超聲導(dǎo)航及機(jī)器人系統(tǒng)在微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展

毛譯 張明博

基金項(xiàng)目：國家科學(xué)自然基金（82071924）

摘要：隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)和儀器設(shè)備的不斷進(jìn)步，微創(chuàng)手術(shù)（MIS）廣泛應(yīng)用于臨床多個(gè)領(lǐng)域。超聲因具有實(shí)時(shí)、便攜、無輻射的優(yōu)勢，可用于MIS術(shù)中影像引導(dǎo)，以保證手術(shù)的安全性和有效性。由于氣體和骨骼的遮擋，常規(guī)超聲無法清晰顯示人體某些組織結(jié)構(gòu)，但超聲導(dǎo)航技術(shù)可以通過空間定位、三維重建、多模態(tài)融合等新技術(shù)彌補(bǔ)常規(guī)超聲的缺陷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、無輻射的手術(shù)引導(dǎo)。借助超聲導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢，機(jī)器人系統(tǒng)可以在超聲引導(dǎo)MIS中實(shí)現(xiàn)安全有效的微創(chuàng)操作。本文綜述了當(dāng)前超聲導(dǎo)航及機(jī)器人系統(tǒng)在MIS中應(yīng)用的研究進(jìn)展和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：超聲；導(dǎo)航；機(jī)器人；微創(chuàng)手術(shù)

中圖分類號(hào)： R445.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1000-503X（2023）05-0853-06

DOI：10.3881/j.issn.1000-503X.15401

Research Progress in the Application of Ultrasound-Guided Robot in Minimally Invasive Surgery

MAO Yi，ZHANG Mingbo

Department of Ultrasound，The First Medical Center of Chinese PLA General Hospital，Beijing 100853，China

Corresponding author：ZHANG Mingbo? Tel：010-66937394，E-mail：owsifanduizhe@126.com

ABSTRACT：With the continuous advances in modern medical technology and equipment，minimally invasive surgery （MIS） is widely applied in clinical practice.Ultrasound （US） as a real-time，portable，and radiation-free medical imaging method can be used for the intraoperative guidance in MIS to ensure safe and effective surgery.However，the physical characteristics of conventional US fail to display some tissue structures of the human body due to the existence of gas and bone.US-based navigation can make up for the deficiencies by advanced imaging technologies including spatial orientation，image reconstruction，and multi-modality image fusion，being real-time，accurate，and radiation-free.Therefore，US-guided robots can achieve safe，effective，and minimally invasive operation in MIS.This paper reviews the studies of US-guided robots in MIS and prospects the development of this field.

Key words：ultrasound；navigation；robot；minimally invasive surgery

Acta Acad Med Sin，2023，45（5）：853-858

微創(chuàng)手術(shù)（minimal invasive surgery，MIS）是現(xiàn)代外科手術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)開放手術(shù)相比，MIS具有創(chuàng)傷小、療效好、住院時(shí)間短、生活質(zhì)量高等優(yōu)勢［1］。超聲引導(dǎo)介入手術(shù)是MIS的重要組成部分，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，可在甲狀腺、乳腺、肝臟等器官實(shí)現(xiàn)穿刺活檢、消融治療、置管引流、藥物注射、手術(shù)通道建立等微創(chuàng)操作，提高了手術(shù)的安全性和有效性［2］。

由于超聲的物理特性，其成像受到骨骼、氣體、體表固定物、肥胖和瘢痕的影響，在脊柱、顱腦、肺等臨床?？频膽?yīng)用受到限制，超聲導(dǎo)航通過定位技術(shù)、三維影像重建、多模態(tài)融合等新型技術(shù)克服了常規(guī)超聲成像缺陷，拓展了MIS的應(yīng)用范圍。此外，MIS因操作空間受限、精度要求高，會(huì)有人才培養(yǎng)成本高、醫(yī)生水平差異大等問題，具有高精度、高穩(wěn)定性的手術(shù)機(jī)器人可以很好解決這些問題［3］。本文綜述了當(dāng)前超聲導(dǎo)航及機(jī)器人系統(tǒng)在MIS中應(yīng)用的研究進(jìn)展和發(fā)展方向。

