手术导航系统的研究现状与发展趋势

裴大婷，黄德群，陈军，张佳泳

（广东省医疗器械研究所，国家医疗保健器具工程技术研究中心，广东省医用电子仪器及高分子材料制品重点实验室，广东 广州510500）

综述

手术导航系统的研究现状与发展趋势

裴大婷，黄德群，陈军，张佳泳

（广东省医疗器械研究所，国家医疗保健器具工程技术研究中心，广东省医用电子仪器及高分子材料制品重点实验室，广东 广州510500）

本文主要总结手术导航中电磁定位、机械定位、超声定位和光学定位的优缺点，并介绍光学定位手术导航系统的国内外研究现状，展望其发展前景。

图像引导；手术导航；光学定位；近红外光

现代社会生活节奏日益加快，恶性肿瘤的发病率也越来越高，多数病变部位不能直观地观察到，若采取传统的外科手术，医生操作时多为盲穿，只能凭借对病变部位掌握的临床经验和技巧进行手术，其风险巨大，同时也容易存在肿瘤切除不全、并发症多、术后创伤大、恢复期长等问题，对经验尚缺的年轻医生更是一大挑战。为了寻求创伤更小、定位精准的治疗手段，影像引导下的微创技术已成为恶性肿瘤治疗的研究热点。而在该类微创手术中，手术导航技术得到了广泛关注。手术导航是以超声、X射线、计算机断层摄影 （CT）、磁共振成像 （MRI）等医学影像为数据基础，借助于计算机、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的技术［1－3］。该技术能够将患者的医学影像数据和不透明的病灶通过定位装置联系起来直观地呈现到仪器屏幕上，让医生实时掌握手术器械相对于病灶区域的位置和方向，有助于提高病灶定位精度，降低手术创伤，提高手术效率和成功率。除此之外，手术导航设备还可以为年轻医生提供手术模拟训练［4］，对提高手术操作技能和培养高技术手术人才具有重要意义。

定位系统是手术导航的关键。本文从手术导航的定位系统入手，总结了机械定位、超声定位、电磁定位和光学定位的优缺点，并介绍了光学定位手术导航系统的国内外研究现状，展望了其发展前景。

1 手术导航定位系统概况

1907年，Horsley和Clark［5］创始了脑立体定向技术，首次提出了导航的概念。1947年，Spiegal和Wycis采用脑立体定向技术， 开创了导航在人体手术中的应用［6］。 1986年，Roberts研发了首台手术导航系统［7］，在临床上获得了成功。1992年，美国将具有红外线跟踪技术的影像导航系统应用于临床，这是世界上首台光学手术导航系统［8］。随着超声、CT和MRI等先进医学影像技术的出现，手术导航技术得到了飞速发展， 广泛应用于肝癌或肺癌消融［9］、 神经外科［10］、 骨科［11］、耳鼻喉科［12］、 整形外科［13］等。

从第一台手术导航系统诞生至今，三十多年来，市面上各种品牌的导航系统相继问世。手术导航系统一般包括图像工作站、定位系统、手术器械等［14］。按照定位系统的不同又可分为机械定位［15］、 超声定位［16］、 电磁定位［17］和光学定位［18］等。

1.1 机械定位系统

机械定位系统是最早出现在手术导航系统中的。早年采用的是框架式定位， 也称为框架立体定向仪［19］， 但设备笨重，不能实时显示手术器械位置，操作不灵活，患者佩戴治疗时也比较痛苦，例如瑞典的Leksell立体定向系统［20］。后来在数字控制技术基础上出现了无框架式系统，结合计算机控制技术与机械臂来控制手术器械的位置和旋转方向，达到定位跟踪的目的。机械臂能够较长时间控制手术器械，具有很高的稳定性和定位精度［21］。但机械臂体积大，不容易安装，制动和固定装置也存在机械误差。该类产品以加拿大ISG Technology公司的Viewing Wand［22］为代表。

