急速な発展に伴い.手動によるレジストレーションを必要とする術前CTベースイメージガイダンス.術中CTベースイメージガイダンスや透視（Fluoroscopy）.術中CTベースイメージガイダンスに基づく初期段階を経て.現在に至っている。CAOSシステムの自動レジストレーションのためのGuidanceor Fluoroscopy-Based Image Guidance）.ナビゲーション用のThree Dimen-sional C-Arm Fluoroscopy.将来のCAOSシステムは実際の術中3D画像ベースの技術に合わせた自動レジストレーションとなる予定です。
1.1 CAOSシステムの構成要素
CAOSシステムは.ハードウェアとソフトウェアの構成要素に分けることができます。 ハードウェアの構成要素は.どのタイプのナビゲーションでもほぼ同じで.画像処理装置.ナビゲーション・ポジショニングツール.コンピュータ・ワークステーションなどが含まれます。 位置決めツールも.DRB（Dynamic Reference Base）.Calibrationfixture.Transmitter.Receiverなど.どのタイプのナビゲーションにも共通するものがあります。 ソフトウェアとは.主にコンピュータの動作プログラムのことで.画像処理.マッチングアルゴリズム.ツールレジストレーション.ポジショニング.角度・距離計測などの動作システムが含まれます。 画像処理には.3D再構成.画像分割.画像融合などがあります。 CAOS技術の核となるソフトウェアシステムです。 現在.様々なCAOS製品に互換性がなく.膝関節置換術.股関節置換術.ペディクルスクリューナビゲーションなど.術式によって異なるソフトウェアパッケージが必要とされています。 そのため.互換性のあるハードウェアとソフトウェアの開発が.今後のCAOS開発の方向性になると思われます。
1.2 CAOSの仕組み
術前画像の取得.すなわち患者の術前関連X線.CT.MRIからの画像情報をCAOSシステムのコンピュータに入力し.3D構築用ソフトウェアパッケージで処理します。 術者は患者の解剖学的情報に基づき.術前計画を立て手術のシミュレーションを行い.骨内インプラントのサイズ.移植経路.正確な位置を決定することができます。 手術室に入るとCアームのイメージインテンシファイアに補正装置を取り付け.Cアームのビデオ光ファイバーケーブルをナビゲーションに接続し.送信機を患者に固定し.送信機を接続し.受信機をナビゲーションシステムに接続する。 Cアームと患者の手術部位との距離を調整し.画像情報を取得し.画像の位置合わせを行い.ツールの登録.コンピュータによる位置計算.ツールのトラッキング.画像表示を行い.ツールが示す位置がナビゲーション画像上の位置と同じであることを確認した後に手術を開始します。 具体的な操作方法はナビゲーションによって異なりますが.大まかな手順は同じです。 術中ナビゲーションシステムは.手術器具を追尾し.多次元画像をリアルタイムに表示することで手術のガイドを行います。 CAOSの導入により.整形外科医は.より不明瞭でわかりにくく.複雑な解剖学的構造を持つ手技をよりシームレスに解決できるようになりました。
2 脊椎外科手術におけるCAOSの応用
CAOSは.まず腰椎.下部胸椎から上部胸椎.頚椎へのペディクルスクリュー固定法を応用し.側弯変形矯正.頚椎外側ブロックスクリュー法.脊椎前方内固定システム.椎体切除などに広く普及.使用されており.その技術はますます成熟してきています。 CAOS技術は.脊柱変形矯正や脊椎骨折などの術式において.解剖学的変化や個人差が大きく.また.ペディクルスクリューを配置するための解剖学的ランドマークが明らかでないことから.スクリューの位置ずれの発生を最小限に抑え.CAOSシステムの適用は従来のスクリュー配置技術よりも正確で安全.術中被曝も術者と患者ともに著しく少なく.より低侵襲な術式であることが特徴です。
2.1 腰椎
従来の腰椎椎間板ヘルニア治療法では.スクリューの位置がずれることが多くありました。
2.2 胸椎
胸郭の存在により胸郭が小さく.術中のX線写真は胸郭の影響を受け.Pedicle Screwの配置精度が低下する。実験室および臨床調査の研究から.従来技術による胸椎のPerforation rateは15.9%から54.7%とされている。merlozらは胸部側彎矯正においてCAOSで配置不良となったスクリューはわずか6.6%と報告している。
2.3 頚椎
頸椎の解剖学的構造は複雑で.神経と椎骨動脈が近接しており.椎骨動脈の変動も大きいため.手術の精度が高く.困難です。 Blochらによる17体のC1～C2側方ブロックスクリュー固定術にCAOSシステムを適用したところ.6％の検体がスクリュー固定を受けられず.23％の検体が従来のX線写真と解剖学的ランドマークでスクリュー固定を受けられなかった。 Welchらは.ナビゲーションを用いて経口的歯状突起切除術と腫瘍切除術を行い.満足のいく結果を得た。また.Kotaniらは.CAOSによる頸椎台座ネジ埋め込み術の穿孔率が従来の手術群より有意に低く.ネジがより正確に理想的に配置されることを報告した。 CAOSシステムの開発により.頸部ペディクルスクリュー固定は技術的な課題ではなく.より精密で安全なものとなるでしょう。 さらに.CAOSシステムは.経皮的腰椎ペディクルス固定術.脊椎内視鏡手術.前頚椎.胸椎.腰椎の椎体・腫瘍切除・除圧術において.ナビゲーションで追跡可能な特殊な咬筋を使用し.椎体・腫瘍の切除をより安全に.血管神経損傷のリスクを低減しています。約10年間の臨床使用の結果.ペディクルス手術におけるCAOSの優位性は明白となりました。 エビデンスに基づく医療の観点から.CAOSシステムの使用は.ペディクルスクリュー固定のゴールドスタンダードになる可能性があります。
