增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腹腔鏡機(jī)器人手術(shù)的應(yīng)用及研究進(jìn)展

程聰，陸馬乘，張燁

南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫市人民醫(yī)院 腔鏡外科，江蘇 無錫 214043

引言

隨著外科技術(shù)的進(jìn)步，手術(shù)方式逐漸由開放向微創(chuàng)發(fā)展。腹腔鏡的應(yīng)用，減少了手術(shù)創(chuàng)傷，縮短術(shù)后恢復(fù)期，降低切口并發(fā)癥的發(fā)生率[1]。手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)使得微創(chuàng)外科的發(fā)展進(jìn)入新的高度。從1985 年，第一臺基于工業(yè)機(jī)器人改裝的用于輔助腦活檢的手術(shù)機(jī)器人出現(xiàn)開始[2]，到現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)，手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展取得了十足的進(jìn)步。符合人體工程學(xué)的操作手柄，高自由度的機(jī)械臂，滿足了精細(xì)化、精準(zhǔn)化的手術(shù)需求。立體腹腔鏡的應(yīng)用[3]，改善了傳統(tǒng)單攝像頭腹腔鏡二維成像對深度感知的缺失。但是，目前臨床應(yīng)用的手術(shù)機(jī)器人仍存在諸多弊端，如視覺感知的削弱，力反饋、觸覺反饋的缺乏[3]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是一種將虛擬信息投射入真實(shí)世界的技術(shù)。在外科手術(shù)中，AR手術(shù)導(dǎo)航（AR Surgical Navigation，ARSN）系統(tǒng)可以將目標(biāo)器官的半透明三維模型直觀顯示在手術(shù)視野中，輔助醫(yī)生判斷手術(shù)區(qū)域的解剖情況。在機(jī)器人手術(shù)中，ARSN 的應(yīng)用可以彌補(bǔ)感知的削弱，降低手術(shù)難度，提高手術(shù)安全性與精確度[4]。目前，ARSN 系統(tǒng)在骨科[5]、神經(jīng)外科[6]以及頜面外科[7]中已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用。在腹腔鏡機(jī)器人手術(shù)（Robot-Assisted Laparoscopic Surgery，RALS）領(lǐng)域中，ARSN 技術(shù)也在逐漸推廣，其在肝切除術(shù)[8]、膽囊切除術(shù)[4]、腎癌根治術(shù)[9]、前列腺癌根治術(shù)[10]、胰十二指腸切除術(shù)[11]等手術(shù)中均有相關(guān)應(yīng)用報(bào)道。然而，不同于骨科、神經(jīng)外科及頜面外科，腹部器官具有動(dòng)態(tài)非剛性特點(diǎn)，這使得ARSN 的應(yīng)用有著更高的難度及挑戰(zhàn)性。本文基于ARSN 的技術(shù)要點(diǎn)，介紹AR 導(dǎo)航腹腔鏡機(jī)器人手術(shù)（AR-RALS）目前的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出現(xiàn)階段存在的技術(shù)難點(diǎn)及對未來發(fā)展的展望。

1 AR導(dǎo)航數(shù)據(jù)來源

ARSN 的導(dǎo)航信息以三維圖像為主要表現(xiàn)類型。而構(gòu)建三維圖像的數(shù)據(jù)主要來源于術(shù)前或者術(shù)中的醫(yī)學(xué)影像學(xué)圖像。CT 及MRI 是常用的形態(tài)顯像技術(shù)。CT 為密度成像，基于X 射線在不同密度組織中的吸收率差異，產(chǎn)生可以顯示組織形態(tài)及輪廓的斷層圖像。MRI 利用核磁共振原理，通過識別人體電磁信號，獲取組織的形態(tài)信息，其對軟組織的分辨力相比于CT 成像更有優(yōu)勢。患者術(shù)前的CT/MRI 影像是外科醫(yī)生判斷病灶解剖特點(diǎn)及術(shù)式選擇的重要依據(jù)，也是構(gòu)建器官三維模型最主要的數(shù)據(jù)來源。但是，基于術(shù)前圖像重建的三維模型無法真實(shí)反映患者術(shù)中的情況。軟組織在術(shù)中的形變，使得高精度的實(shí)時(shí)配準(zhǔn)、導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)變得困難。相較而言，術(shù)中CT/MRI成像具有更高的實(shí)效性，其可以直接捕捉術(shù)中組織器官的狀態(tài)并展示給術(shù)者。但是，較低的幀率、潛在的輻射危害以及設(shè)備嚴(yán)苛的環(huán)境要求，使其難以在臨床普及。

