手術導航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

裴大婷，黃德群，陳軍，張佳泳

（廣東省醫(yī)療器械研究所，國家醫(yī)療保健器具工程技術研究中心，廣東省醫(yī)用電子儀器及高分子材料制品重點實驗室，廣東 廣州510500）

綜述

手術導航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

裴大婷，黃德群，陳軍，張佳泳

（廣東省醫(yī)療器械研究所，國家醫(yī)療保健器具工程技術研究中心，廣東省醫(yī)用電子儀器及高分子材料制品重點實驗室，廣東 廣州510500）

本文主要總結手術導航中電磁定位、機械定位、超聲定位和光學定位的優(yōu)缺點，并介紹光學定位手術導航系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，展望其發(fā)展前景。

圖像引導；手術導航；光學定位；近紅外光

現(xiàn)代社會生活節(jié)奏日益加快，惡性腫瘤的發(fā)病率也越來越高，多數(shù)病變部位不能直觀地觀察到，若采取傳統(tǒng)的外科手術，醫(yī)生操作時多為盲穿，只能憑借對病變部位掌握的臨床經(jīng)驗和技巧進行手術，其風險巨大，同時也容易存在腫瘤切除不全、并發(fā)癥多、術后創(chuàng)傷大、恢復期長等問題，對經(jīng)驗尚缺的年輕醫(yī)生更是一大挑戰(zhàn)。為了尋求創(chuàng)傷更小、定位精準的治療手段，影像引導下的微創(chuàng)技術已成為惡性腫瘤治療的研究熱點。而在該類微創(chuàng)手術中，手術導航技術得到了廣泛關注。手術導航是以超聲、X射線、計算機斷層攝影 （CT）、磁共振成像 （MRI）等醫(yī)學影像為數(shù)據(jù)基礎，借助于計算機、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手術的技術［1－3］。該技術能夠?qū)⒒颊叩尼t(yī)學影像數(shù)據(jù)和不透明的病灶通過定位裝置聯(lián)系起來直觀地呈現(xiàn)到儀器屏幕上，讓醫(yī)生實時掌握手術器械相對于病灶區(qū)域的位置和方向，有助于提高病灶定位精度，降低手術創(chuàng)傷，提高手術效率和成功率。除此之外，手術導航設備還可以為年輕醫(yī)生提供手術模擬訓練［4］，對提高手術操作技能和培養(yǎng)高技術手術人才具有重要意義。

定位系統(tǒng)是手術導航的關鍵。本文從手術導航的定位系統(tǒng)入手，總結了機械定位、超聲定位、電磁定位和光學定位的優(yōu)缺點，并介紹了光學定位手術導航系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，展望了其發(fā)展前景。

1 手術導航定位系統(tǒng)概況

1907年，Horsley和Clark［5］創(chuàng)始了腦立體定向技術，首次提出了導航的概念。1947年，Spiegal和Wycis采用腦立體定向技術， 開創(chuàng)了導航在人體手術中的應用［6］。 1986年，Roberts研發(fā)了首臺手術導航系統(tǒng)［7］，在臨床上獲得了成功。1992年，美國將具有紅外線跟蹤技術的影像導航系統(tǒng)應用于臨床，這是世界上首臺光學手術導航系統(tǒng)［8］。隨著超聲、CT和MRI等先進醫(yī)學影像技術的出現(xiàn)，手術導航技術得到了飛速發(fā)展， 廣泛應用于肝癌或肺癌消融［9］、 神經(jīng)外科［10］、 骨科［11］、耳鼻喉科［12］、 整形外科［13］等。

從第一臺手術導航系統(tǒng)誕生至今，三十多年來，市面上各種品牌的導航系統(tǒng)相繼問世。手術導航系統(tǒng)一般包括圖像工作站、定位系統(tǒng)、手術器械等［14］。按照定位系統(tǒng)的不同又可分為機械定位［15］、 超聲定位［16］、 電磁定位［17］和光學定位［18］等。

1.1 機械定位系統(tǒng)

機械定位系統(tǒng)是最早出現(xiàn)在手術導航系統(tǒng)中的。早年采用的是框架式定位， 也稱為框架立體定向儀［19］， 但設備笨重，不能實時顯示手術器械位置，操作不靈活，患者佩戴治療時也比較痛苦，例如瑞典的Leksell立體定向系統(tǒng)［20］。后來在數(shù)字控制技術基礎上出現(xiàn)了無框架式系統(tǒng)，結合計算機控制技術與機械臂來控制手術器械的位置和旋轉(zhuǎn)方向，達到定位跟蹤的目的。機械臂能夠較長時間控制手術器械，具有很高的穩(wěn)定性和定位精度［21］。但機械臂體積大，不容易安裝，制動和固定裝置也存在機械誤差。該類產(chǎn)品以加拿大ISG Technology公司的Viewing Wand［22］為代表。

1.2 超聲波定位系統(tǒng)

