技术 | 手术机器人导航系统技术原理（上）

手术导航系统是一个集医学、影像学、计算机视觉、机器人技术、空间定位技术、虚拟现实交互、定制化制造于一体的多学科交叉系统，被越来越多地应用于神经外科、骨科、耳鼻喉科等手术中，辅助医生精准操作，提高手术的安全准确性。

背景

近年来，外科手术趋向于微创化，在带来创口小、失血少和恢复快等便利的同时，也缩小了医生的视野，不利于直接观察。借助医学影像技术，虽然可帮助术前诊断疾病、术中判断操作以及术后评估疗效。但目前，医学影像多采用二维图像，欠缺直观性，严重依赖医生的经验进行判断。另外，部分手术的病灶组织结构复杂，需频繁探查，一些隐藏较深的病灶甚至需要医生凭技巧进行盲操作，这都极大的影响了外科手术的准确性和安全性。

因此，类似于汽车导航，外科手术同样需要导航系统。借助导航系统，医生可以清晰直观的判断病灶位置，设定“目的地”；导航系统同时也会生成手术路径，辅助医生操作手术器械，明确当前位置和下一步应“左转”还是“直行”。

手术导航技术是一项多学科交叉的前沿科技。医生可直接观察病灶三维影像、规划手术、根据引导操作、接受充分训练，有效降低手术的不确定性，有利于手术快速准确的实施。

手术导航系统的发展历程

手术导航系统的发展大致可分为三个阶段：

第一阶段，框架立体定向仪。病人在局部麻醉后，在患处附近安装立体框架，并带着框架去做CT等影像检查，通过二维影像定位病灶，依靠框架引导找到手术靶点。该方法结构笨重，不便操作，不能实时反馈手术器械的位置。

第二阶段，无框架机械臂定位。利用机械臂的运动控制将手术器械固定到指定位置和方向，稳定性提高。但是，机械臂在安装和制造过程中存在误差，定位精度较低，引用范围受局限。

第三阶段，手术导航系统。结合了现代医学影像技术和立体定位技术，系统通过三维重建直观定位病灶位置和规划手术路径。通过空间定位技术实时反馈手术器械位置，精度得到有效提升，并在显示屏或增强现实设备中显示，辅助医生操作。

手术导航系统构成

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。

三维模型重建除用于辅助诊断，还可用于术前的手术路径设计和风险评估，术中的模型校准，术后的效果评估；另外，还可用于模拟手术操作，让医生得到充分训练，更清晰地掌握手术过程，提高手术的准确性和安全性

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（Computed Tomography），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。常规CT扫描可以理解为把人体切成一个个薄片，是多层的X射线扫描。薄片厚度可以是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（Spital CT）和锥形束CT（Cone Beam CT，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，对于牙齿根管系统、下颌骨等细微硬组织的成像质量好，但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。

基于CT影像的三维重建对头颈部、胸部、冠状动脉等大血管、骨骼系统疾病的诊断价值较高。但是，CT扫描辐射剂量较普通X射线检查大，故怀孕妇女不能做CT检查。

（二）基于MRI影像的三维重建

MRI（Magnetic Resonance Imaging），全称为磁共振成像，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，在脑部检查中有着不可替代的作用。但是，MRI扫描用时较长，并且会产生巨大磁场，所以装有心脏起搏器等金属设备的患者不能做MRI检查；监护仪器和抢救器材也无法带入MRI检查室，限制了危重病人的检查。

（三）基于超声影像的三维重建

超声成像（Ultrasonography）使用超声波穿透人体，当声波遇到人体组织时会产生反射波，通过计算反射波成像。三维超声系统可使用一体化的容积探头，同时产生多个超声断层图像，通过软件计算即可重建三维模型。

相较于CT和MRI，超声成像成本低，无强磁场和电离辐射，在诊断用功率范围内对人体无伤害，可经常性反复使用。另外，超声成像刷新速率高，可提供实时动态影像。目前，三维超声多用于心脏、消化系统、泌尿系统以及产科检查，但对肠道等含气较多的器官诊断准确率会降低。

（四）相关技术

基于医学影像的三维重建技术主要涵盖图像分割和三维重建两部分内容。

1. 图像分割（Image Segmentation）

图像分割是一个根据区域的相似性与特征把图像分割成若干区域的过程。医学图像分割的目的就是把感兴趣的区域提取并显示出来，并使其尽可能地接近解剖结果，为临床诊疗和病理学研究提供可靠的依据。典型的图像分割方法包括：阈值法、边缘检测法、区域法、聚类法和与特定理论结合的算法。

2. 三维重建（3D Reconstruction）

医学的三维模型重建是对三维空间数据场的可视化，常基于两类算法开展：

• 面绘制算法（Surface Rendering）

面绘制算法首先需在三维空间数据场中构造出曲面、多边形平面等几何图元，然后再用计算机图形学技术实现画面绘制。面绘制算法发展已经比较成熟，主要可以分为基于轮廓线和基于体素两类方法。

• 体绘制算法（Volume Rendering）

体绘制算法不构造几何图元，在为每个体素赋予颜色和阻光度，并考虑其对光线的透射、发射和反射作用后，直接由三维空间数据场生成屏幕显示的二维图像，可分为投射、消隐、渲染和合成四个步骤。由于体绘制技术没有构造中间几何曲面或实体，因此只适用于可视化显示，无法将其转化为实体模型。