本文摘要：摘要：本文對手術(shù)導(dǎo)航定位技術(shù)進行了分類總結(jié)，分析了各種定位技術(shù)的原理和適用情況，并列舉了對應(yīng)于各種定位技術(shù)的國外內(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：手術(shù)導(dǎo)航 光學(xué) 電磁 機械 圖像引導(dǎo) 1 引言 傳統(tǒng)的手術(shù)操作是根據(jù)手術(shù)前拍攝的磁共振、CT等影像，
摘要：本文對手術(shù)導(dǎo)航定位技術(shù)進行了分類總結(jié)，分析了各種定位技術(shù)的原理和適用情況，并列舉了對應(yīng)于各種定位技術(shù)的國外內(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：手術(shù)導(dǎo)航 光學(xué) 電磁 機械 圖像引導(dǎo)
1 引言
傳統(tǒng)的手術(shù)操作是根據(jù)手術(shù)前拍攝的磁共振、CT等影像，判斷病灶部位、規(guī)劃手術(shù)方案，或者在術(shù)前反復(fù)獲取病灶的X光，不連續(xù)地獲取手術(shù)器械與病灶之間的相對位置關(guān)系，而無法在手術(shù)過程中提供實時對照和操作預(yù)警，延長了手術(shù)時間，增加了感染風(fēng)險。
手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可在術(shù)中實時獲取手術(shù)器械位置及其與病灶的相對位置關(guān)系，并通過可視化手段直接呈現(xiàn)，大大提高了手術(shù)的精確性和成功率，有效降低了手術(shù)損傷，主要包括術(shù)前圖像獲取模塊、配準(zhǔn)模塊、術(shù)中實時跟蹤定位模塊、可視化模塊，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的部分是對手術(shù)器械精確的實時跟蹤定位，根據(jù)其跟蹤定位技術(shù)可分為光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、電磁手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、機械手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)及圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
2 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的實時跟蹤定位模塊
2.1 光學(xué)定位
19世紀(jì)90年代，具有光學(xué)定位的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)開始應(yīng)用于臨床，光學(xué)定位是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展成熟的一種定位技術(shù)，將近一半的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)均采用光學(xué)定位，其中最常用的是近紅外光學(xué)定位，跟蹤前先對手術(shù)器械進行注冊識別，獲知手術(shù)器械上至少三個不共線的近紅外光學(xué)標(biāo)志點與手術(shù)器械末端的位置關(guān)系，再通過雙目視覺攝像機對安裝到手術(shù)器械上的近紅外光學(xué)標(biāo)志點的實時跟蹤定位，計算與其具有固定位置關(guān)系的手術(shù)器械末端的實時位置，定位準(zhǔn)確、算法簡單，平均誤差約為1 mm。
光學(xué)標(biāo)志點可以主動發(fā)光，也可以反射光源的光，加拿大NDI公司的polaris光學(xué)追蹤傳感器是常用的近外光學(xué)標(biāo)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(yī)來均有推出光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。
光學(xué)定位要求在導(dǎo)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(zhǔn)確獲取光學(xué)標(biāo)志點位置，可能存在無法定位的死角，對醫(yī)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(shù)部位無法精確定位，此外光學(xué)定位模塊硬件設(shè)備體積較大，雙目視覺攝像機需要足夠的空間以達(dá)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(dǎo)航系統(tǒng)[2]，電磁定位需在手術(shù)區(qū)域產(chǎn)生交變電磁場，將電磁波傳感器安裝到手術(shù)器械上，術(shù)中電磁波傳感器根據(jù)變化的電磁場對應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，以獲知電磁波傳感器的當(dāng)前位置，從而得到手術(shù)器械末端位置。由于電磁波傳感器尺寸小，因此方便醫(yī)生操作，不存在光路遮擋的問題，患者不需維持一個體位，醫(yī)生行動不受限制，但其精度不如光學(xué)定位，且需避免手術(shù)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(tǒng)易于集成，已在研發(fā)生產(chǎn)中被普遍應(yīng)用，目前已成功應(yīng)用于介入治療、內(nèi)鏡診斷、心臟手術(shù)、神經(jīng)外科及放射腫瘤學(xué)等多項領(lǐng)域中。
2.3 機械定位
