手术导航系统原理简介、主要工作及应用

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                                                                   1、手术导航系统简介

                                                                   2、手术导航系统的工作原理及构造

                                                                   3、手术导航系统通常需完成四项主要工作

                                                                         3.1、医学影像的三维模型重建

                                                                                  3.1.1、基于CT影像的三维重建

                                                                                  3.1.2、基于MRI影像的三维重建

                                                                                  3.1.3、基于超声影像的三维重建

                                                                         3.2、手术路径规划与模拟系统

                                                                         3.3、术中模型校准与可视化引导系统

                                                                         3.4、空间定位系统

                                                                   4、手术导航系统在泌尿外科的应用

 

1、手术导航系统简介

手术导航系统(surgical navigation system)也称为计算机辅助外科手术，图像引导外科手术等，指的是将现代影像技术、立体定向技术、电子计算机技术和人工智能技术同外科医生有机的结合起来，充分利用信息使患者获得安全、精确、微创的手术治疗。从广义上讲，外科导航系统涉及到影像数据的获取和处理、术前计划与模拟、配准、术中导航和机器人系统等各个方面。与传统的外科手术过程不同，手术导航系统是把病人术前的影像资料与术中病灶的具体位置通过高性能计算机连接起来，准确地显示病灶的三维空间位置及相邻重要的组织器官，医生在术前就可以通过相关处理软件在计算机上选择最佳手术入径，制定最佳手术方案；手术导航系统还可跟踪手术器械位置，将手术器械位置在术中影像上实时更新显示，医生根据实时导航系统在术中避开重要的组织结构直达目标位置，并在切除病灶过程中根据实时导航信息有效的保护病灶周围的重要组织器官。

2、手术导航系统的工作原理及构造

手术导航是以超声、X射线、CT、MRI等医学影像为基础数据，借助计算机、精密仪器和图像处理而发展起来的一种可视化图像引导手术技术。可通过三维数字化患者病灶组织，实时追踪手术器械位置，实现外科手术可视化和自动化，从而辅助医生或机器人更快速、准确和安全地完成手术任务。

3、手术导航系统通常需完成四项主要工作

第一，三维模型重建。术前使用MRI、CT等医学影像数据进行三维模型重建，得到患者病灶的解剖结构数字模型，方便医生判断病灶位置和熟悉周边组织结构。三维模型也被用于后续的手术规划和术中引导，是手术导航系统的重要数据基础。

第二，手术规划与模拟。通过三维模型，判断病灶位置及其周边组织特征，建立手术路径并制定手术方案，用于术中引导医生或机器人操作。另外，医生也可使用计算机进行模拟手术，减小失误率。

第三，术中校准与引导。术中病人、器官、组织均会发生变形和移动，需及时校准三维模型和手术路径，以保证手术的准确性。同时，需为医生提供术区三维模型和手术路径图像，以保障视野、减少探查和引导操作。

第四，空间定位。通过医学影像、电磁和光学技术可测量术区组织和手术器械的空间位置和姿态，从而在手术导航系统中准确显示相对位置，可辅助医生沿规划路径操作，也可对机器人进行伺服闭环控制。

根据上述工作内容，可将手术导航系统划分为四个子系统：

医学影像的三维模型重建系统、手术路径规划与模拟系统、术中模型校准与可视化引导系统、空间定位系统。

3.1、医学影像的三维模型重建

目前，医生主要通过观察超声、X光、CT和MRI等二维图像进行诊断。但是，二维图像无法直观展现病灶区域的立体解剖结构，需医生依靠经验进行推断；同时，图像存在走样、噪音、伪影等问题，影响医生准确判断病情。三维模型重建是对客观物体在计算机中建立相同的三维虚拟模型。在手术前，可将患者的CT、MRI等二维医学影像原始数据导入三维模型重建系统，形成患者检查部位的三维可视化数字模型。重建的三维模型可直观显示病灶区域的血管、神经、骨质等组织结构，并可任意旋转、缩放和测量，用于精准定位病灶位置，明确病灶与周围组织的空间毗邻关系，有效辅助医生进行准确诊断。

根据成像原理，三维模型重建可分为三类：基于CT影像、MRI影像和超声影像的三维重建。

3.1.1、基于CT影像的三维重建

CT（Computed Tomography），全称为计算机断层扫描，是用X射线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描。厚度可以是0.5-1厘米，越薄精确度越高。在此基础上发展形成了螺旋CT（Spital CT）和锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）。前者在扫描时，X射线呈螺旋形，可获得连续层面的信息，避免了常规CT扫描时遗漏小病灶的弊端。后者利用三维锥形束X线进行扫描，对软组织成像清晰度较差。另外，随着C形和O形臂X光机的推出，可从不同角度对器官进行二维成像，获得的多幅照片也可进行三维重建，为术中三维模型重建提供新方法。

3.1.2、基于MRI影像的三维重建

MRI（Magnetic Resonance Imaging），是利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息。MRI不会产生辐射，可以得到任何方向的断层图像。