超聲波定位系統(tǒng)是根據(jù)超聲波測距原理，將超聲波發(fā)生和接收裝置分別固定在手術器械和標志架上，通過持續(xù)記錄超聲波發(fā)生和接收的間隔時間，計算兩種裝置之間的距離，從而實時確定手術器械的空間位置，達到導航的目的。該定位方法成本較低，定位精度為2～5 mm［16］，但受超聲波物理特性的限制，成像分辨率不高，需要保持發(fā)生和接收裝置之間的暢通，定位精度容易受到空氣濕度、溫度、噪聲、氣流和發(fā)射器尺寸等因素的影響。該類定位系統(tǒng)的手術導航設備并不多見。

1.3 電磁定位系統(tǒng)

電磁定位系統(tǒng)應用了電磁感應原理，采用三個電磁感應線圈，產(chǎn)生一個三維的低頻磁場，當目標進入該電磁場范圍時，磁場探測器發(fā)出信號，根據(jù)三個磁場發(fā)生器間的相對位置以及探測器監(jiān)測到的信號，就可以計算探測器目標的位置和方向，定位精度為2～4 mm［16］，具有較高的分辨率，可自動識別和注冊。但通常手術室電磁環(huán)境異常復雜，如室內(nèi)監(jiān)護儀、麻醉機和高頻電刀等設備產(chǎn)生的外界電磁波會干擾用于定位的電磁場，定位精度難以保障。

1.4 光學定位系統(tǒng)

光學定位利用雙目或多目視覺原理 （光學三角測量技術），由計算機重建目標空間位置，具有使用方便、價格低廉、定位精度高、不易受手術環(huán)境干擾等優(yōu)點［23－24］，成為了目前最具發(fā)展前景的定位方式。

光學定位使用可見光或 （近）紅外光成像，根據(jù)目標物是否有源，又可分為主動式、被動式和混合式［25］。主動式光學定位通常被稱為有源光學定位，在跟蹤目標物上附 （近）紅外發(fā)光二極管，由外加電源控制發(fā)光二極管發(fā)光，系統(tǒng)采集發(fā)光信號并經(jīng)過復雜的計算處理，實時定位目標的空間位置，從而達到跟蹤的目的。被動式光學定位也稱為無源光學定位，其特點是光源設置在攝像機上，跟蹤目標具有反光球，系統(tǒng)通過捕獲反射光源來追蹤目標的空間位置?；旌鲜焦鈱W定位是主動式和被動式定位的結合，既可以跟蹤固定發(fā)光二極管的標志架，又可以跟蹤固定有反光小球的標志架，從某種程度上方便了醫(yī)生的手術操作。目前，應用較廣泛的光學定位系統(tǒng)制造商主要有加拿大 NDI公司、德國博醫(yī)來 Brain Lab公司和美國Medtronic公司等。其中，NDI公司的Polaris系統(tǒng)被認為是手術導航定位系統(tǒng)的國際標準［26］，精度可達0.1 mm。

光學定位系統(tǒng)雖然具有較高的定位精度，但定位光束被遮擋后便無法提供定位信息，定位信息的缺失會造成很大的手術風險。另外，市場上的光學定位系統(tǒng)采樣頻率最高只能到達60 Hz，對于快速移動的目標也很難定位［21］。因此全球?qū)τ诠鈱W定位系統(tǒng)的研究任重而道遠。

2 光學定位手術導航系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于手術導航技術具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景，因此國外一些發(fā)達國家早已投入大量資金和人力從事研究開發(fā)工作。根據(jù)Web of Science上收錄的數(shù)據(jù)，以 “（surgery or surgi*） and navigat*”為檢索策略進行統(tǒng)計分析［27］，截止到2017年，發(fā)表論文數(shù)量排在前五位的國家分別是美國 （2 041篇）、 德國 （1 772篇）、 日本 （938篇）、 中國 （639篇） 和加拿大 （379篇），而且從 1986年至今，相關文獻數(shù)逐年遞增，說明全球?qū)κ中g導航的研究越來越重視。另外，國外關于手術導航系統(tǒng)的科研成果已有2 000多條公開的專利，而國內(nèi)僅有100多項［28］。早期的手術導航研究采用的是加拿大NDI公司的Optotrak跟蹤系統(tǒng)，自1996年NDI公司發(fā)布Polaris光學定位系統(tǒng)后，Polaris系統(tǒng)就成了手術導航市場的首要選擇［29］，市場份額占90%以上。

國內(nèi)對于手術導航技術的研究起步比較晚。1999年深圳安科公司開發(fā)了第一臺國產(chǎn)手術導航系統(tǒng)，2006年復旦大學數(shù)字醫(yī)學研究中心推出了高精度神經(jīng)外科手術導航系統(tǒng)并應用于臨床研究［30］。近些年來，與國外相比，我國對手術導航的研究主要集中在醫(yī)學圖像處理、校準與注冊方面，國內(nèi)臨床使用的手術導航系統(tǒng)也主要來自于進口，包括美國美敦力StealthStation神經(jīng)導航系統(tǒng)、德國BrainLab的VectorVision神經(jīng)導航系統(tǒng)、美國史塞克公司的 Stryker導航系統(tǒng)和通用電氣醫(yī)療的IT3500 Plus神經(jīng)導航系統(tǒng)等。據(jù)調(diào)查，國外手術導航產(chǎn)品的價格普遍在200萬元以上，國內(nèi)產(chǎn)品價格也在100萬元左右，價格昂貴，難以在基層醫(yī)院推廣。而且國產(chǎn)設備所使用的光學定位核心部件基本上需要進口［14］，缺乏自主知識產(chǎn)權，市場占有量極其有限。因此為了開發(fā)出適合中國國情和性能優(yōu)異的手術導航系統(tǒng)，國內(nèi)很多企業(yè)和科研院校都在著手光學定位系統(tǒng)相關方面的自主研發(fā)。

