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手术导航系统

手术导航系统

手术导航系统(surgicalnavigationsystem)也称为计算机辅助外科手术，图

像引导外科手术等，指的是将现代影像技术、立体定向技术、电子计算机技术

和人工智能技术同外科医生有机的结合起来，充分利用信息使患者获得安全、

精确、微创的手术治疗。从广义上讲，外科导航系统涉及到影像数据的获取和

处理、术前计划与模拟、配准、术中导航和机器人系统等各个方面。与传统的

外科手术过程不同，手术导航系统是把病人术前的影像资料与术中病灶的具体

位置通过高性能计算机连接起来，准确地显示病灶的三维空间位置及相邻重要

的组织器官，医生在术前就可以通过相关处理软件在计算机上选择最佳手术入

径，制定最佳手术方案；手术导航系统还可跟踪手术器械位置，将手术器械位

置在术中影像上实时更新显示，医生根据实时导航系统在术中避开重要的组织

结构直达目标位置，并在切除病灶过程中根据实时导航信息有效的保护病灶周

围的重要组织器官。

1、手术导航系统的工作原理及构造

手术导航是以超声、X射线、CT、MRI等医学影像为基础数据，借助计算机、精

密仪器和图像处理而发展起来的一种可视化图像引导手术技术。可通过三维数

字化患者病灶组织，实时追踪手术器械位置，实现外科手术可视化和自动化，

从而辅助医生或机器人更快速、准确和安全地完成手术任务。

手术导航系统通常需完成四项主要工作：

第一，三维模型重建。术前使用MRI、CT等医学影像数据进行三维模型重建，

得到患者病灶的解剖结构数字模型，方便医生判断病灶位置和熟悉周边组织结

构。三维模型也被用于后续的手术规划和术中引导，是手术导航系统的重要数

据基础。

第二，手术规划与模拟。通过三维模型，判断病灶位置及其周边组织特征，建

立手术路径并制定手术方案，用于术中引导医生或机器人操作。另外，医生也

可使用计算机进行模拟手术，减小失误率。

第三，术中校准与引导。术中病人、器官、组织均会发生变形和移动，需及时

校准三维模型和手术路径，以保证手术的准确性。同时，需为医生提供术区三

维模型和手术路径图像，以保障视野、减少探查和引导操作。

第四，空间定位。通过医学影像、电磁和光学技术可测量术区组织和手术器械

的空间位置和姿态，从而在手术导航系统中准确显示相对位置，可辅助医生沿

规划路径操作，也可对机器人进行伺服闭环控制。

根据上述工作内容，可将手术导航系统划分为四个子系统：

医学影像的三维模型重建系统、手术路径规划与模拟系统、术中模型校准与可

视化引导系统、空间定位系统。

医学影像的三维模型重建

目前，医生主要通过观察超声、X光、CT和MRI等二维图像进行诊断。但是，

二维图像无法直观展现病灶区域的立体解剖结构，需医生依靠经验进行推断；

同时，图像存在走样、噪音、伪影等问题，影响医生准确判断病情。三维模型

重建是对客观物体在计算机中建立相同的三维虚拟模型。在手术前，可将患者

的CT、MRI等二维医学影像原始数据导入三维模型重建系统，形成患者检查部

位的三维可视化数字模型。重建的三维模型可直观显示病灶区域的血管、神

经、骨质等组织结构，并可任意旋转、缩放和测量，用于精准定位病灶位置，

明确病灶与周围组织的空间毗邻关系，有效辅助医生进行准确诊断。

根据成像原理，三维模型重建可分为三类：基于CT影像、MRI影像和超声影像

的三维重建。

（一）基于CT影像的三维重建

CT（ComputedTomography），全称为计算机断层扫描，是用X射线束对人体某

部一定厚度的层面进行扫描。厚度可以是0.5-1厘米，越薄精确度越高。在此

基础上发展形成了螺旋CT（SpitalCT）和锥形束CT（ConeBeamCT，CBCT）。

前者在扫描时，X射线呈螺旋形，可获得连续层面的信息，避免了常规CT扫描

时遗漏小病灶的弊端。后者利用三维锥形束X线进行扫描，对软组织成像清晰

度较差。另外，随着C形和O形臂X光机的推出，可从不同角度对器官进行二

维成像，获得的多幅照片也可进行三维重建，为术中三维模型重建提供新方法

（二）基于MRI影像的三维重建

MRI（MagneticResonanceImaging），是利用磁共振现象从人体中获得电磁信

号，并重建出人体信息。MRI不会产生辐射，可以得到任何方向的断层图像。

基于MRI图像的三维重建对软组织滑膜、血管、神经、肌肉、肌腱、韧带、和

透明软骨的分辨率高，但是，MRI扫描用时较长，并且会产生巨