1.2 超声波定位系统

超声波定位系统是根据超声波测距原理，将超声波发生和接收装置分别固定在手术器械和标志架上，通过持续记录超声波发生和接收的间隔时间，计算两种装置之间的距离，从而实时确定手术器械的空间位置，达到导航的目的。该定位方法成本较低，定位精度为2～5 mm［16］，但受超声波物理特性的限制，成像分辨率不高，需要保持发生和接收装置之间的畅通，定位精度容易受到空气湿度、温度、噪声、气流和发射器尺寸等因素的影响。该类定位系统的手术导航设备并不多见。

1.3 电磁定位系统

电磁定位系统应用了电磁感应原理，采用三个电磁感应线圈，产生一个三维的低频磁场，当目标进入该电磁场范围时，磁场探测器发出信号，根据三个磁场发生器间的相对位置以及探测器监测到的信号，就可以计算探测器目标的位置和方向，定位精度为2～4 mm［16］，具有较高的分辨率，可自动识别和注册。但通常手术室电磁环境异常复杂，如室内监护仪、麻醉机和高频电刀等设备产生的外界电磁波会干扰用于定位的电磁场，定位精度难以保障。

1.4 光学定位系统

光学定位利用双目或多目视觉原理 （光学三角测量技术），由计算机重建目标空间位置，具有使用方便、价格低廉、定位精度高、不易受手术环境干扰等优点［23－24］，成为了目前最具发展前景的定位方式。

光学定位使用可见光或 （近）红外光成像，根据目标物是否有源，又可分为主动式、被动式和混合式［25］。主动式光学定位通常被称为有源光学定位，在跟踪目标物上附 （近）红外发光二极管，由外加电源控制发光二极管发光，系统采集发光信号并经过复杂的计算处理，实时定位目标的空间位置，从而达到跟踪的目的。被动式光学定位也称为无源光学定位，其特点是光源设置在摄像机上，跟踪目标具有反光球，系统通过捕获反射光源来追踪目标的空间位置。混合式光学定位是主动式和被动式定位的结合，既可以跟踪固定发光二极管的标志架，又可以跟踪固定有反光小球的标志架，从某种程度上方便了医生的手术操作。目前，应用较广泛的光学定位系统制造商主要有加拿大 NDI公司、德国博医来 Brain Lab公司和美国Medtronic公司等。其中，NDI公司的Polaris系统被认为是手术导航定位系统的国际标准［26］，精度可达0.1 mm。

光学定位系统虽然具有较高的定位精度，但定位光束被遮挡后便无法提供定位信息，定位信息的缺失会造成很大的手术风险。另外，市场上的光学定位系统采样频率最高只能到达60 Hz，对于快速移动的目标也很难定位［21］。因此全球对于光学定位系统的研究任重而道远。

2 光学定位手术导航系统国内外研究现状

由于手术导航技术具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景，因此国外一些发达国家早已投入大量资金和人力从事研究开发工作。根据Web of Science上收录的数据，以 “（surgery or surgi*） and navigat*”为检索策略进行统计分析［27］，截止到2017年，发表论文数量排在前五位的国家分别是美国 （2 041篇）、 德国 （1 772篇）、 日本 （938篇）、 中国 （639篇） 和加拿大 （379篇），而且从 1986年至今，相关文献数逐年递增，说明全球对手术导航的研究越来越重视。另外，国外关于手术导航系统的科研成果已有2 000多条公开的专利，而国内仅有100多项［28］。早期的手术导航研究采用的是加拿大NDI公司的Optotrak跟踪系统，自1996年NDI公司发布Polaris光学定位系统后，Polaris系统就成了手术导航市场的首要选择［29］，市场份额占90%以上。