基于MRI图像的三维重建对软组织滑膜、血管、神经、肌肉、肌腱、韧带、和透明软骨的分辨率高，但是，MRI扫描用时较长，并且会产生巨大磁场，所以装有心脏起搏器等金属设备的患者不能做MRI检查；监护仪器和抢救器材也无法带入MRI检查室，限制了危重病人的检查。

3.1.3、基于超声影像的三维重建

超声成像（Ultrasonography）使用超声波穿透人体，当声波遇到人体组织时会产生反射波，通过计算反射波成像。三维超声系统可使用一体化的容积探头，同时产生多个超声断层图像，通过软件计算即可重建三维模型。

3.2、手术路径规划与模拟系统

根据患者病灶处的影像，医生结合病理学和解剖学知识和经验进行手术规划，包括手术方法、手术流程、手术切口和路径等，形成手术方案。使用传统二维断层图像，严重依赖医生经验判断病灶位置和评估手术风险，对手术的准确性和安全性存在一定制约。通过三维模型重建，可为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积等信息，医生可任意旋转、剖切和测量三维模型，获得更多信息，作为手术规划的重要参考。

完成手术规划后，一方面，将手术方案输入计算机，在软件中建立虚拟手术环境并模拟手术过程，更精确的修正切除范围、切除路径、切口位置等。这样可预知手术的要点与难点、明确规避的血管与神经、评估术后的效果，提高手术的预见性，减少术中的探查时间，提高手术准确性。

另一方面，将手术规划输入人机交互的虚拟现实系统，医生通过操作杆控制虚拟环境中的手术器械，完成探查、切除和缝合等手术流程，可用于手术的训练与教学，对完善手术方案、降低失误率和提高安全性有重要意义。

（一）虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）

虚拟现实技术利用计算机生成一种模拟环境，是一种可使用户沉浸其中的交互式三维动态视景和行为系统仿真环境。通过患者的三维模型重建和虚拟手术环境，医生通过交互设备即可在虚拟环境中开展与实际手术非常接近的模拟手术，达到训练和教学目的。

（二）触觉（Haptic Feedback）

可在VR交互装置上安装触觉反馈，以模拟VR环境中手术器械触碰不同组织时的触感，例如对不同介质穿刺时所遇阻力不同，使模拟更准确，给使用者更逼真的感受。

（三）3D打印（3D Printing）

3D打印是快速成型技术的一种，以三维模型为基础，运用金属粉末或塑料通过逐层打印构造实体。以术前的三维重建模型为基础，采用3D打印可以将模型实物化，方便医生观察和讨论病情，方便与家属沟通治疗方案。例如，在人工髋关节置换术中，使用患者CT影像三维重建髋关节模型，并3D打印出实体。医生可在术中快速确定髋臼的定位和损伤，以及髋臼螺钉的入钉位置、角度、长度等，提高手术精确度和效率。

3.3、术中模型校准与可视化引导系统

随着外科手术创口的减小，保持和扩大医生的手术视野变得尤为重要。近年来，随着微创手术中切口变小，医生的视野受到限制，所以急需术中可视化引导系统辅助对患者的观察。在手术过程中，病人的体位和病灶附近的解剖结构会发生变化，仅依靠术前重建的三维模型进行判断会引入较大的偏差，需要在术中对三维模型进行校准和对手术轨迹进行更新。根据术中X线和超声影像，与术前三维模型进行配准，可更新术区的解剖结构并随患者体位移动。

增强现实可将虚拟影像叠加至客观世界，被越来越多的应用于手术可视化引导中。可将术区三维模型和规划的手术路径通过增强现实技术投射至医生视野中，显示当前位置与规划路径的偏差，辅助引导医生操作。同时，也可将手术的各项重要指标显示于医生视野中，方便监控手术状态，避免反复查看设备。

（一）图像配准（Image Registration）

医学图像配准是对一幅医学影像寻找一种空间变化，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致，最终使两幅图像上的所有关键点都达到匹配。这也是寻找在不同时间或不同条件下拍摄的两幅图像间的映射关系的过程，映射关系通常表现为一系列空间变换，例如刚体变换、仿射变换、投影变换和非线性变换等。医学图像配准可分为单模和多模两类，前者的待配准图像来自于同一种成像设备，而后者是来源于不同成像设备。对患者进行自身图像配准，可以监视疾病发展和治疗过程；而和不同人和疾病的典型图像进行配准，是病症确诊的重要参考。

（二）增强现实（Augmented Reality，AR）

增强现实是一种实时计算摄像机影像的位置及角度并叠加相应图像和视频的技术，可在真实的三维空间定位叠加虚拟物体并具备交互性。

增强现实系统主要可分为三类：

显示器式增强现实系统。摄像机拍摄的真实世界图像输入到计算机中，与虚拟景象合成，并输出到显示器屏幕，用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。较头戴式显示器沉浸感较差。

光学透视式增强现实系统。使用光学穿透式头戴显示器（Optical See-through HMD），用户可穿过显示器直接看到真实场景，虚拟场景则直接输出至显示器，实现增强现实显示，沉浸感较好。