超聲導(dǎo)航

超聲導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括空間定位、圖像重建、多模態(tài)融合成像等關(guān)鍵技術(shù)。空間定位技術(shù)賦予二維超聲圖像空間信息，是導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)；圖像重建是指基于空間定位技術(shù)可將采集的二維超聲圖像進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)立體可視化；融合成像則借助其他影像學(xué)方法彌補(bǔ)超聲成像的盲區(qū)?；谏鲜黾夹g(shù)的超聲導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：（1）在導(dǎo)航視圖上投射術(shù)中穿刺針；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測手術(shù)進(jìn)程；（3）保證穿刺針精準(zhǔn)到達(dá)目標(biāo)病灶等。

定位技術(shù)? 定位技術(shù)的發(fā)展對于超聲導(dǎo)航十分關(guān)鍵，準(zhǔn)確獲得目標(biāo)靶點(diǎn)和手術(shù)器械的真實(shí)空間位置，才能實(shí)現(xiàn)精密控制。常見術(shù)中定位方式包括：機(jī)械定位、聲學(xué)定位、光學(xué)定位和電磁定位，后三者屬于徒手掃描方式，其中，光學(xué)定位和電磁定位在臨床應(yīng)用中更為廣泛。

機(jī)械定位：又稱框架立體定向儀，驅(qū)動(dòng)超聲探頭勻速掃描目標(biāo)范圍，盡管成像效率高、精度高，但受限于設(shè)備體積和掃描方式，不適于臨床應(yīng)用。Wang等［4］開發(fā)出了基于機(jī)械臂的掃描方式，掃描靈活度上升，超聲圖像重建精度為（0.759±0.296） mm，滿足臨床應(yīng)用要求，但體積過大仍可能會(huì)限制其臨床應(yīng)用。

聲學(xué)定位：通過接收器和發(fā)射器之間的聲波傳導(dǎo)，獲得手術(shù)器械的空間位置。由于聲學(xué)定位對環(huán)境要求嚴(yán)格、精度較差，目前臨床應(yīng)用較少［5］。

光學(xué)定位：通過雙目或多目視覺原理，標(biāo)定超聲探頭的空間位置，但操作時(shí)易發(fā)生光線遮擋［6］。Chan等［7］采用Optitrack Prime 13w運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)可以使重建精度均值在0.4 mm和0.5°以內(nèi)，滿足臨床應(yīng)用的要求。

電磁定位：由發(fā)射器、傳感器和接收器構(gòu)成，通過電勢差變化計(jì)算出超聲探頭的空間信息，具有便攜、高精度、強(qiáng)穿透性的優(yōu)點(diǎn)。目前，電磁定位精度已經(jīng)達(dá)到亞毫米級(jí)別。加拿大的Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)重建精度達(dá)到（0.49±0.41） mm，滿足手術(shù)系統(tǒng)精度<2 mm和<5°的要求 ［8］。還有一種無線電磁跟蹤系統(tǒng)G4（美國），重建精度為1 mm和3°［9］。金屬器械的存在會(huì)干擾電磁定位的精確性，Paolucci等［10］研究顯示手術(shù)室環(huán)境對Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，重建精度變化<1 mm，在一般MIS可接受的誤差范圍內(nèi)，但電磁定位能否兼容機(jī)器人系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究。

三維超聲重建? 相較于二維超聲成像僅能顯示某一切面信息，三維超聲成像提供的空間信息更有助于理解和識(shí)別病灶及其周圍結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系。三維超聲成像一般分為實(shí)時(shí)三維超聲和三維超聲重建：（1）實(shí)時(shí)三維超聲是采用矩陣排列探頭內(nèi)光束自動(dòng)轉(zhuǎn)向的原理采集三維圖像，常用于軟組織掃描，很適合指導(dǎo)涉及移動(dòng)和形狀改變的內(nèi)臟器官手術(shù)如腹部手術(shù)、胎兒手術(shù)，但掃描范圍有限 ［11］。（2）三維超聲重建通過對二維圖像的空間定位及重建，可以提供更大面積的三維影像，適用于脊柱、長骨、大血管等解剖結(jié)構(gòu)識(shí)別，也可以用于路徑規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航。

Ungi等［12］在三維超聲重建圖像的基礎(chǔ)上，可在不同切面下監(jiān)測進(jìn)針路徑，且穿刺時(shí)允許不攜帶超聲探頭，降低了穿刺難度，極大提高了穿刺精度和效率。

