手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)簡介及專有名詞解析

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(surgicalnavigationsystem)也稱為計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)，圖像引導(dǎo)外科手術(shù)等，指的是將現(xiàn)代影像技術(shù)、立體定向技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)同外科醫(yī)生有機(jī)的結(jié)合起來，充分利用信息使患者獲得安全、精確、微創(chuàng)的手術(shù)治療。從廣義上講，外科導(dǎo)航系統(tǒng)涉及到影像數(shù)據(jù)的獲取和處理、術(shù)前計(jì)劃與模擬、配準(zhǔn)、術(shù)中導(dǎo)航和機(jī)器人系統(tǒng)等各個(gè)方面。與傳統(tǒng)的外科手術(shù)過程不同，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是把病人術(shù)前的影像資料與術(shù)中病灶的具體位置通過高性能計(jì)算機(jī)連接起來，準(zhǔn)確地顯示病灶的三維空間位置及相鄰重要的組織器官，醫(yī)生在術(shù)前就可以通過相關(guān)處理軟件在計(jì)算機(jī)上選擇最佳手術(shù)入徑，制定最佳手術(shù)方案；手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)還可跟蹤手術(shù)器械位置，將手術(shù)器械位置在術(shù)中影像上實(shí)時(shí)更新顯示，醫(yī)生根據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)在術(shù)中避開重要的組織結(jié)構(gòu)直達(dá)目標(biāo)位置，并在切除病灶過程中根據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息有效的保護(hù)病灶周圍的重要組織器官。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理及構(gòu)造手術(shù)導(dǎo)航是以超聲、X射線、CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)、精密儀器和圖像處理而發(fā)展起來的一種可視化圖像引導(dǎo)手術(shù)技術(shù)。可通過三維數(shù)字化患者病灶組織，實(shí)時(shí)追蹤手術(shù)器械位置，實(shí)現(xiàn)外科手術(shù)可視化和自動(dòng)化，從而輔助醫(yī)生或機(jī)器人更快速、準(zhǔn)確和安全地完成手術(shù)任務(wù)。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)通常需完成四項(xiàng)主要工作：第一，三維模型重建。術(shù)前使用MRI、CT等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建，得到患者病灶的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，方便醫(yī)生判斷病灶位置和熟悉周邊組織結(jié)構(gòu)。三維模型也被用于后續(xù)的手術(shù)規(guī)劃和術(shù)中引導(dǎo)，是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。第二，手術(shù)規(guī)劃與模擬。通過三維模型，判斷病灶位置及其周邊組織特征，建立手術(shù)路徑并制定手術(shù)方案，用于術(shù)中引導(dǎo)醫(yī)生或機(jī)器人操作。另外，醫(yī)生也可使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬手術(shù)，減小失誤率。第三，術(shù)中校準(zhǔn)與引導(dǎo)。術(shù)中病人、器官、組織均會(huì)發(fā)生變形和移動(dòng)，需及時(shí)校準(zhǔn)三維模型和手術(shù)路徑，以保證手術(shù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，需為醫(yī)生提供術(shù)區(qū)三維模型和手術(shù)路徑圖像，以保障視野、減少探查和引導(dǎo)操作。第四，空間定位。通過醫(yī)學(xué)影像、電磁和光學(xué)技術(shù)可測(cè)量術(shù)區(qū)組織和手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài)，從而在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中準(zhǔn)確顯示相對(duì)位置，可輔助醫(yī)生沿規(guī)劃路徑操作，也可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行伺服閉環(huán)控制。根據(jù)上述工作內(nèi)容，可將手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為四個(gè)子系統(tǒng)：醫(yī)學(xué)影像的三維模型重建系統(tǒng)、手術(shù)路徑規(guī)劃與模擬系統(tǒng)、術(shù)中模型校準(zhǔn)與可視化引導(dǎo)系統(tǒng)、空間定位系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)影像的三維模型重建目前，醫(yī)生主要通過觀察超聲、X光、CT和MRI等二維圖像進(jìn)行診斷。