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(shù)研究中心，廣東省醫(yī)用電子儀器及高分子材料制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510500）

綜述

手術(shù)導(dǎo)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(shù)研究中心，廣東省醫(yī)用電子儀器及高分子材料制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510500）

本文主要總結(jié)手術(shù)導(dǎo)航中電磁定位、機(jī)械定位、超聲定位和光學(xué)定位的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹光學(xué)定位手術(shù)導(dǎo)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(dǎo)；手術(shù)導(dǎo)航；光學(xué)定位；近紅外光

現(xiàn)代社會(huì)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(shù)，醫(yī)生操作時(shí)多為盲穿，只能憑借對病變部位掌握的臨床經(jīng)驗(yàn)和技巧進(jìn)行手術(shù)，其風(fēng)險(xiǎn)巨大，同時(shí)也容易存在腫瘤切除不全、并發(fā)癥多、術(shù)后創(chuàng)傷大、恢復(fù)期長等問題，對經(jīng)驗(yàn)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(zhǔn)的治療手段，影像引導(dǎo)下的微創(chuàng)技術(shù)已成為惡性腫瘤治療的研究熱點(diǎn)。而在該類微創(chuàng)手術(shù)中，手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。手術(shù)導(dǎo)航是以超聲、X射線、計(jì)算機(jī)斷層攝影 （CT）、磁共振成像 （MRI）等醫(yī)學(xué)影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，借助于計(jì)算機(jī)、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(dǎo)手術(shù)的技術(shù)［1－3］。該技術(shù)能夠?qū)⒒颊叩尼t(yī)學(xué)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(shí)時(shí)掌握手術(shù)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(shù)創(chuàng)傷，提高手術(shù)效率和成功率。除此之外，手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備還可以為年輕醫(yī)生提供手術(shù)模擬訓(xùn)練［4］，對提高手術(shù)操作技能和培養(yǎng)高技術(shù)手術(shù)人才具有重要意義。

定位系統(tǒng)是手術(shù)導(dǎo)航的關(guān)鍵。本文從手術(shù)導(dǎo)航的定位系統(tǒng)入手，總結(jié)了機(jī)械定位、超聲定位、電磁定位和光學(xué)定位的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了光學(xué)定位手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)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(shù)，首次提出了導(dǎo)航的概念。1947年，Spiegal和Wycis采用腦立體定向技術(shù)， 開創(chuàng)了導(dǎo)航在人體手術(shù)中的應(yīng)用［6］。 1986年，Roberts研發(fā)了首臺(tái)手術(shù)導(dǎo)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(shù)的影像導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于臨床，這是世界上首臺(tái)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)［8］。隨著超聲、CT和MRI等先進(jìn)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的出現(xiàn)，手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)得到了飛速發(fā)展， 廣泛應(yīng)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(tái)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)誕生至今，三十多年來，市面上各種品牌的導(dǎo)航系統(tǒng)相繼問世。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)一般包括圖像工作站、定位系統(tǒng)、手術(shù)器械等［14］。按照定位系統(tǒng)的不同又可分為機(jī)械定位［15］、 超聲定位［16］、 電磁定位［17］和光學(xué)定位［18］等。

1.1 機(jī)械定位系統(tǒng)

機(jī)械定位系統(tǒng)是最早出現(xiàn)在手術(shù)導(dǎo)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(shè)備笨重，不能實(shí)時(shí)顯示手術(shù)器械位置，操作不靈活，患者佩戴治療時(shí)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(shù)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了無框架式系統(tǒng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與機(jī)械臂來控制手術(shù)器械的位置和旋轉(zhuǎn)方向，達(dá)到定位跟蹤的目的。機(jī)械臂能夠較長時(shí)間控制手術(shù)器械，具有很高的穩(wěn)定性和定位精度［21］。但機(jī)械臂體積大，不容易安裝，制動(dòng)和固定裝置也存在機(jī)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(shù)器械和標(biāo)志架上，通過持續(xù)記錄超聲波發(fā)生和接收的間隔時(shí)間，計(jì)算兩種裝置之間的距離，從而實(shí)時(shí)確定手術(shù)器械的空間位置，達(dá)到導(dǎo)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(shù)導(dǎo)航設(shè)備并不多見。