在骨科手術(shù)中，超聲仍然無法穿透骨骼對深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，但非實(shí)時(shí)三維超聲可以提供基于圖片到容積的骨表面三維圖像，準(zhǔn)確識(shí)別骨骼形態(tài)及其周圍結(jié)構(gòu)的空間位置。Chan等［7］開發(fā)了一種椎體三維超聲導(dǎo)航系統(tǒng)，重建精度為0.6 mm和1.9°，滿足常規(guī)脊柱微創(chuàng)外科所要求的<1 mm和<5°精度。Mahfouz等［13］通過統(tǒng)計(jì)變形模型優(yōu)化超聲三維圖像，并與CT三維模型對比，得到的重建精度在股骨為（1.07±0.15） mm，在脛骨為（1.02±0.13） mm，均滿足手術(shù)所需距離精度閾值（2 mm）。目前重建精度的探討局限于模型或缺失軟組織覆蓋的動(dòng)物骨骼，對三維重建精度的考察還缺少臨床證據(jù)。

在血管介入手術(shù)中，由于導(dǎo)管的柔性特質(zhì)，二維視圖常缺乏對介入導(dǎo)管的完整感知，為獲得導(dǎo)管尖端和心血管結(jié)構(gòu)的對應(yīng)位置關(guān)系，避免錯(cuò)誤施加應(yīng)力，導(dǎo)致血管壁受損。Chen等［14-15］ 通過術(shù)前采集的三維導(dǎo)管模型數(shù)據(jù)，優(yōu)化術(shù)中三維超聲模型，避免圖像噪聲的影響，使重建的導(dǎo)管形狀接近真實(shí)，可清楚識(shí)別導(dǎo)管尖端位置，在模型實(shí)驗(yàn)中，直導(dǎo)管重建精度為1.02 mm，彎曲導(dǎo)管重建精度為1.62 mm，滿足臨床<2 mm和<5°的精度要求。但在活體豬實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)重建精度為3.37 mm，誤差較大，還需要進(jìn)一步研究實(shí)際條件下導(dǎo)致誤差的因素。Nisar等［16］生成的三維超聲血管與三維CT圖像相比重建精度相差（1.70±1.12） mm，達(dá)到臨床可以接受的范圍，但是重建過程非常耗時(shí)，需要不斷優(yōu)化血管分割算法，以適應(yīng)臨床應(yīng)用。

在前列腺手術(shù)中，Beitone等［17］基于前列腺形態(tài)在圖像采集過程中穩(wěn)定不變的特點(diǎn)，開發(fā)剛性配準(zhǔn)算法（數(shù)據(jù)采集頻率5～15 Hz），可實(shí)現(xiàn)近似實(shí)時(shí)三維成像，實(shí)現(xiàn)前列腺精準(zhǔn)穿刺活檢，提高癌癥檢出率。

多模態(tài)融合成像? 影像導(dǎo)航的常用方法除了超聲，還有X線、CT、MRI、PET/CT等，其成像更清晰，且不受氣體和骨骼的遮擋，對肥胖等特殊患者的包容性也更強(qiáng)。但是存在以下缺點(diǎn)：（1）可產(chǎn)生不可逆的輻射損傷［18］；（2）無法實(shí)時(shí)成像，術(shù)中導(dǎo)航時(shí)效性差；（3）設(shè)備體積大；（4）價(jià)格昂貴。多模態(tài)融合成像可集成多種成像技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，更好地呈現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)特征，并發(fā)揮了超聲的實(shí)時(shí)、便攜、無輻射優(yōu)勢。

超聲與CT的多模態(tài)融合：CT對骨骼結(jié)構(gòu)有良好的可視化效果，是脊柱手術(shù)首選的影像方式。Gueziri等［19-20］開發(fā)的腰骶椎超聲-CT融合算法，配準(zhǔn)精度可達(dá)1.42～1.58 mm，滿足臨床接受閾值2 mm。將超聲-CT融合外科導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜高精度的椎弓根螺釘置入術(shù)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示腰骶部置入成功率為92.9%，4例椎弓根破裂情況也在臨床能接受的長度范圍內(nèi)［21］。Massone等［22］將超聲-CT融合技術(shù)首先應(yīng)用于臨床，比較了超聲-CT融合引導(dǎo)和單純CT引導(dǎo)下關(guān)節(jié)突注射后的臨床參數(shù)，無明顯差異，但超聲-CT融合引導(dǎo)組患者滿意度更高。有研究表明，與傳統(tǒng)CT相比，超聲-CT融合導(dǎo)航下的脊柱病變骨活檢減少了手術(shù)時(shí)間和CT照射次數(shù)，具有更好臨床可行性和安全性［23］。