2 AR顯示技術(shù)

虛擬信息常用的顯示方法主要有3 種：視頻疊加、圖像投影及光學(xué)透視。

視頻疊加是指將虛擬圖像覆蓋至顯示器上的真實(shí)手術(shù)場景，該顯示方式是ARSN 在腹腔鏡手術(shù)中的主要應(yīng)用形式。借助于顯示器，外科醫(yī)生和助手可以獲得同樣的視覺和視角。其缺點(diǎn)主要在于視野的局限和分辨率限制。圖像投影是通過投影儀將重建圖像直接投影至手術(shù)視野來實(shí)現(xiàn)的[12]。投影顯示需要經(jīng)過仔細(xì)的校準(zhǔn)，以補(bǔ)償組織表面曲率改變導(dǎo)致的投影圖像外觀變化。此外，由于投影需要直接的光線照射，因此常將其用于開放式手術(shù)或者基于體表定位的手術(shù)方式。光學(xué)透視是指外科醫(yī)生通過半透明的鏡子觀察手術(shù)區(qū)域，而虛擬模型則通過反射疊加在鏡子上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AR 可視化的顯示技術(shù)。其常見的形式是頭戴式顯示器，如目前主流的HoloLens、Meta2 及谷歌眼鏡等。將視網(wǎng)膜顯示器、耳機(jī)和攝像頭等設(shè)備集成，其可以實(shí)現(xiàn)多功能導(dǎo)航系統(tǒng)，如語音、手勢互動(dòng)[13]。頭戴式顯示器提供了一種相對便攜、低成本且功能豐富的手術(shù)導(dǎo)航方案。

3 基于術(shù)前數(shù)據(jù)的AR-RALS技術(shù)要點(diǎn)

3.1 三維模型構(gòu)建

術(shù)前獲取CT、MRI 影像數(shù)據(jù)，首先需要人工或者使用AI 深度學(xué)習(xí)方法[14]識別及標(biāo)注組織器官的層次及邊界。隨后借助于建模軟件將醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）格式圖像進(jìn)行分層渲染以及立體重建，最終獲得模塊化的三維器官模型。

3.2 術(shù)中模型配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)是指將圖像信息與現(xiàn)實(shí)場景統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系的過程。根據(jù)其參考物的不同，ARSN 的配準(zhǔn)主要有2 種方式：基于點(diǎn)的配準(zhǔn)和基于形狀的配準(zhǔn)。

3.2.1 基于點(diǎn)的配準(zhǔn)

基于點(diǎn)的配準(zhǔn)系統(tǒng)主要有光學(xué)跟蹤系統(tǒng)（Optical Tracking System，OTSs）和電磁跟蹤系統(tǒng)（Electromagnetic Tracking System，EMTSs）[15]。其工作流程包括：傳感器識別植入組織內(nèi)的光、電磁信號源，獲取標(biāo)志點(diǎn)的定位；隨后，定位數(shù)據(jù)被傳輸至成像系統(tǒng)，調(diào)整三維模型中對應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)在屏幕中的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。OTSs 具有高跟蹤精度和對環(huán)境條件的穩(wěn)健性的優(yōu)勢[16]。Kenngott 等[17]在食管癌根治術(shù)中應(yīng)用了基于紅外光學(xué)追蹤的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)，并初步驗(yàn)證了其在機(jī)器人手術(shù)中的可行性，但術(shù)中傳感器視線遮擋造成信號的丟失難以避免。EMTSs利用電磁場實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而快速的追蹤，沒有視線的限制。相關(guān)實(shí)驗(yàn)室研究證實(shí)了EMTSs 具有較好的應(yīng)用潛能[18]。其缺點(diǎn)在于電磁信號傳導(dǎo)易受到金屬或磁性材料的干擾。在復(fù)雜的手術(shù)導(dǎo)航場景中，標(biāo)記點(diǎn)/傳感器的位置和數(shù)量、導(dǎo)航區(qū)域的大小、軟組織形變等均會顯著影響OTSs 和EMTSs 的準(zhǔn)確性[16]。

3.2.2 基于形狀的配準(zhǔn)