1.3 電磁定位系統(tǒng)

電磁定位系統(tǒng)應(yīng)用了電磁感應(yīng)原理，采用三個(gè)電磁感應(yīng)線圈，產(chǎn)生一個(gè)三維的低頻磁場，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入該電磁場范圍時(shí)，磁場探測器發(fā)出信號(hào)，根據(jù)三個(gè)磁場發(fā)生器間的相對位置以及探測器監(jiān)測到的信號(hào)，就可以計(jì)算探測器目標(biāo)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(dòng)識(shí)別和注冊。但通常手術(shù)室電磁環(huán)境異常復(fù)雜，如室內(nèi)監(jiān)護(hù)儀、麻醉機(jī)和高頻電刀等設(shè)備產(chǎn)生的外界電磁波會(huì)干擾用于定位的電磁場，定位精度難以保障。

1.4 光學(xué)定位系統(tǒng)

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

光學(xué)定位使用可見光或 （近）紅外光成像，根據(jù)目標(biāo)物是否有源，又可分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和混合式［25］。主動(dòng)式光學(xué)定位通常被稱為有源光學(xué)定位，在跟蹤目標(biāo)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(hào)并經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算處理，實(shí)時(shí)定位目標(biāo)的空間位置，從而達(dá)到跟蹤的目的。被動(dòng)式光學(xué)定位也稱為無源光學(xué)定位，其特點(diǎn)是光源設(shè)置在攝像機(jī)上，跟蹤目標(biāo)具有反光球，系統(tǒng)通過捕獲反射光源來追蹤目標(biāo)的空間位置?；旌鲜焦鈱W(xué)定位是主動(dòng)式和被動(dòng)式定位的結(jié)合，既可以跟蹤固定發(fā)光二極管的標(biāo)志架，又可以跟蹤固定有反光小球的標(biāo)志架，從某種程度上方便了醫(yī)生的手術(shù)操作。目前，應(yīng)用較廣泛的光學(xué)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(rèn)為是手術(shù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)［26］，精度可達(dá)0.1 mm。

光學(xué)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(huì)造成很大的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。另外，市場上的光學(xué)定位系統(tǒng)采樣頻率最高只能到達(dá)60 Hz，對于快速移動(dòng)的目標(biāo)也很難定位［21］。因此全球?qū)τ诠鈱W(xué)定位系統(tǒng)的研究任重而道遠(yuǎn)。

2 光學(xué)定位手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)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(dá)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(guān)文獻(xiàn)數(shù)逐年遞增，說明全球?qū)κ中g(shù)導(dǎo)航的研究越來越重視。另外，國外關(guān)于手術(shù)導(dǎo)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(xiàng)［28］。早期的手術(shù)導(dǎo)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(xué)定位系統(tǒng)后，Polaris系統(tǒng)就成了手術(shù)導(dǎo)航市場的首要選擇［29］，市場份額占90%以上。

國內(nèi)對于手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的研究起步比較晚。1999年深圳安科公司開發(fā)了第一臺(tái)國產(chǎn)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，2006年復(fù)旦大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)研究中心推出了高精度神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)并應(yīng)用于臨床研究［30］。近些年來，與國外相比，我國對手術(shù)導(dǎo)航的研究主要集中在醫(yī)學(xué)圖像處理、校準(zhǔn)與注冊方面，國內(nèi)臨床使用的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)也主要來自于進(jìn)口，包括美國美敦力StealthStation神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)、德國BrainLab的VectorVision神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)、美國史塞克公司的 Stryker導(dǎo)航系統(tǒng)和通用電氣醫(yī)療的IT3500 Plus神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)等。據(jù)調(diào)查，國外手術(shù)導(dǎo)航產(chǎn)品的價(jià)格普遍在200萬元以上，國內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格也在100萬元左右，價(jià)格昂貴，難以在基層醫(yī)院推廣。而且國產(chǎn)設(shè)備所使用的光學(xué)定位核心部件基本上需要進(jìn)口［14］，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，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(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，國內(nèi)很多企業(yè)和科研院校都在著手光學(xué)定位系統(tǒng)相關(guān)方面的自主研發(fā)。