超聲與MRI的多模態(tài)融合：MRI具有良好的軟組織對比度，與超聲融合成像常用于前列腺、肝臟、顱腦等實(shí)質(zhì)器官的腫瘤切除術(shù)中導(dǎo)航［24］。Iommi等［25］在前列腺模型中用經(jīng)直腸三維超聲與術(shù)前MRI融合引導(dǎo)穿刺，配準(zhǔn)精度為（1.81±0.31） mm，符合臨床應(yīng)用要求。Yamada等［26］通過融合實(shí)時(shí)超聲圖像與靜態(tài)MRI，在牛肝上引導(dǎo)穿刺，穿刺精度為（1.6±0.6） mm，但配準(zhǔn)時(shí)間過長（5.7 min）可能會(huì)影響融合技術(shù)臨床應(yīng)用的可行性。Nitsch等［27］通過大腦分割后配準(zhǔn)，將顱內(nèi)導(dǎo)航配準(zhǔn)精度從3.8 mm降低到2.2 mm，配準(zhǔn)時(shí)間從40.5 s減少到18.8 s，說明分割后配準(zhǔn)可以有效提高配準(zhǔn)精度并縮短配準(zhǔn)時(shí)間，但分割需要額外時(shí)間，是否可以與超聲重建同時(shí)執(zhí)行以縮短總時(shí)長還有待研究。

超聲與PET/CT的多模態(tài)融合：PET/CT可以提供腫瘤代謝和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移信息，與超聲融合導(dǎo)航有利于識(shí)別腫瘤及其轉(zhuǎn)移灶。目前有關(guān)PET/CT和超聲融合成像的臨床應(yīng)用主要集中于診斷時(shí)的介入操作，如肝臟、淋巴結(jié)和前列腺的活檢［28-29］。de Koekkoek-Doll等［30］在一項(xiàng)包含了96例頸淋巴結(jié)異?；颊叩难芯恐邪l(fā)現(xiàn)，融合成像引導(dǎo)下活檢可以增加惡性淋巴結(jié)的檢出正確率。Garganes等［31］探討了PET/CT與超聲融合導(dǎo)航對乳腺或婦科惡性腫瘤患者淺表淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移識(shí)別的可行性，融合成像可以對兩種技術(shù)不一致的結(jié)果做出正確診斷，提高了穿刺活檢準(zhǔn)確性，有利于后續(xù)對目標(biāo)淋巴結(jié)的完全切除。

基于超聲導(dǎo)航的機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用

近年來，醫(yī)療機(jī)器人已經(jīng)成為研究熱門領(lǐng)域。達(dá)芬奇機(jī)器人在臨床廣泛應(yīng)用，這類機(jī)器人通過傳遞術(shù)者的動(dòng)作，可在狹小空間實(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)，減少手術(shù)所需醫(yī)生數(shù)量以及避免醫(yī)生長時(shí)間站立產(chǎn)生的手術(shù)疲勞［32］。不同的是，超聲導(dǎo)航下機(jī)器人系統(tǒng)替代醫(yī)生的“眼”“腦”“手”，可輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)病灶的自動(dòng)識(shí)別、路徑規(guī)劃及精準(zhǔn)穿刺，隨著超聲導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，還可不斷擴(kuò)寬其應(yīng)用場景。