基于形狀的配準(zhǔn)也稱為面配準(zhǔn)，是指通過獲取術(shù)中器官組織的表面信息來實(shí)現(xiàn)與虛擬模型配準(zhǔn)的方法[19-20]。其主要步驟包括：① 術(shù)前構(gòu)建目標(biāo)器官三維模型；② 術(shù)中根據(jù)腹腔鏡獲取的目標(biāo)器官的圖像，進(jìn)行表面三維重建；③ 將器官術(shù)前模型與表面重建模型進(jìn)行人工初始配準(zhǔn)，并獲取轉(zhuǎn)換矩陣；④ 使用圖像跟蹤算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配準(zhǔn)。

自動(dòng)配準(zhǔn)是指在初始配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，借助于圖像跟蹤配準(zhǔn)算法自動(dòng)更新導(dǎo)航信息。迭代最近點(diǎn)（Iterative Closest Point，ICP）[19]及其改良算法（如GO-ICP）[21]是常用的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，其將三維模型與真實(shí)器官的表面重建點(diǎn)云進(jìn)行配對，術(shù)中根據(jù)配對點(diǎn)移動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整模型的形態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化配準(zhǔn)。在ICP 算法的基礎(chǔ)上，使用B 樣條[22]、薄板樣條變換[23]和相干點(diǎn)漂移[24]等方法可以有效補(bǔ)償軟組織形變。然而，這種基于表面特征進(jìn)行的配準(zhǔn)，無法反映器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。對此，Suwelack 等[25]提出一種基于物理的形狀配準(zhǔn)方法，借助于生物力學(xué)模型，該方法可以較為準(zhǔn)確地模擬出深部組織的形變，顯著提升模型配準(zhǔn)的精度。此外，Paulus等[26]應(yīng)對組織變形的基礎(chǔ)上還考慮到了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，其提出的復(fù)合有限元模型可以有效模擬器官切割后的狀態(tài)，保證了破壞性操作后有效的導(dǎo)航精度，提高了導(dǎo)航數(shù)據(jù)的利用率。

相較于點(diǎn)配準(zhǔn)，面配準(zhǔn)不需要額外的跟蹤系統(tǒng)。但是，其對手術(shù)視野的暴露要求較高，器官表面重建比例直接影響配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度[27]。然而在機(jī)器人手術(shù)中，腹腔鏡往往只能獲取器官的局部視野，這使得大面積的表面重建十分困難。與點(diǎn)配準(zhǔn)結(jié)合以提高配準(zhǔn)的魯棒性和準(zhǔn)確度，可能是目前較為簡單的解決方案。雖然跟蹤系統(tǒng)的引入無法避免，但并不改變AR-RALS 的基本流程。

4 基于術(shù)中數(shù)據(jù)的AR-RALS技術(shù)要點(diǎn)

術(shù)前構(gòu)建的器官模型往往無法反映術(shù)中器官的狀態(tài)，而目前的配準(zhǔn)技術(shù)仍難以應(yīng)對術(shù)中器官的復(fù)雜形變。因此，術(shù)中實(shí)時(shí)成像是ARSN 系統(tǒng)的理想數(shù)據(jù)來源，其將術(shù)中獲取的器官影像進(jìn)行快速三維重建，可以直接與視頻畫面重疊而無需額外調(diào)整圖像形態(tài)，降低了配準(zhǔn)難度，提高了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。目前術(shù)中實(shí)時(shí)成像的方法主要包括CT、MRI、超聲成像（Ultrasonography，US）和近紅外熒光顯像。

4.1 術(shù)中CT/MRI成像

Shekhar 等[28]在動(dòng)物試驗(yàn)中驗(yàn)證了基于術(shù)中CT 的AR-RALS 的可行性。手術(shù)過程中，每1 秒進(jìn)行一次CT掃描成像，獲得的影像通過AR 渲染后配準(zhǔn)至手術(shù)畫面中，為術(shù)者提供手術(shù)部位的解剖信息。結(jié)果顯示，這種“實(shí)時(shí)AR 模型”對軟組織形變具有很好的補(bǔ)償作用。但是，較低的刷新率可能會影響手術(shù)進(jìn)程，以及輻射對術(shù)者健康造成的損害無法避免。此外，目前CT 或MRI 設(shè)備與手術(shù)機(jī)器人兼容性差，難以在AR-RALS 中應(yīng)用。