機械定位是最早實現(xiàn)臨床定應(yīng)的定位方式，一般通過框架立體定向儀或機械臂實現(xiàn)[3]，手術(shù)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(shù)，機械臂或框架立體定向儀可根據(jù)實際手術(shù)需求具有轉(zhuǎn)動、平移、樞轉(zhuǎn)的多個自由度，在提供自由度的各關(guān)節(jié)處設(shè)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(jù)傳感器的測量結(jié)果和正運動學(xué)計算，獲知手術(shù)器械的當(dāng)前位置，但是為加快計算速度，機械定位一般是在手術(shù)器械當(dāng)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(qū)域的操作，由于組織自身變形漂移，也會出現(xiàn)較大誤差;且定位設(shè)備體積軟大，安裝拆除不便，便攜性也較低。
2.4 圖像引導(dǎo)定位
圖像引導(dǎo)定位通常是將術(shù)前獲得的能夠清晰顯示病灶區(qū)域的CT、MRI或PET等圖像與術(shù)中能夠獲知手術(shù)器械位置的實時圖像進行配準(zhǔn)融合，術(shù)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(shù)中還可根據(jù)手術(shù)需求選擇熒光成像、CT成像等。專利CN110025379A公開了新博醫(yī)療技術(shù)有限公司研發(fā)的一種術(shù)中超聲圖像與術(shù)前CT圖像融合實時導(dǎo)航系統(tǒng)，可用于全身各部位的經(jīng)皮微創(chuàng)手術(shù)。
2.5 多定位方式聯(lián)合使用
由于各種定位方式各有優(yōu)缺點，有的導(dǎo)航系統(tǒng)還會將兩種定位方式聯(lián)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(fā)的整形外科手術(shù)導(dǎo)航機器人，同時在手術(shù)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(dāng)?shù)谝�、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(shè)置為主傳感器，第一傳感器可以是光學(xué)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(xué)研究的基于電磁定位技術(shù)和術(shù)中圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航仿真方法，利用電磁定位技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)器械在圖像坐標(biāo)系下的實時跟蹤，根據(jù)超聲圖像信息，對術(shù)前三維CT模型和術(shù)中超聲圖像在手術(shù)過程中實時配準(zhǔn)。
3 結(jié)語
手術(shù)導(dǎo)航定位技術(shù)可根據(jù)多種不同原理進行手術(shù)器械的術(shù)中定位，依托于各種定位技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)均已應(yīng)用于臨床，以后的定位技術(shù)將在算法的準(zhǔn)確性和實時性上有更進一步的發(fā)展，國內(nèi)清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)北京中西集團、安科公司已經(jīng)在進行手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)，期待國內(nèi)在導(dǎo)航系統(tǒng)及其定位技術(shù)上的新突破。
科學(xué)技術(shù)論文投稿刊物：《生命科學(xué)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(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、藥品制造、生物技術(shù)等高科技研究、應(yīng)用領(lǐng)域的科研人員，在讀博、碩士研究生及醫(yī)藥衛(wèi)生實踐工作者、生命科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶒炇�、試驗室、研究室的科研人員及購置儀器設(shè)備的管理人員、使用人員等。
此外手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的配準(zhǔn)模塊也與導(dǎo)航精確性直接相關(guān)，如何減小軟組織變形、器官漂移所造成的配準(zhǔn)誤差，是導(dǎo)航配準(zhǔn)中需要考慮的問題;可視化模塊除了提供常規(guī)的二維、三維顯示外，還在增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)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(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)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(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)分類及在頜面外科中的應(yīng)用[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)版),2018,37(3):535-539
[2] 章浙偉，邵國良. 影像導(dǎo)航系統(tǒng)在腫瘤介入診療中的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 影像診斷與介入放射學(xué),2018,27(1):60-62
[3] 姜 濤，吳水才，王笑茹. 介入導(dǎo)航機器人在肝腫瘤消融術(shù)中的應(yīng)用研究[J]. 生命科學(xué)儀器,2019,17(12):40-45
作者：何煦佳
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