腹部? 超聲導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)在腹部MIS中的應(yīng)用主要集中于肝臟、腎臟、前列腺等部位腫瘤的穿刺活檢及消融治療［33-34］。Yamada等［26］ 開發(fā)了一種在超聲-MRI融合導(dǎo)航下的持針機(jī)械臂，可取代手持導(dǎo)針器以提供更準(zhǔn)確的定位，在牛肝和模型上獲得的穿刺精度為（1.6±0.6） mm，但該機(jī)械臂無法完成大角度穿刺，甚至阻礙醫(yī)生臨床上的常規(guī)操作，因此機(jī)器人操作臂的靈活度嚴(yán)重限制該技術(shù)在臨床上的應(yīng)用。Daunizeau等［35］利用三維超聲導(dǎo)航和高強(qiáng)度聚焦超聲，在豬肝模擬腫瘤上進(jìn)行機(jī)器人輔助肝消融試驗(yàn)。機(jī)器人會(huì)根據(jù)腫瘤三維信息規(guī)劃高強(qiáng)度聚焦超聲治療方案，經(jīng)人工分割修正后，在機(jī)械臂（7軸）的控制下，操作高強(qiáng)度聚焦超聲導(dǎo)管最終完成消融計(jì)劃，消融速率為0.3～0.4 cm3/min。腫瘤深度限制該技術(shù)的應(yīng)用，且當(dāng)靶距離≥25 mm會(huì)出現(xiàn)部分腫瘤未消融的情況，這影響該技術(shù)的適用范圍。Wang等［4］設(shè)計(jì)了一種雙臂超聲機(jī)器人系統(tǒng)，其中一個(gè)機(jī)械臂控制超聲探頭，用于路徑規(guī)劃和監(jiān)測，另一只機(jī)械臂根據(jù)計(jì)劃路徑自動(dòng)穿刺，這種雙臂設(shè)計(jì)提高了導(dǎo)航系統(tǒng)和機(jī)械臂之間的校準(zhǔn)精度，得到配準(zhǔn)精度為0.31 mm，加大臨床應(yīng)用的可行性。Lim等［36］開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人輔助經(jīng)直腸超聲引導(dǎo)前列腺活檢系統(tǒng)，可以對腺體施加最小的壓力，從而在亞毫米級(jí)別的前列腺變形情況下完成操作。

骨科? 骨科機(jī)器人輔助手術(shù)大多數(shù)是在X線或CT引導(dǎo)下實(shí)施的，輻射暴露成為骨科醫(yī)生最關(guān)心的問題，因此超聲導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)在骨科MIS中具有重要的應(yīng)用價(jià)值［37］。Zettinig等［38］研發(fā)了一種用于腰椎穿刺的機(jī)器人系統(tǒng)，將超聲探頭和穿刺針固定在機(jī)械臂上，以獲得術(shù)中超聲圖像與穿刺針的實(shí)時(shí)空間位置，該技術(shù)可補(bǔ)償25 mm/s的運(yùn)動(dòng)偏移，導(dǎo)航精度優(yōu)于常規(guī)方法。目前骨科手術(shù)中超聲導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用尚處于起步階段，還有待進(jìn)一步研究。

總結(jié)和展望

影像導(dǎo)航系統(tǒng)是機(jī)器人輔助MIS的眼睛。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，未來在超聲導(dǎo)航下醫(yī)用機(jī)器人進(jìn)行MIS的應(yīng)用可在如下幾個(gè)方面深入發(fā)展：（1）不斷優(yōu)化配準(zhǔn)算法，以減少配準(zhǔn)和操作時(shí)間，可提升導(dǎo)航系統(tǒng)對術(shù)中呼吸或組織變形的補(bǔ)償能力。（2）增加機(jī)械臂自由度，配置小型化組件設(shè)備等，可減小醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)體積，提升操作的靈活性。（3）人工智能技術(shù)高速發(fā)展，更高級(jí)的交互算法，可實(shí)現(xiàn)人-機(jī)觸覺反饋，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)成像技術(shù)等可還原真實(shí)的操作環(huán)境，這樣就改善了術(shù)者與目標(biāo)區(qū)域的觸覺、視覺分離的問題，并一同解決手眼協(xié)調(diào)的問題［39-41］。（4）逐步開展大樣本臨床研究，提高手術(shù)的安全性、有效性，進(jìn)一步完善產(chǎn)品并降低成本，提升推廣應(yīng)用價(jià)值。（5）不斷深入研究超聲導(dǎo)航術(shù)前規(guī)劃和術(shù)后評估應(yīng)用，超聲導(dǎo)航未來有望替代X線、CT和MRI在一些?？祁I(lǐng)域的診斷價(jià)值。

綜上，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和人工智能的發(fā)展，超聲影像導(dǎo)航及機(jī)器人系統(tǒng)有更廣闊的發(fā)展空間，可為MIS實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療提供保障，并縮短醫(yī)生的學(xué)習(xí)和培養(yǎng)周期。相信未來超聲影像導(dǎo)航及機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)大大促進(jìn)MIS精細(xì)化、個(gè)體化的發(fā)展，造福于廣大患者。

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（收稿日期：2022-11-23）