光學(xué)定位系統(tǒng)涉及攝像機(jī)標(biāo)定、特征點(diǎn)匹配、三維重建和虛擬場景可視化等四個(gè)方面的技術(shù)。其中攝像機(jī)標(biāo)定和特征點(diǎn)匹配技術(shù)是成功研制該系統(tǒng)的前提和關(guān)鍵，劉素娟［14］采用兩個(gè)近紅外攝像機(jī)組成近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)，研究了基于近紅外標(biāo)定模板的標(biāo)定方法和近紅外標(biāo)記的自動(dòng)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(shí)際價(jià)值。而王志剛［31］通過搭建近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)平臺(tái)，提出了精確、有效的手術(shù)器械注冊方法和立體匹配識(shí)別算法，為開發(fā)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)；林欽永［9］為解決手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在肝癌消融微創(chuàng)介入術(shù)中受呼吸運(yùn)動(dòng)影響而導(dǎo)致的穿刺精度低、療效差等問題，構(gòu)建了肝癌消融光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出用于標(biāo)定近紅外光學(xué)導(dǎo)航儀的近紅外標(biāo)定板、手術(shù)器械標(biāo)定塊和手術(shù)器械等輔助工具，以及開發(fā)了一套肝癌消融光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)軟件。楊榮騫等［32］研發(fā)了一種無標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有導(dǎo)航過程中標(biāo)記點(diǎn)掉落和某些手術(shù)部位不方便粘貼標(biāo)記點(diǎn)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了患者無標(biāo)記點(diǎn)的光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航。任亮［33］設(shè)計(jì)了一種新的標(biāo)定模板和配套的標(biāo)定算法，研制了基于光學(xué)定位超聲手術(shù)導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)樣機(jī)，基本滿足了簡易手術(shù)導(dǎo)航的各項(xiàng)要求。中南民族大學(xué)［34］公開了一種用于手術(shù)導(dǎo)航的高精度光學(xué)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本低、標(biāo)定方法簡單、匹配準(zhǔn)確和定位精度高，能夠滿足外科手術(shù)導(dǎo)航的要求。天智航公司［35］提供了一種用于導(dǎo)航手術(shù)的光學(xué)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(shù)導(dǎo)航儀實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制了新一代的紅外手術(shù)導(dǎo)航儀臨床樣機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在上海市第九人民醫(yī)院進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，結(jié)果顯示其部分性能指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

為了解決光學(xué)定位系統(tǒng)定位光束遮擋期間的定位問題，光學(xué)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(diǎn)，如清華大學(xué)的趙鵬［21］設(shè)計(jì)了一種光學(xué)定位系統(tǒng)和慣性定位系統(tǒng)組合定位的方法，在光學(xué)定位系統(tǒng)的定位信息受到短時(shí)遮擋而無法對目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，利用慣性定位系統(tǒng)的定位信息進(jìn)行定位補(bǔ)償，使定位信息不間斷，保證了手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)定位的連續(xù)性。

3 結(jié)語

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

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[33]任亮.基于光學(xué)定位旳超聲手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[34]陳雪松,謝勤嵐,劉海華.一種用于手術(shù)導(dǎo)航的高精度光學(xué)定位系統(tǒng) [P].中國:2015108736094,2015.

[35]徐進(jìn),馮云.一種用于導(dǎo)航手術(shù)的光學(xué)跟蹤工具 [P].中國: 2015105473769,2015.

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（責(zé)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(jì)劃項(xiàng)目（2013B090600057；2013B090500098）

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