但是，二維圖像無法直觀展現(xiàn)病灶區(qū)域的立體解剖結(jié)構(gòu)，需醫(yī)生依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推斷；同時(shí)，圖像存在走樣、噪音、偽影等問題，影響醫(yī)生準(zhǔn)確判斷病情。三維模型重建是對(duì)客觀物體在計(jì)算機(jī)中建立相同的三維虛擬模型。在手術(shù)前，可將患者的CT、MRI等二維醫(yī)學(xué)影像原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維模型重建系統(tǒng)，形成患者檢查部位的三維可視化數(shù)字模型。重建的三維模型可直觀顯示病灶區(qū)域的血管、神經(jīng)、骨質(zhì)等組織結(jié)構(gòu)，并可任意旋轉(zhuǎn)、縮放和測(cè)量，用于精準(zhǔn)定位病灶位置，明確病灶與周圍組織的空間毗鄰關(guān)系，有效輔助醫(yī)生進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。根據(jù)成像原理，三維模型重建可分為三類：基于CT影像、MRI影像和超聲影像的三維重建。（一）基于CT影像的三維重建CT（ComputedTomography），全稱為計(jì)算機(jī)斷層掃描，是用X射線束對(duì)人體某部一定厚度的層面進(jìn)行掃描。厚度可以是0.5-1厘米，越薄精確度越高。在此基礎(chǔ)上發(fā)展形成了螺旋CT（SpitalCT）和錐形束CT（ConeBeamCT，CBCT）。前者在掃描時(shí)，X射線呈螺旋形，可獲得連續(xù)層面的信息，避免了常規(guī)CT掃描時(shí)遺漏小病灶的弊端。后者利用三維錐形束X線進(jìn)行掃描，對(duì)軟組織成像清晰度較差。另外，隨著C形和O形臂X光機(jī)的推出，可從不同角度對(duì)器官進(jìn)行二維成像，獲得的多幅照片也可進(jìn)行三維重建，為術(shù)中三維模型重建提供新方法（二）基于MRI影像的三維重建MRI（MagneticResonanceImaging），是利用磁共振現(xiàn)象從人體中獲得電磁信號(hào)，并重建出人體信息。MRI不會(huì)產(chǎn)生輻射，可以得到任何方向的斷層圖像?；贛RI圖像的三維重建對(duì)軟組織滑膜、血管、神經(jīng)、肌肉、肌腱、韌帶、和透明軟骨的分辨率高，但是，MRI掃描用時(shí)較長，并且會(huì)產(chǎn)生巨大磁場(chǎng)，所以裝有心臟起搏器等金屬設(shè)備的患者不能做MRI檢查；監(jiān)護(hù)儀器和搶救器材也無法帶入MRI檢查室，限制了危重病人的檢查。（三）基于超聲影像的三維重建超聲成像（Ultrasonography）使用超聲波穿透人體，當(dāng)聲波遇到人體組織時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，通過計(jì)算反射波成像。三維超聲系統(tǒng)可使用一體化的容積探頭，同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)超聲斷層圖像，通過軟件計(jì)算即可重建三維模型。手術(shù)路徑規(guī)劃與模擬系統(tǒng)根據(jù)患者病灶處的影像，醫(yī)生結(jié)合病理學(xué)和解剖學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，包括手術(shù)方法、手術(shù)流程、手術(shù)切口和路徑等，形成手術(shù)方案。使用傳統(tǒng)二維斷層圖像，嚴(yán)重依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)判斷病灶位置和評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性存在一定制約。通過三維模型重建，可為醫(yī)生提供更直觀、更精準(zhǔn)的病灶位置、空間解剖結(jié)構(gòu)、形態(tài)和容積等信息，醫(yī)生可任意旋轉(zhuǎn)、剖切和測(cè)量三維模型，獲得更多信息，作為手術(shù)規(guī)劃的重要參考。完成手術(shù)規(guī)劃后，一方面，將手術(shù)方案輸入計(jì)算機(jī)，在軟件中建立虛擬手術(shù)環(huán)境并模擬手術(shù)過程，更精確的修正切除范圍、切除路徑、切口位置等。這樣可預(yù)知手術(shù)的要點(diǎn)與難點(diǎn)、明確規(guī)避的血管與神經(jīng)、評(píng)估術(shù)后的效果，提高手術(shù)的預(yù)見性，減少術(shù)中的探查時(shí)間，提高手術(shù)準(zhǔn)確性。另一方面，將手術(shù)規(guī)劃輸入人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，醫(yī)生通過操作桿控制虛擬環(huán)境中的手術(shù)器械，完成探查、切除和縫合等手術(shù)流程，可用于手術(shù)的訓(xùn)練與教學(xué)，對(duì)完善手術(shù)方案、降低失誤率和提高安全性有重要意義。（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種可使用戶沉浸其中的交互式三維動(dòng)態(tài)視景和行為系統(tǒng)仿真環(huán)境。通過患者的三維模型重建和虛擬手術(shù)環(huán)境，醫(yī)生通過交互設(shè)備即可在虛擬環(huán)境中開展與實(shí)際手術(shù)非常接近的模擬手術(shù)，達(dá)到訓(xùn)練和教學(xué)目的。（二）觸覺（HapticFeedback）可在VR交互裝置上安裝觸覺反饋，以模擬VR環(huán)境中手術(shù)器械觸碰不同組織時(shí)的觸感，例如對(duì)不同介質(zhì)穿刺時(shí)所遇阻力不同，使模擬更準(zhǔn)確，給使用者更逼真的感受。