外科手术导航相关研究

1、高精度手术导航的研究与应用

绪论：

传统的外科手术，无论是术前规划还是术中决定手术进程都依赖于医生的经验。然而，术前对病灶部位没有准确的三维结构描述，术中仅能见到暴露于表面的区域，对体内手术操作存在较大风险。从而传统外科手术往往会造成手术开口大，术后恢复时间长等问题。

随着数字图像处理、计算机视觉、网络通讯等技术飞速发展，形成了一个新的研究及临床应用热点：计算机辅助手术（Computer Aided Surgery, CAS。CAS 利用计算机技术模拟和指导手术所涉及的各个过程，包括术前规划，手术导航，辅助性治疗规划等。CAS相对于传统外科手术，有术前规划更准确，手术微创、快速、安全等优点。

手术导航系统（Surgical Navigation System SNS是CAS的一个应用，它将病人术前影像数据和术中病人解剖结构准确对应，在术中为医生实时进行导航。

图1-1是手术导航系统的一个示意图，它包括手术器械、光学跟踪系统、图形工作站和显示设备。

手术导航系统的发展历程

1881年，Zernov制成了脑测量仪并应用于临床，完成了人类最早的立体定

向手术。1908年，Horsley和Clarke创建脑立体定向技术。1947年，瑞典科学家Leksell设计的半弓形头架为脑立体定向外科的发展奠定了基础。1979 年, Brown发明了用定位框架与CT扫描一起配准，用于神经系统非功能性疾病。1986

年Robert及其同事讨论的一种与CT图像、显微镜相结合的无框架定向手术系统的观念一出现，就迅速激起了设计制造无框架定向手术的热潮。

此后，随着数字控制技术的应用，形成了一系列机械导航系统。1986年

Roberts首次报告使用声波数字化仪跟踪手术器械或显微镜的方法。1991年

Kato报告了电磁数字化仪的设计原理和临床应用，该系统主要由三维电磁数字化

仪、三维磁源、磁场感应器和计算机工作站构成。1992年美国将红外线数字

化仪导航应用于临床，那是世界上首台光学手术导航系统。

机械导航系统

机械导航系统包括框架式机械系统和无框架机械臂定位系统。框架式机械系

统，又称为框架机械立体定向仪。其特点是精度比较高，但是设备比较笨重，病人比

较痛苦，也会影响手术视野，妨碍医生的操作。目前，有框架立体定向手术系统仍广

泛应用于神经外科的微创手术，完成如穿刺、高频电极治疗、定向放疗等需要高定位

精度的微创手术。

此后，随着数字控制技术的应用，又出现了无框架机械臂定位方式，这一系统

在手术中不用机械框架进行定位，同时将机械臂技术和计算机技术紧密结合来实现实

时定位。机械臂上有多个关节，手术中计算机通过测量关节的相对运动来确定机械臂

的位置。缺点是机械臂使用不便，定位精度不够，限制了它的应用。

超声波导航系统

超声波定位的原理是超声测距。这类系统一般由超声波发射器、接收器、手术器械和计算机组成。发射器安装在标架上，接收器安装在手术器械上，以固定声速计算发射器和接收器之间的相对距离，然后以发射器为中心，相对距离为半径作球面，球面的交点就是接收器的空间位置。采用阵列接收器，通过时间平移、缩放以及智能求和回波能量，可以构建高清晰度的图像。在严格的实验室条件下，超声波定位的精度可达到0.4mm。超声波定位的缺点是易受环境噪声的干扰，而且因为系统假设超声波在空气中的传播速度是常数，所以空气温度、气流和非

均匀性都会影响系统精度。

电磁波导航系统

电磁波定位的原理如图1 -4所示，一般包含三个磁场发生器和一个磁场探测器。每个磁场发生器线圈定义空间的一个方向，探测器线圈检测由磁场发生器发射并通过空气或软组织的低频磁场，由各发生器间的相对位置和接收到的信号就可以确定探测器的空间位置，从而实现对目标的定位，其定位精度可达2mm。这种定位方法造价低，方便灵活，探测器与发生器之间没有光路遮挡问题。缺点是它对金属物体很敏感，特别是对手术区域中的铁磁性仪器。由于手术室中监护仪、麻醉机、高频电刀等设备的频繁使用，使得空间中存在大量多频谱电磁波干扰，影响电磁导航的准确性和可靠性。

光学导航系统

90年代出现了光学导航系统，HeilBru n等人利用三目和双目机器视觉原理，

使用普通光或红外光成像系统实现空间定位，这种定位仪的精度较高，应用灵活方便，但易受术中物体的遮挡、周围光线及金属物体镜面反射的影响。光学导航系统是目前手术导航系统中的主流方法，分为主动式和被动式两种，它们都以CCD 摄像机作为传感器。主动式光学导航系统在手术器械上安装几个红外发光二极管，它们发出的红外光被摄像机采集。被动式光学导航系统是在摄像机周围安装红外光源，在手术器械上安装几个红外反光小球，由反光球反射的红外光被摄像机采集。

手术导航的优点

1. 术中配准病人实体和病灶部位三维重建后的数据，利用跟踪定位系统定

位手术器械，可实时显示手术器械相对于病灶部位的位置。从而可以观察到病灶部位内部或者软组织覆盖下的结构。这使得手术可以做到微创，减短术后的康复期。

2. 手术导航仪可以全程记录手术过程及术中各种数据，可用于术后分析。

3. 可以借助手术导航系统执行异地手术，使得更多患者能享受到专家级的手术治疗。

4. 手术导航系统促使了手术方式的革新，如内窥镜手术、微创手术和远程手术等。

手术导航的现状和前景

自1990年，美敦力公司推出全球第一台红外手术导航系统Stealthstation 以来，导航系统的应用迅速发展。手术导航系统最早应用于神经外科领域，近年来,随着导航技术的不断发展，其临床范围已逐步扩展到功能神经外科、脊柱外科（骨科）、耳鼻喉科、整形外科等。如神经外科颅内肿瘤的切除（特别是肉眼难以分辨或血管丰富的小病灶、脑深部的病灶、以及脑内边界不清的病灶如大型胶质瘤等），功能神经外科立体定向活检与运动性疾病的治疗（如帕金森氏疾病），脊柱外科锥弓根钉植入、畸形矫正、颈椎手术、与最新开发的经皮穿刺、关节置换等复