光學定位系統(tǒng)涉及攝像機標定、特征點匹配、三維重建和虛擬場景可視化等四個方面的技術。其中攝像機標定和特征點匹配技術是成功研制該系統(tǒng)的前提和關鍵，劉素娟［14］采用兩個近紅外攝像機組成近紅外光學定位系統(tǒng)，研究了基于近紅外標定模板的標定方法和近紅外標記的自動立體匹配算法，提出了兩步匹配的思想，具有重要的理論意義和實際價值。而王志剛［31］通過搭建近紅外光學定位系統(tǒng)平臺，提出了精確、有效的手術器械注冊方法和立體匹配識別算法，為開發(fā)光學手術導航系統(tǒng)奠定了良好的基礎；林欽永［9］為解決手術導航系統(tǒng)在肝癌消融微創(chuàng)介入術中受呼吸運動影響而導致的穿刺精度低、療效差等問題，構建了肝癌消融光學手術導航系統(tǒng)，設計出用于標定近紅外光學導航儀的近紅外標定板、手術器械標定塊和手術器械等輔助工具，以及開發(fā)了一套肝癌消融光學手術導航系統(tǒng)軟件。楊榮騫等［32］研發(fā)了一種無標記點光學手術導航系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有導航過程中標記點掉落和某些手術部位不方便粘貼標記點的缺點，實現(xiàn)了患者無標記點的光學手術導航。任亮［33］設計了一種新的標定模板和配套的標定算法，研制了基于光學定位超聲手術導航的實驗系統(tǒng)樣機，基本滿足了簡易手術導航的各項要求。中南民族大學［34］公開了一種用于手術導航的高精度光學定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本低、標定方法簡單、匹配準確和定位精度高，能夠滿足外科手術導航的要求。天智航公司［35］提供了一種用于導航手術的光學跟蹤工具，定位精度高，跟蹤范圍大。馬文娟［36］在第一代紅外手術導航儀實驗室樣機系統(tǒng)的基礎上，研制了新一代的紅外手術導航儀臨床樣機系統(tǒng)，該系統(tǒng)在上海市第九人民醫(yī)院進行了臨床試驗，結果顯示其部分性能指標達到了國際先進水平。

為了解決光學定位系統(tǒng)定位光束遮擋期間的定位問題，光學定位系統(tǒng)與其它定位系統(tǒng)組合定位的方法也是一研究熱點，如清華大學的趙鵬［21］設計了一種光學定位系統(tǒng)和慣性定位系統(tǒng)組合定位的方法，在光學定位系統(tǒng)的定位信息受到短時遮擋而無法對目標進行定位時，利用慣性定位系統(tǒng)的定位信息進行定位補償，使定位信息不間斷，保證了手術導航系統(tǒng)定位的連續(xù)性。

3 結語

總體來說，我國在手術導航方面與國際水平仍然存在明顯的差距。雖然國產(chǎn)手術導航設備相繼問世，但對光學定位系統(tǒng)的研究大部分還只是停留在實驗研究階段，真正應用于臨床的具有我國自主知識產(chǎn)權的光學定位系統(tǒng)少之又少。因此，我們需要投入更多的資源，加強核心技術研究，提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤速度，解決人體生理運動對定位精度的影響，利用虛擬現(xiàn)實VR提高定位過程中的立體感，從而為臨床醫(yī)學提供更優(yōu)秀的產(chǎn)品。

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（責任編輯：肖婷婷）

Research Status and Development Trend of Surgical Navigation System

PEI Dating,HUANG Dequn,CHEN Jun,ZHANG Jiayong
(National Engineering Research Center for Healthcare Devices,Guangdong Institute of Medical Instrument,Guangdong Provincial Key Laboratory of Medical Electronic Instruments and Polymer Materials,Guangzhou 510500,China)

This paper mainly summarized the advantages and disadvantages of electromagnetic tracking,mechanical tracking, ultrasonic tracking and optical tracking in surgical navigation.The current research status of optical tracking in surgical navigation system at home and abroad was introduced,and its future development was prospected.

Image-guided;Surgical navigation;Optical tracking;Near-infrared light

R616

：B

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.09.1326

2017－03－08

2017-05-26

廣東省科技計劃項目（2013B090600057；2013B090500098）

裴大婷 （1990－），女，碩士研究生學歷，主要從事醫(yī)療器械研發(fā)。