（三）3D打?。?DPrinting）3D打印是快速成型技術(shù)的一種，以三維模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬粉末或塑料通過逐層打印構(gòu)造實(shí)體。以術(shù)前的三維重建模型為基礎(chǔ)，采用3D打印可以將模型實(shí)物化，方便醫(yī)生觀察和討論病情，方便與家屬溝通治療方案。例如，在人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，使用患者CT影像三維重建髖關(guān)節(jié)模型，并3D打印出實(shí)體。醫(yī)生可在術(shù)中快速確定髖臼的定位和損傷，以及髖臼螺釘?shù)娜脶斘恢?、角度、長度等，提高手術(shù)精確度和效率。術(shù)中模型校準(zhǔn)與可視化引導(dǎo)系統(tǒng)隨著外科手術(shù)創(chuàng)口的減小，保持和擴(kuò)大醫(yī)生的手術(shù)視野變得尤為重要。近年來，隨著微創(chuàng)手術(shù)中切口變小，醫(yī)生的視野受到限制，所以急需術(shù)中可視化引導(dǎo)系統(tǒng)輔助對(duì)患者的觀察。在手術(shù)過程中，病人的體位和病灶附近的解剖結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，僅依靠術(shù)前重建的三維模型進(jìn)行判斷會(huì)引入較大的偏差，需要在術(shù)中對(duì)三維模型進(jìn)行校準(zhǔn)和對(duì)手術(shù)軌跡進(jìn)行更新。根據(jù)術(shù)中X線和超聲影像，與術(shù)前三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)，可更新術(shù)區(qū)的解剖結(jié)構(gòu)并隨患者體位移動(dòng)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可將虛擬影像疊加至客觀世界，被越來越多的應(yīng)用于手術(shù)可視化引導(dǎo)中?？蓪⑿g(shù)區(qū)三維模型和規(guī)劃的手術(shù)路徑通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)投射至醫(yī)生視野中，顯示當(dāng)前位置與規(guī)劃路徑的偏差，輔助引導(dǎo)醫(yī)生操作。同時(shí)，也可將手術(shù)的各項(xiàng)重要指標(biāo)顯示于醫(yī)生視野中，方便監(jiān)控手術(shù)狀態(tài)，避免反復(fù)查看設(shè)備。（一）圖像配準(zhǔn)（ImageRegistration）醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是對(duì)一幅醫(yī)學(xué)影像尋找一種空間變化，使它與另一幅醫(yī)學(xué)圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間上的一致，最終使兩幅圖像上的所有關(guān)鍵點(diǎn)都達(dá)到匹配。這也是尋找在不同時(shí)間或不同條件下拍攝的兩幅圖像間的映射關(guān)系的過程，映射關(guān)系通常表現(xiàn)為一系列空間變換，例如剛體變換、仿射變換、投影變換和非線性變換等。醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)可分為單模和多模兩類，前者的待配準(zhǔn)圖像來自于同一種成像設(shè)備，而后者是來源于不同成像設(shè)備。對(duì)患者進(jìn)行自身圖像配準(zhǔn)，可以監(jiān)視疾病發(fā)展和治療過程；而和不同人和疾病的典型圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，是病癥確診的重要參考。（二）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝像機(jī)影像的位置及角度并疊加相應(yīng)圖像和視頻的技術(shù)，可在真實(shí)的三維空間定位疊加虛擬物體并具備交互性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要可分為三類：顯示器式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。攝像機(jī)拍攝的真實(shí)世界圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，與虛擬景象合成，并輸出到顯示器屏幕，用戶從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場(chǎng)景圖片。較頭戴式顯示器沉浸感較差。光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。使用光學(xué)穿透式頭戴顯示器（OpticalSee-throughHMD），用戶可穿過顯示器直接看到真實(shí)場(chǎng)景，虛擬場(chǎng)景則直接輸出至顯示器，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，沉浸感較好。視頻透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。使用視頻穿透式頭戴顯示器（VideoSee-throughHMD），真實(shí)場(chǎng)景通過攝像頭捕獲，并輸出至顯示器與虛擬場(chǎng)景疊加，沉浸感較好?？臻g定位系統(tǒng)病灶組織和手術(shù)器械的實(shí)際位置是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)。