视频透视式增强现实系统。使用视频穿透式头戴显示器（Video See-through HMD），真实场景通过摄像头捕获，并输出至显示器与虚拟场景叠加，沉浸感较好。

3.4、空间定位系统

病灶组织和手术器械的实际位置是手术导航系统的重要数据。一方面，可更新虚拟手术界面中器械的位置，辅助医生准确操作；另一方面，也可作为机器人运动的位置反馈，形成高精度的位置闭环控制。所以，需建立空间定位系统，实时测量和反馈病灶组织和手术器械的空间位置和姿态。根据测量方法，空间定位系统主要可分为机械、影像、电磁和光学定位四类。

（一）机械定位（Mechanical Positioning）

机械定位是最早出现在手术导航系统中的定位方式，顾名思义，需通过特定机械结构实现。最早采用的是框架式定位，也称作框架立体定向仪。病人在局部麻醉后，将一个轻质立体定向框架固定在病人患处附近，去做CT等影像扫描，根据影像确定病灶位置和手术轨迹。但是，该方法的设备笨重，操作不灵活，患者佩戴较痛苦。随后，机械定位引入机器人技术，结合机械臂控制手术器械的位置和方向，简化了传统的笨重框架。但是，机器人的制造和安装不可避免的存在误差，仅靠机器人自身无法保证手术器械位置的精度，需依靠外部测量设备的校准。

（二）影像定位（Image-Guided Positioning）

基于影像的空间定位系统是在术中借助超声、X射线或内窥镜等影像系统进行术中成像，观察探针、导管等手术器械或植入物的位置，并辅助医生做出相应调整。直接观察获得的二维影像，直观性较差，需依靠医生的经验判断手术器械或植入物的位置。也可通过多幅影像进行三维重建，和术前模型配准后，显示当前手术器械或植入物的位置。若使用X射线成像，受电离辐射影响，无法进行多次术中观测，定位实时性较低。

（三）电磁定位（Electromagnetic Positioning）

基于电磁的空间定位系统包含磁场发生器、传感器、放大器和控制器四部分。当传感器进入磁场发生器产生的可控变磁场后，传感器的线圈会产生电势差。电势差由放大器采集并放大后，输入控制器计算传感器在磁场中的位置和姿态，测量精度高于1毫米。由于磁场可安全的穿过人体，故不存在光学测量中避免遮挡光线的约束。电磁测量使用的传感器最小外径可至0.03mm，可以安装至穿刺针、导管、粒子放疗针等器械中，使医生可以在器械进入人体后继续从屏幕上观察针与病灶的相对位置，提高操作的准确性。但是，若磁场附近的铁磁性物体，会对测量精度产生影响。

（四）光学定位（Optical Positioning）

定位系统主要由光源、反射靶标和位置传感器构成。光源通常与位置传感器集成在一起，发出近红外光，光接触到反射靶标后进行回归式反射，由位置传感器捕捉到并判断靶标的空间三维坐标，最佳测量精度约为0.2-0.3mm。反射靶标通常有主动式和被动式靶标两种，前者自身发射红外光，无需光源，可直接由位置传感器捕获定位；后者采用回归式反光材料，可沿相同光路对红外光进行反射，之后由位置传感器捕获定位。测量固定在刚体上的3个非共线靶标，即可建立刚体局部坐标系，并获得刚体的空间位置和姿态。通常使用4个以上靶标进行空间测量，可分别建立病灶部位、头戴式显示器、手术器械在手术空间的局部坐标系，进一步求出各自的空间位置和姿态。

4、手术导航系统在泌尿外科的应用

近几年来，随着手术导航技术的不断推广，这项技术在泌尿外科得到特殊的应用，主要包括术前诊断及术中导航两方面。虚拟内镜技术(Virtual endoscope)又称仿真内窥镜，是一种利用三维重建技术，将CT、MRI等切面影像技术扩大为立体感知影像，模拟传统内镜效果显示腔内三维或动态三维解剖学图像的一种新方法。它为临床医生提供了病变区域与周围组织的精确空间关系，可作为膀胱肿瘤、输尿管狭窄、尿道狭窄的长期随访技术，在评估泌尿系统方面提供了一种微创手段。常用于泌尿外科虚拟内镜有虚拟肾镜和输尿管镜及虚拟膀胱镜等。在肾部分切除术、前列腺癌根治术等腔镜手术中，手术导航系统能够清楚显示目标区域的解剖结构，从而辅助外科医生，以优化手术过程,达到减少手术并发症等目的。外科手术导航系统作为外科医生的第三只眼，可以让手术医师看到手术部位的内部结构，避免了因医生经验不足而造成的手术失误，使手术更安全、更科学、更精确，具有广阔的应用前景。展望未来，手术导航系统将向机器人导航与虚拟现实技术方向发展，机器人导航使得手术导航系统不再只是一种辅助工具而是能够独立完成外科手术。