4.2 術(shù)中超聲導(dǎo)航

術(shù)中超聲（Intraoperative Ultrasonography，IOUS）具有實(shí)時(shí)成像、廉價(jià)、無放射性等優(yōu)點(diǎn)。IOUS 在鑒別腫瘤及其周圍組織結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)實(shí)質(zhì)臟器的切除方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[29]。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)具有較為完善的IOUS 導(dǎo)航系統(tǒng)。在肝切除術(shù)中，IOUS 的應(yīng)用被認(rèn)為可以提高圍術(shù)期安全性，改善腫瘤學(xué)結(jié)果[30]。但是，IOUS 圖像的獲取與解讀依賴于手術(shù)醫(yī)生的影像學(xué)水平。對于外科醫(yī)生而言，其學(xué)習(xí)曲線長、影像認(rèn)知負(fù)荷重。對此，Shen 等[31]將IOUS 與AR技術(shù)結(jié)合。將術(shù)中獲取的US 圖像進(jìn)行三維重建并配準(zhǔn)至手術(shù)視野，可以直觀顯示手術(shù)區(qū)域深部組織結(jié)構(gòu)，為病灶的精準(zhǔn)切除提供指導(dǎo)。相較于基于術(shù)前數(shù)據(jù)的ARRALS，基于IOUS 構(gòu)建的AR 模型可以實(shí)時(shí)追蹤軟組織形變，在非剛性器官手術(shù)中具有更好的視覺效果。但是，IOUS 也存在顯著缺陷，如在空腔臟器中應(yīng)用受限，當(dāng)病灶與周圍組織密度均一時(shí)導(dǎo)航效果較差。

4.3 近紅外熒光顯像

近紅外熒光成像技術(shù)主要用于血管造影及腫瘤病灶顯像[32]。在肝臟手術(shù)中，吲哚菁綠可以用于膽管、血管以及淺表癌灶顯影，有助于解剖性肝段的切除，降低血管損傷及膽汁泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化腫瘤學(xué)結(jié)果[33]。將熒光顯影與AR 結(jié)合是一種具有潛力的術(shù)中導(dǎo)航工具。Diana等[34]將吲哚菁綠顯影圖像重建并配準(zhǔn)至手術(shù)界面，直觀顯示腸系膜血流灌注情況，指導(dǎo)外科醫(yī)生建立結(jié)直腸吻合口，降低了吻合口并發(fā)癥的發(fā)生率。然而，熒光染料顯影僅可穿透皮下數(shù)毫米，空間分辨率較低、穩(wěn)定性差，應(yīng)用場景較局限。將近紅外熒光成像技術(shù)與IOUS或術(shù)前器官三維模型結(jié)合，可以作為AR-RALS 系統(tǒng)在某些術(shù)式中的優(yōu)化策略。

5 AR-RALS的臨床應(yīng)用

5.1 術(shù)前計(jì)劃

目前，對病灶及周圍組織結(jié)構(gòu)的術(shù)前探查往往只能依賴于常規(guī)的影像學(xué)檢查，如CT、MRI 及B 超等。但是，由于其DICOM 成像二維切片的特性以及單調(diào)的灰度表現(xiàn)形式，很難直觀明確地顯示復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)。而借助于虛擬模型，外科醫(yī)生可以將其放大、旋轉(zhuǎn)以及調(diào)整透明度，直接觀察手術(shù)區(qū)域重要結(jié)構(gòu)，如血管、神經(jīng)的走行及病灶的大小與位置等。在臨床，這種直接而仔細(xì)的觀察，對于提高手術(shù)安全性有著顯著積極的作用[35]。

隨著可視化數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，外科醫(yī)生還可以在術(shù)前三維模型上進(jìn)行虛擬探查及模擬手術(shù)，提高外科手術(shù)的可預(yù)測性、可控性。Mise 等[36]通過在肝臟三維模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，在術(shù)前對門靜脈血流灌注容積進(jìn)行分析，并定量估算術(shù)后靜脈引流面積，進(jìn)而優(yōu)化了切除平面。Diana 等[4]在評價(jià)VR-AR 技術(shù)在機(jī)器人膽囊切除術(shù)中的應(yīng)用時(shí)，借助于建立的膽囊虛擬模型進(jìn)行術(shù)前探查，靈敏地發(fā)現(xiàn)了解剖變異，從而提前確定手術(shù)方式，降低膽道損傷的概率。此外，詳細(xì)的術(shù)前計(jì)劃還可以增加術(shù)者信心，潛在提高手術(shù)的安全性[35]。