3 CAOS技術の関節手術への応用
3.1 股関節全置換術
無作為化対照前向き研究において.150名の股関節全置換術患者を無作為にCAOS群と従来型群に分けた。 また.DiGioiaらは.人工寛骨臼を正しく設置することにより.手術切開を50％削減し.術後の機能を向上させたと報告しています。
3.2 人工膝関節置換術
人工膝関節置換術では下肢の荷重線を回復させることが重要であり.術後の関節外反角が±3°以下であれば.人工膝関節置換術の長期予後に大きな影響を与える。 CAOSシステムによる人工膝関節置換術の下肢力線の精度は.従来の手術よりも高く.長期的な膝関節機能に対する重要な示唆を与えている。 CAOS法は.手技の標準化と一貫性を保つことができるため.人工関節置換術後の転帰に影響を与える様々な複合的原因を外科的原因から分離することが可能となり.人工関節置換術の有効性を評価する上で重要な役割を果たします。
3.3 関節鏡検査とその先
Picardらは.膝のACL再建術にナビゲーションシステム（KneeNav-ACLシステム）を適用し.従来の関節鏡手術と比較した無作為化比較試験分析を行い.術前に設定した理想位置点と実際の手術骨穴との距離を測定することにより.ナビゲーションシステムが従来の関節鏡手術よりも正確で.両グループ間に統計的な差があることを示した。 また.LanglotzらはCAOSを用いて骨盤の寛骨臼周囲骨切り術を行い.実験では約0.5mm.臨床では最大2mmの外科的骨切りを可能にしました。 CAOSは術前に骨切りのシミュレーションを行い.骨切り量や寛骨臼の角度を正確に計算し.手術中に追跡装置で瞬時に画像を表示するため.より正確に手術を行うことや薬害防止に役立っています また.寛骨臼周囲骨切り術の経験の浅い術者のトレーニングにも役立ちます。
4 整形外科外傷におけるCAOS技術の応用
外傷性整形外科領域におけるCAOSの応用が直面している主要な問題は.骨折の再配置のためのソフトウェアの開発と手術中の骨折の再配置のモニタリングである。CAOSシステムは術前または術中の仮想画像技術に基づいており.術中の骨折の再配置.骨折ブロックの変位.基準台の変位はCAOSシステムの大きな誤差を引き起こし.ガイド手術の精度を大幅に低下させるためである。 Kahlerらは骨盤輪部骨折の内固定に新しいCAOSソフトウェアシステムを開発し.骨折ブロックの直接視認と比較したが.両群間の残留転位と回転角の差は統計的に有意ではなかった（平均約1mm.0.7°）。 Jacobらは，仙腸関節ネジの留置補助にCAOS法を臨床応用し，良好な結果を得たことを報告し，Slomczykowakiらは，大腿骨骨折におけるロック式髄内釘の内固定にCAOSシステムを使用し，手術時間の短縮と術中の放射線被曝を大幅に軽減したことを報告している． CAOSシステムは.現在.骨折の整復のための内固定術の応用において開発の中心となっており.非常に需要が多いため.骨折の整復ソフトの開発に大きなブレークスルーがあれば.応用の展望は非常に魅力的なものとなります。
5 CAOSの問題点と傾向
CAOSシステムの継続的な改良は.整形外科の発展に強い推進力を与えました。手術器具の追跡と表示により手術の正確性と器具の信頼性を向上させ.より精密な手術器具の開発につながりました。患者ごとに手術計画を調整でき.より精密で完璧な人工内耳の開発につながりました。手術中の露出を減らし.より精密.安全.低侵襲にしました。CAOS また.CAOSの登場は.整形外科に全く新しい分野をもたらし.よりインテリジェントで低侵襲.標準化されたものになりました。 しかし.CAOS技術はまだ発展段階にあり.コストが高い.かなり原始的なツール.かさばる装置.煩雑な操作.CAOS技術を習得するのに必要な学習期間.術前の画像位置合わせ.術中の登録作業.動的参照リングの術中変位の可能性.ナビゲーション自体にも精度があり.操作者の誤りの可能性.その精度など.様々な問題がある。 そのコストや効果は今後さらに評価される必要がありますが.科学技術の進歩に伴い.CAOSシステムは今後も改良・完成度を高め.整形外科分野での応用がますます広がっていくと思われます。
結論として.CAS技術は手術技術の発展を促し.外科手術をより便利で直感的なものにする全く新しい分野であるが.あくまでも病気の診断と治療の補助であり.術者の厳格で専門的な監視下で機能し.エラーがあったとしても不必要な結果を出さずに時間内に修正されなければならない。 アシスト手術システムは.従来の複雑な手術を代替し.従来の手術における患者さんや医療スタッフのX線照射量を減らすだけでなく.手術操作を簡略化し.手術時間や麻酔時間を短縮し.患者さんの身体の痛みを大幅に軽減.入院期間を短縮.医療費の削減.早期社会復帰を可能にするものです。 そのため.従来の手術に比べ.経済的で安全.正確.かつ利便性に優れています。
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