手术导航定位技术概述

　　摘要：本文对手术导航定位技术进行了分类总结，分析了各种定位技术的原理和适用情况，并列举了对应于各种定位技术的国外内研发、生产的手术导航系统。

　　关键词：手术导航 光学 电磁 机械 图像引导

　　1 引言

　　传统的手术操作是根据手术前拍摄的磁共振、CT等影像，判断病灶部位、规划手术方案，或者在术前反复获取病灶的X光，不连续地获取手术器械与病灶之间的相对位置关系，而无法在手术过程中提供实时对照和操作预警，延长了手术时间，增加了感染风险。

　　手术导航系统可在术中实时获取手术器械位置及其与病灶的相对位置关系，并通过可视化手段直接呈现，大大提高了手术的精确性和成功率，有效降低了手术损伤，主要包括术前图像获取模块、配准模块、术中实时跟踪定位模块、可视化模块，手术导航系统中极为关键的部分是对手术器械精确的实时跟踪定位，根据其跟踪定位技术可分为光学手术导航系统、电磁手术导航系统、机械手术导航系统及图像引导的手术导航系统。

　　2 手术导航系统的实时跟踪定位模块

　　2.1 光学定位

　　19世纪90年代，具有光学定位的手术导航系统开始应用于临床，光学定位是应用最广泛、发展成熟的一种定位技术，将近一半的手术导航系统均采用光学定位，其中最常用的是近红外光学定位，跟踪前先对手术器械进行注册识别，获知手术器械上至少三个不共线的近红外光学标志点与手术器械末端的位置关系，再通过双目视觉摄像机对安装到手术器械上的近红外光学标志点的实时跟踪定位，计算与其具有固定位置关系的手术器械末端的实时位置，定位准确、算法简单，平均误差约为1 mm。

　　光学标志点可以主动发光，也可以反射光源的光，加拿大NDI公司的polaris光学追踪传感器是常用的近外光学标志点，可以同时跟踪多个器械，此外美国美敦力公司、美国蛇牌股份有限公司、美国史赛克公司、德国博医来均有推出光学手术导航系统[1]。

　　光学定位要求在导航过程中光路不可有遮挡，也不能有反光物反射光线干扰，否则无法准确获取光学标志点位置，可能存在无法定位的死角，对医生的行动和操作有一定约束，特别是对体腔深处、无法充分露出的手术部位无法精确定位，此外光学定位模块硬件设备体积较大，双目视觉摄像机需要足够的空间以达到需求的视场范围。

　　2.2 电磁定位

　　1995年，Kato推出了电磁定位的导航系统[2]，电磁定位需在手术区域产生交变电磁场，将电磁波传感器安装到手术器械上，术中电磁波传感器根据变化的电磁场对应产生感应电流，以获知电磁波传感器的当前位置，从而得到手术器械末端位置。由于电磁波传感器尺寸小，因此方便医生操作，不存在光路遮挡的问题，患者不需维持一个体位，医生行动不受限制，但其精度不如光学定位，且需避免手术室中金属、磁体或其他器械制造的电磁干扰。NDI公司推出的Aurora电磁跟踪系统易于集成，已在研发生产中被普遍应用，目前已成功应用于介入治疗、内镜诊断、心脏手术、神经外科及放射肿瘤学等多项领域中。

　　2.3 机械定位

　　机械定位是最早实现临床定应的定位方式，一般通过框架立体定向仪或机械臂实现[3]，手术器械被主从机器人的从机械臂操纵或在框架立体定向仪进行运动以进行手术，机械臂或框架立体定向仪可根据实际手术需求具有转动、平移、枢转的多个自由度，在提供自由度的各关节处设置传感器，传感器可为角度传感器、速度传感器、重力计、惯性传感器，以根据传感器的测量结果和正运动学计算，获知手术器械的当前位置，但是为加快计算速度，机械定位一般是在手术器械当前位置上迭加运动增量来计算下一位置，因此使用时间越长误差越大，对于软组织区域的操作，由于组织自身变形漂移，也会出现较大误差;且定位设备体积软大，安装拆除不便，便携性也较低。

　　2.4 图像引导定位

　　图像引导定位通常是将术前获得的能够清晰显示病灶区域的CT、MRI或PET等图像与术中能够获知手术器械位置的实时图像进行配准融合，术中实时图像一般为成像速度快、对人体无损伤的超声图像，但超声成像分辨率较低，会受到气体的影响，无法用到肺组织的活检消融，术中还可根据手术需求选择荧光成像、CT成像等。专利CN110025379A公开了新博医疗技术有限公司研发的一种术中超声图像与术前CT图像融合实时导航系统，可用于全身各部位的经皮微创手术。

　　2.5 多定位方式联合使用

　　由于各种定位方式各有优缺点，有的导航系统还会将两种定位方式联合使用，以保证定位精度。专利CN108289720A公开了克瑞肖株式会社研发的整形外科手术导航机器人，同时在手术器械上安装第一传感器和第二传感器，第一、二位置检测部件分别用于检测第一、二传感器的位置，当第一、二位置检测部件之一操作异常时，将其中操作正常的一者设置为主传感器，第一传感器可以是光学传感器，第二传感器包括倾斜传感器和加速度传感器。

　　专利CN108420529A公开了上海交通大学研究的基于电磁定位技术和术中图像引导的手术导航仿真方法，利用电磁定位技术实现手术器械在图像坐标系下的实时跟踪，根据超声图像信息，对术前三维CT模型和术中超声图像在手术过程中实时配准。

　　3 结语

　　手术导航定位技术可根据多种不同原理进行手术器械的术中定位，依托于各种定位技术的手术导航系统均已应用于临床，以后的定位技术将在算法的准确性和实时性上有更进一步的发展，国内清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学北京中西集团、安科公司已经在进行手术导航系统的研发，期待国内在导航系统及其定位技术上的新突破。

　　科学技术论文投稿刊物：《生命科学仪器》读者对象广泛涉及全国各高等院校、科研院所，从事生命科学、医疗卫生、药品制造、生物技术等高科技研究、应用领域的科研人员，在读博、硕士研究生及医药卫生实践工作者、生命科学技术领域实验室、试验室、研究室的科研人员及购置仪器设备的管理人员、使用人员等。

　　此外手术导航系统中的配准模块也与导航精确性直接相关，如何减小软组织变形、器官漂移所造成的配准误差，是导航配准中需要考虑的问题;可视化模块除了提供常规的二维、三维显示外，还在增强现实、虚拟现实方向上不断拓展，以为操作者提供更直观、方便的视觉信息，因此手术导航系统中的各个模块均还存在很多方向的可能性。

　　参考文献

　　[1] 杨亦，熊猛，等. 手术导航系统分类及在颌面外科中的应用[J]. 东南大学学报(医学版),2018,37(3):535-539

　　[2] 章浙伟，邵国良. 影像导航系统在肿瘤介入诊疗中的发展现状[J]. 影像诊断与介入放射学,2018,27(1):60-62

　　[3] 姜 涛，吴水才，王笑茹. 介入导航机器人在肝肿瘤消融术中的应用研究[J]. 生命科学仪器,2019,17(12):40-45

　　作者：何煦佳

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