一方面，可更新虛擬手術(shù)界面中器械的位置，輔助醫(yī)生準(zhǔn)確操作；另一方面，也可作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位置反饋，形成高精度的位置閉環(huán)控制。所以，需建立空間定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋病灶組織和手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài)。根據(jù)測(cè)量方法，空間定位系統(tǒng)主要可分為機(jī)械、影像、電磁和光學(xué)定位四類。（一）機(jī)械定位（MechanicalPositioning）機(jī)械定位是最早出現(xiàn)在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的定位方式，顧名思義，需通過特定機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。最早采用的是框架式定位，也稱作框架立體定向儀。病人在局部麻醉后，將一個(gè)輕質(zhì)立體定向框架固定在病人患處附近，去做CT等影像掃描，根據(jù)影像確定病灶位置和手術(shù)軌跡。但是，該方法的設(shè)備笨重，操作不靈活，患者佩戴較痛苦。隨后，機(jī)械定位引入機(jī)器人技術(shù)，結(jié)合機(jī)械臂控制手術(shù)器械的位置和方向，簡化了傳統(tǒng)的笨重框架。但是，機(jī)器人的制造和安裝不可避免的存在誤差，僅靠機(jī)器人自身無法保證手術(shù)器械位置的精度，需依靠外部測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)。（二）影像定位（Image-GuidedPositioning）基于影像的空間定位系統(tǒng)是在術(shù)中借助超聲、X射線或內(nèi)窺鏡等影像系統(tǒng)進(jìn)行術(shù)中成像，觀察探針、導(dǎo)管等手術(shù)器械或植入物的位置，并輔助醫(yī)生做出相應(yīng)調(diào)整。直接觀察獲得的二維影像，直觀性較差，需依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)判斷手術(shù)器械或植入物的位置。也可通過多幅影像進(jìn)行三維重建，和術(shù)前模型配準(zhǔn)后，顯示當(dāng)前手術(shù)器械或植入物的位置。若使用X射線成像，受電離輻射影響，無法進(jìn)行多次術(shù)中觀測(cè)，定位實(shí)時(shí)性較低。（三）電磁定位（Electromagnetic

Positioning）基于電磁的空間定位系統(tǒng)包含磁場(chǎng)發(fā)生器、傳感器、放大器和控制器四部分。當(dāng)傳感器進(jìn)入磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的可控變磁場(chǎng)后，傳感器的線圈會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。電勢(shì)差由放大器采集并放大后，輸入控制器計(jì)算傳感器在磁場(chǎng)中的位置和姿態(tài)，測(cè)量精度高于1毫米。由于磁場(chǎng)可安全的穿過人體，故不存在光學(xué)測(cè)量中避免遮擋光線的約束。電磁測(cè)量使用的傳感器最小外徑可至0.03mm，可以安裝至穿刺針、導(dǎo)管、粒子放療針等器械中，使醫(yī)生可以在器械進(jìn)入人體后繼續(xù)從屏幕上觀察針與病灶的相對(duì)位置，提高操作的準(zhǔn)確性。但是，若磁場(chǎng)附近的鐵磁性物體，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。（四）光學(xué)定位（OpticalPositioning）定位系統(tǒng)主要由光源、反射靶標(biāo)和位置傳感器構(gòu)成。光源通常與位置傳感器集成在一起，發(fā)出近紅外光，光接觸到反射靶標(biāo)后進(jìn)行回歸式反射，由位置傳感器捕捉到并判斷靶標(biāo)的空間三維坐標(biāo)，最佳測(cè)量精度約為0.2-0.3mm。反射靶標(biāo)通常有主動(dòng)式和被動(dòng)式靶標(biāo)兩種，前者自身發(fā)射紅外光，無需光源，可直接由位置傳感器捕獲定位；后者采用回歸式反光材料，可沿相同光路對(duì)紅外光進(jìn)行反射，之后由位置傳感器捕獲定位。測(cè)量固定在剛體上的3個(gè)非共線靶標(biāo)，即可建立剛體局部坐標(biāo)系，并獲得剛體的空間位置和姿態(tài)。通常使用4個(gè)以上靶標(biāo)進(jìn)行空間測(cè)量，可分別建立病灶部位、頭戴式顯示器、手術(shù)器械在手術(shù)空間的局部坐標(biāo)系，進(jìn)一步求出各自的空間位置和姿態(tài)。3、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在泌尿外科的應(yīng)用近幾年來，隨著手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的不斷推廣，這項(xiàng)技術(shù)在泌尿外科得到特殊的應(yīng)用，主要包括術(shù)前診斷及術(shù)中導(dǎo)航兩方面。虛擬內(nèi)鏡技術(shù)(Virtualendoscope)又稱仿真內(nèi)窺鏡，是一種利用三維重建技術(shù)，將CT、MRI等切面影像技術(shù)擴(kuò)大為立體感知影像，模擬傳統(tǒng)內(nèi)鏡效果顯示腔內(nèi)三維或動(dòng)態(tài)三維解剖學(xué)圖像的一種新方法。它為臨床醫(yī)生提供了病變區(qū)域與周圍組織的精確空間關(guān)系，可作為膀胱腫瘤、輸尿管狹窄、尿道狹