国内对于手术导航技术的研究起步比较晚。1999年深圳安科公司开发了第一台国产手术导航系统，2006年复旦大学数字医学研究中心推出了高精度神经外科手术导航系统并应用于临床研究［30］。近些年来，与国外相比，我国对手术导航的研究主要集中在医学图像处理、校准与注册方面，国内临床使用的手术导航系统也主要来自于进口，包括美国美敦力StealthStation神经导航系统、德国BrainLab的VectorVision神经导航系统、美国史塞克公司的 Stryker导航系统和通用电气医疗的IT3500 Plus神经导航系统等。据调查，国外手术导航产品的价格普遍在200万元以上，国内产品价格也在100万元左右，价格昂贵，难以在基层医院推广。而且国产设备所使用的光学定位核心部件基本上需要进口［14］，缺乏自主知识产权，市场占有量极其有限。因此为了开发出适合中国国情和性能优异的手术导航系统，国内很多企业和科研院校都在着手光学定位系统相关方面的自主研发。

光学定位系统涉及摄像机标定、特征点匹配、三维重建和虚拟场景可视化等四个方面的技术。其中摄像机标定和特征点匹配技术是成功研制该系统的前提和关键，刘素娟［14］采用两个近红外摄像机组成近红外光学定位系统，研究了基于近红外标定模板的标定方法和近红外标记的自动立体匹配算法，提出了两步匹配的思想，具有重要的理论意义和实际价值。而王志刚［31］通过搭建近红外光学定位系统平台，提出了精确、有效的手术器械注册方法和立体匹配识别算法，为开发光学手术导航系统奠定了良好的基础；林钦永［9］为解决手术导航系统在肝癌消融微创介入术中受呼吸运动影响而导致的穿刺精度低、疗效差等问题，构建了肝癌消融光学手术导航系统，设计出用于标定近红外光学导航仪的近红外标定板、手术器械标定块和手术器械等辅助工具，以及开发了一套肝癌消融光学手术导航系统软件。杨荣骞等［32］研发了一种无标记点光学手术导航系统，克服了现有导航过程中标记点掉落和某些手术部位不方便粘贴标记点的缺点，实现了患者无标记点的光学手术导航。任亮［33］设计了一种新的标定模板和配套的标定算法，研制了基于光学定位超声手术导航的实验系统样机，基本满足了简易手术导航的各项要求。中南民族大学［34］公开了一种用于手术导航的高精度光学定位系统，该系统稳定可靠、成本低、标定方法简单、匹配准确和定位精度高，能够满足外科手术导航的要求。天智航公司［35］提供了一种用于导航手术的光学跟踪工具，定位精度高，跟踪范围大。马文娟［36］在第一代红外手术导航仪实验室样机系统的基础上，研制了新一代的红外手术导航仪临床样机系统，该系统在上海市第九人民医院进行了临床试验，结果显示其部分性能指标达到了国际先进水平。

为了解决光学定位系统定位光束遮挡期间的定位问题，光学定位系统与其它定位系统组合定位的方法也是一研究热点，如清华大学的赵鹏［21］设计了一种光学定位系统和惯性定位系统组合定位的方法，在光学定位系统的定位信息受到短时遮挡而无法对目标进行定位时，利用惯性定位系统的定位信息进行定位补偿，使定位信息不间断，保证了手术导航系统定位的连续性。

3 结语

总体来说，我国在手术导航方面与国际水平仍然存在明显的差距。虽然国产手术导航设备相继问世，但对光学定位系统的研究大部分还只是停留在实验研究阶段，真正应用于临床的具有我国自主知识产权的光学定位系统少之又少。因此，我们需要投入更多的资源，加强核心技术研究，提高系统的动态跟踪速度，解决人体生理运动对定位精度的影响，利用虚拟现实VR提高定位过程中的立体感，从而为临床医学提供更优秀的产品。

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（责任编辑：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

广东省科技计划项目（2013B090600057；2013B090500098）

裴大婷 （1990－），女，硕士研究生学历，主要从事医疗器械研发。