5.2 手術(shù)導(dǎo)航

手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)使患者可以在較小的創(chuàng)傷下完成手術(shù)。但是外科醫(yī)生只能通過觀察顯示器上的二維圖像來獲取手術(shù)視野。相對狹小的視野以及立體感的減弱，增加了手術(shù)操作的難度。此外，觸覺反饋和力反饋的喪失，使術(shù)者難以通過手指獲取組織結(jié)構(gòu)質(zhì)地、硬度及形狀等信息，為術(shù)中決策帶來阻礙，增加了誤傷的風(fēng)險(xiǎn)。而使用AR-RALS 系統(tǒng)，術(shù)者可以隨時(shí)查看病灶的位置及其周圍組織解剖特征，選擇最佳的手術(shù)方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)手術(shù)。

目前，基于AR-RALS 系統(tǒng)的外科模式在臨床仍處于探索階段，而結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的肝臟、胰腺、前列腺及腎臟等器官是主要研究對象。在肝膽外科中，最大程度減少肝臟體積的損失和保證安全的切除邊界對于降低肝切除術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率和死亡率至關(guān)重要[37]。然而由于肝臟血管、膽道高度變異性，以及常規(guī)機(jī)器人手術(shù)中環(huán)境感知能力受限，不必要的肝組織損傷常難以避免。使用AR-RALS 系統(tǒng)，術(shù)者可以通過觀察器官模型直接獲取腫瘤位置及周邊血管、膽管走行等信息，有效減少術(shù)中出血及正常肝臟體積的損失，顯著降低肝臟手術(shù)的難度[37-39]。在胰腺手術(shù)中，將熒光膽道造影與ARRALS 系統(tǒng)結(jié)合，有助于外科醫(yī)生更準(zhǔn)確地識別胰頭周圍重要的血管及膽道結(jié)構(gòu)，在保證安全邊界的同時(shí)避免造成額外的損傷[11]。

近年來，機(jī)器人手術(shù)在前列腺、腎臟等泌尿生殖系癌癥的管理中越來越重要[40]。AR-RALS 系統(tǒng)在泌尿系統(tǒng)手術(shù)中也逐漸得到應(yīng)用。在前列腺癌手術(shù)中，ARRALS 系統(tǒng)的應(yīng)用有助于外科醫(yī)生正確地認(rèn)識前列腺的解剖結(jié)構(gòu)，并根據(jù)患者病灶不同的解剖位置制定個(gè)性化手術(shù)方案，進(jìn)而優(yōu)化腫瘤學(xué)結(jié)果，同時(shí)減少尿道的損傷，保證功能最大化[10,41-42]。在腎臟腫瘤的治療中，ARRALS 系統(tǒng)也存在顯著優(yōu)勢：術(shù)中腫瘤及其周圍血管的直觀顯示，降低了全腎缺血率，增加腫瘤摘除率的同時(shí)保留更多的健康腎單位，并且降低集合系統(tǒng)損傷概率[43-44]。

在結(jié)構(gòu)呈顯著動(dòng)態(tài)性的結(jié)直腸手術(shù)中，AR-RALS的應(yīng)用則顯得尤為困難。2019 年，Atallah 等[45]首次嘗試ARSN 技術(shù)用于機(jī)器人輔助經(jīng)肛門全直腸系膜切除，雖然初步證實(shí)了其在臨床具有一定的可行性。但是嚴(yán)重的技術(shù)缺陷使其無法真正用于臨床：① 姿勢的不同使得基于術(shù)前影像的三維模型無法反映術(shù)中情況；② 手術(shù)過程中煙霧、器械對跟蹤器視線的遮擋，造成配準(zhǔn)信號的丟失；③ 手術(shù)操作過程中造成器官形變和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，顯著降低配準(zhǔn)精度。

6 AR-RALS的優(yōu)勢和不足

6.1 AR-RALS的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的開放和腹腔鏡手術(shù)，機(jī)器人手術(shù)具有更高的精準(zhǔn)度[46]。將AR 技術(shù)提供的透視“眼”與機(jī)器人靈巧的“手”相結(jié)合，可以更充分地發(fā)揮機(jī)器人高精準(zhǔn)度的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)真正意義上的精準(zhǔn)手術(shù)[47]。不同于手持腹腔鏡的晃動(dòng)，手術(shù)機(jī)器人能始終保持鏡頭的穩(wěn)定，顯著降低運(yùn)動(dòng)追蹤和模型配準(zhǔn)的難度[48]。此外，目前的手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)具備較為完善的人機(jī)交互系統(tǒng)，依靠其自身的硬件設(shè)備和可視化系統(tǒng)可以基本滿足ARSN 系統(tǒng)的軟硬件需求。因此，在機(jī)器人手術(shù)中應(yīng)用ARSN 系統(tǒng)更便于實(shí)施，并具有更高的性價(jià)比[3,19]。

