手術導航定位技術概述

　　摘要：本文對手術導航定位技術進行了分類總結，分析了各種定位技術的原理和適用情況，并列舉了對應于各種定位技術的國外內研發、生產的手術導航系統。

　　關鍵詞：手術導航 光學 電磁 機械 圖像引導

　　1 引言

　　傳統的手術操作是根據手術前拍攝的磁共振、CT等影像，判斷病灶部位、規劃手術方案，或者在術前反復獲取病灶的X光，不連續地獲取手術器械與病灶之間的相對位置關系，而無法在手術過程中提供實時對照和操作預警，延長了手術時間，增加了感染風險。

　　手術導航系統可在術中實時獲取手術器械位置及其與病灶的相對位置關系，并通過可視化手段直接呈現，大大提高了手術的精確性和成功率，有效降低了手術損傷，主要包括術前圖像獲取模塊、配準模塊、術中實時跟蹤定位模塊、可視化模塊，手術導航系統中極為關鍵的部分是對手術器械精確的實時跟蹤定位，根據其跟蹤定位技術可分為光學手術導航系統、電磁手術導航系統、機械手術導航系統及圖像引導的手術導航系統。

　　2 手術導航系統的實時跟蹤定位模塊

　　2.1 光學定位

　　19世紀90年代，具有光學定位的手術導航系統開始應用于臨床，光學定位是應用最廣泛、發展成熟的一種定位技術，將近一半的手術導航系統均采用光學定位，其中最常用的是近紅外光學定位，跟蹤前先對手術器械進行注冊識別，獲知手術器械上至少三個不共線的近紅外光學標志點與手術器械末端的位置關系，再通過雙目視覺攝像機對安裝到手術器械上的近紅外光學標志點的實時跟蹤定位，計算與其具有固定位置關系的手術器械末端的實時位置，定位準確、算法簡單，平均誤差約為1 mm。

　　光學標志點可以主動發光，也可以反射光源的光，加拿大NDI公司的polaris光學追蹤傳感器是常用的近外光學標志點，可以同時跟蹤多個器械，此外美國美敦力公司、美國蛇牌股份有限公司、美國史賽克公司、德國博醫來均有推出光學手術導航系統[1]。

　　光學定位要求在導航過程中光路不可有遮擋，也不能有反光物反射光線干擾，否則無法準確獲取光學標志點位置，可能存在無法定位的死角，對醫生的行動和操作有一定約束，特別是對體腔深處、無法充分露出的手術部位無法精確定位，此外光學定位模塊硬件設備體積較大，雙目視覺攝像機需要足夠的空間以達到需求的視場范圍。

　　2.2 電磁定位

　　1995年，Kato推出了電磁定位的導航系統[2]，電磁定位需在手術區域產生交變電磁場，將電磁波傳感器安裝到手術器械上，術中電磁波傳感器根據變化的電磁場對應產生感應電流，以獲知電磁波傳感器的當前位置，從而得到手術器械末端位置。由于電磁波傳感器尺寸小，因此方便醫生操作，不存在光路遮擋的問題，患者不需維持一個體位，醫生行動不受限制，但其精度不如光學定位，且需避免手術室中金屬、磁體或其他器械制造的電磁干擾。NDI公司推出的Aurora電磁跟蹤系統易于集成，已在研發生產中被普遍應用，目前已成功應用于介入治療、內鏡診斷、心臟手術、神經外科及放射腫瘤學等多項領域中。

　　2.3 機械定位

　　機械定位是最早實現臨床定應的定位方式，一般通過框架立體定向儀或機械臂實現[3]，手術器械被主從機器人的從機械臂操縱或在框架立體定向儀進行運動以進行手術，機械臂或框架立體定向儀可根據實際手術需求具有轉動、平移、樞轉的多個自由度，在提供自由度的各關節處設置傳感器，傳感器可為角度傳感器、速度傳感器、重力計、慣性傳感器，以根據傳感器的測量結果和正運動學計算，獲知手術器械的當前位置，但是為加快計算速度，機械定位一般是在手術器械當前位置上迭加運動增量來計算下一位置，因此使用時間越長誤差越大，對于軟組織區域的操作，由于組織自身變形漂移，也會出現較大誤差;且定位設備體積軟大，安裝拆除不便，便攜性也較低。

　　2.4 圖像引導定位

　　圖像引導定位通常是將術前獲得的能夠清晰顯示病灶區域的CT、MRI或PET等圖像與術中能夠獲知手術器械位置的實時圖像進行配準融合，術中實時圖像一般為成像速度快、對人體無損傷的超聲圖像，但超聲成像分辨率較低，會受到氣體的影響，無法用到肺組織的活檢消融，術中還可根據手術需求選擇熒光成像、CT成像等。專利CN110025379A公開了新博醫療技術有限公司研發的一種術中超聲圖像與術前CT圖像融合實時導航系統，可用于全身各部位的經皮微創手術。

　　2.5 多定位方式聯合使用

　　由于各種定位方式各有優缺點，有的導航系統還會將兩種定位方式聯合使用，以保證定位精度。專利CN108289720A公開了克瑞肖株式會社研發的整形外科手術導航機器人，同時在手術器械上安裝第一傳感器和第二傳感器，第一、二位置檢測部件分別用于檢測第一、二傳感器的位置，當第一、二位置檢測部件之一操作異常時，將其中操作正常的一者設置為主傳感器，第一傳感器可以是光學傳感器，第二傳感器包括傾斜傳感器和加速度傳感器。

　　專利CN108420529A公開了上海交通大學研究的基于電磁定位技術和術中圖像引導的手術導航仿真方法，利用電磁定位技術實現手術器械在圖像坐標系下的實時跟蹤，根據超聲圖像信息，對術前三維CT模型和術中超聲圖像在手術過程中實時配準。

　　3 結語

　　手術導航定位技術可根據多種不同原理進行手術器械的術中定位，依托于各種定位技術的手術導航系統均已應用于臨床，以后的定位技術將在算法的準確性和實時性上有更進一步的發展，國內清華大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學北京中西集團、安科公司已經在進行手術導航系統的研發，期待國內在導航系統及其定位技術上的新突破。

　　科學技術論文投稿刊物：《生命科學儀器》讀者對象廣泛涉及全國各高等院校、科研院所，從事生命科學、醫療衛生、藥品制造、生物技術等高科技研究、應用領域的科研人員，在讀博、碩士研究生及醫藥衛生實踐工作者、生命科學技術領域實驗室、試驗室、研究室的科研人員及購置儀器設備的管理人員、使用人員等。

　　此外手術導航系統中的配準模塊也與導航精確性直接相關，如何減小軟組織變形、器官漂移所造成的配準誤差，是導航配準中需要考慮的問題;可視化模塊除了提供常規的二維、三維顯示外，還在增強現實、虛擬現實方向上不斷拓展，以為操作者提供更直觀、方便的視覺信息，因此手術導航系統中的各個模塊均還存在很多方向的可能性。

　　參考文獻

　　[1] 楊亦，熊猛，等. 手術導航系統分類及在頜面外科中的應用[J]. 東南大學學報(醫學版),2018,37(3):535-539

　　[2] 章浙偉，邵國良. 影像導航系統在腫瘤介入診療中的發展現狀[J]. 影像診斷與介入放射學,2018,27(1):60-62

　　[3] 姜 濤，吳水才，王笑茹. 介入導航機器人在肝腫瘤消融術中的應用研究[J]. 生命科學儀器,2019,17(12):40-45

　　作者：何煦佳

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