6.2 AR-RALS的不足

6.2.1 運(yùn)動(dòng)跟蹤

在高度復(fù)雜和動(dòng)態(tài)場景的外科手術(shù)中，由于生理運(yùn)動(dòng)和手術(shù)動(dòng)作造成組織不斷移動(dòng)和扭曲，使得圖像追蹤十分困難[48]。OTSs 或EMTSs 在追蹤的準(zhǔn)確度上存在優(yōu)勢，但是信號易受干擾、昂貴的追蹤設(shè)備使其難以普及。而基于點(diǎn)云的方法，術(shù)中組織變形、運(yùn)動(dòng)模糊或遮擋導(dǎo)致的特征丟失是不可避免的[49]。近些年，同步定位和映射（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）[50-51]技術(shù)由于其魯棒性逐漸得到更多的關(guān)注。SLAM 技術(shù)可以同時(shí)估計(jì)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)和重建周圍環(huán)境。相較于點(diǎn)云方法，SLAM 可以解除累計(jì)誤差，并在跟蹤失敗后重新定位。Mur-Artal 等[51]提出的ORB-SLAM2 是其最具代表性的應(yīng)用。但是僵硬的場景重建，阻礙了其在AR-RALS 系統(tǒng)中的應(yīng)用。對此，Bescos 等[52]提出基于深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行手術(shù)場景分割，可以實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中識別組織形變的SLAM 結(jié)果。然而較高的圖像分割計(jì)算成本，使其無法以實(shí)時(shí)速度運(yùn)行。未來，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和人工智能的發(fā)展，更加完善的跟蹤技術(shù)或許并不遙遠(yuǎn)。

6.2.2 非剛性配準(zhǔn)

在不易變形的組織（如骨骼）中，剛性配準(zhǔn)模型可以獲取較好的配準(zhǔn)效果。但是當(dāng)目標(biāo)組織為腹腔內(nèi)器官時(shí)，氣腹、體位改變以及器械作用會導(dǎo)致目標(biāo)器官產(chǎn)生明顯的形變。剛性配準(zhǔn)模型無法反映術(shù)中器官的真實(shí)形態(tài)。此時(shí)，使用非剛性配準(zhǔn)模型是實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航的必需條件[10]。彈性有限元[10]和生物力學(xué)模型[23]在模擬組織形變上具有顯著的優(yōu)勢。然而，各個(gè)器官的彈性并非一致，基于某一方法建立的器官模型難以反映器官真實(shí)的彈性情況。理想的配準(zhǔn)模型，應(yīng)是獲取每個(gè)患者特異組織彈性數(shù)據(jù)并構(gòu)建的個(gè)性化彈性三維模型。但是，復(fù)雜的步驟和高昂的成本使其難以普及。

6.2.3 高昂的成本

高昂的成本也是AR-RALS 系統(tǒng)目前難以回避的問題。雖然市面上具有多種渲染軟件，但對于較為復(fù)雜的器官（如肝臟、腎臟）的3D 渲染仍是復(fù)雜且耗時(shí)的工作[31]。深度學(xué)習(xí)算法的使用可能有利于圖像的分割和重建，但是現(xiàn)階段高質(zhì)量的模塊化三維模型構(gòu)建人工干預(yù)仍無法避免。此外，由于目前還缺乏能真正用于臨床的自動(dòng)化配準(zhǔn)方法，術(shù)中往往需要配備專門人員輔助圖像配準(zhǔn)，額外的人工成本和不穩(wěn)定性，使其實(shí)用性大打折扣。

7 總結(jié)與展望

目前AR-RALS 已經(jīng)具備了初步可行性，可以滿足臨床應(yīng)用的基本要求。基于臨床的研究表明，其可以顯著提升手術(shù)的安全性、精準(zhǔn)度。但是在廣泛臨床應(yīng)用前還需要進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，主要包括三維重建技術(shù)和自動(dòng)化配準(zhǔn)。當(dāng)前基于AR-RALS 的研究還主要集中于技術(shù)可行性的探索[53]。各項(xiàng)研究之間存在顯著異質(zhì)性，技術(shù)流程的不同和研究方式的差異也使得目前AR-RALS 的臨床研究結(jié)果缺乏可靠的多中心驗(yàn)證。未來隨著技術(shù)的進(jìn)步和程序的規(guī)范化，需要大量多中心、大樣本的隨機(jī)對照研究來進(jìn)一步檢驗(yàn)AR-RALS 在外科中的應(yīng)用價(jià)值。