好风需借力，手术靠利器。手术导航系统涉及多模态图像分割建模、手术方案决策、手术空间位姿标定与跟踪、多模态图像配准、图像融合显示等各个方面的核心理论和方法。进而需解决三个关键任务：一是通过路径规划，告诉医生“手术怎么做”；二是通过空间定位，让医生知道 “病灶在哪里”；三是通过融合显示，告诉医生“皮下有什么”。

传统手术通常使用二维单模态图像，如超声、内窥镜或X线图像来指导手术过程。然而，单模态图像缺乏三维信息并且严重依赖于外科医生的经验。相比之下，多模态图像引导的手术导航可提供实时的仪器位置，以及病变在三维空间中的结构和功能信息，以此来帮助外科医生有效保护病变周围的重要组织、血管和器官，避免不必要的损伤，并降低手术并发症的发生率，现已成为各种临床手术程序的重要工具。

手术导航系统主要由成像设备、跟踪和定位核心设备、末端执行器、手术工具和其他硬件组成，它结合了现代成像技术、立体定向技术、计算机技术和人工智能技术，使患者能够获得安全、精确和微创的手术治疗。手术导航系统涉及多模态图像分割和组织建模、手术规划、姿态标定和跟踪、多模态图像配准和图像融合等各个方面的核心理论和方法。

多模态图像引导手术导航的硬件组成主要包括术中成像设备（如X线、超声和内窥镜成像系统）、跟踪和定位核心设备（如光学和电磁激光器、结构光定位系统）以及导航执行部件（如机器臂和导丝）。

多模态图像引导手术导航的关键技术包括多模态图像分割和组织建模、手术协议决策、手术空间标定和跟踪、多模态图像配准以及多源信息融合显示。多模态医学影像的分割和建模技术可用于描述目标组织和器官的空间结构和位置信息，为术前手术规划和术中实时指导提供重要的数据基础。手术计划决策可通过组织、器官和病变的三维模型位置关系制定，用于指导术中手术操作。手术空间标定和跟踪可实时捕捉术中手术器械的位置，并获取术前重建模型、术中患者和手术器械之间的相对位置关系。多模态图像配准可将多模态医学图像在空间坐标系中对齐和统一，有助于从不同模态获取互补的组织结构或功能信息。多源信息融合和显示可将不同的图像、组织模型、手术器械、跟踪位姿等信息集成到同一坐标系上进行二维或三维显示，提高临床诊断和治疗的精度。

总的来说，多模态图像引导的手术导航通过融合X线、内窥镜、超声和荧光等多模态图像以及集成多模态图像分割和组织建模、手术规划决策、姿态标定和跟踪以及多模态图像配准和融合等技术，提供了病变在三维空间中的结构和功能信息，从而改善医生对重要组织如血管和神经的视觉感知和空间认知，可显著提高手术安全性，缩短手术时间，并提高手术效率。

图1 多模影像引导的手术导航系统

手术导航因其巨大的临床应用潜力而被广泛研究，且技术上已经取得系列突破并成功应用于临床。自1994年加拿大ISG公司开发的第一台手术导航系统ISG Viewing Wand问世以来，诸多商用手术导航系统被成功推入市场，如美国美敦力、德国Brainlab、加拿大7D Surgical等知名公司开发的导航产品。与此同时，手术导航机器人发展迅速，如美国直觉外科、奥地利Interventional Systems、印度Perfint Healthcare、美国Medical Robotics Technology、新加坡NDR Medical Technology等公司研发的导航机器人已相继用于神经外科、颅颌面外科、骨科、经皮穿刺、血管介入等领域。

近年来，国内导航系统发展势头迅猛，如天智航、上海微创、艾瑞迈迪、华科精准、柏慧维康、威高、深圳安科、迪凯尔等都取得了不错的成果。手术导航系统从仅根据术前影像数据为外科医师提供结构信息，逐渐演变为具有重塑三维病灶结构、显示术野周围特征、规划最优手术路径、辅助医生在操作器械过程中规避重要组织结构、精准到达病灶部位等多功能的综合化手术引导系统，已成为临床多种术式中的重要工具。

图2 手术导航临床应用。（a）神经外科手术导航；（b）颅颌面外科手术导航；（c）骨科手术导航；（d）经皮穿刺手术导航；（e）血管介入手术导航

实现更高精度、更高智能、更轻便、更低成本的导航设备是手术导航发展的主要方向。如何进一步突破图像配准、变形补偿、运动补偿和软组织张力感知技术的难点，如何开发用于柔性组织变形的高精度非刚性配准算法，以及如何实现术中导航信息的动态可视化和手术计划决策是进一步提高当前手术导航系统实时性、便携性、准确性和智能化水平所必需的。未来，随着多模态手术导航系统在临床中应用场景的不断扩大，手术导航技术的临床应用价值将变得更加突出，将为更多外科医生提供可靠的指导和协助，在提高中国微创外科治疗水平方面具有重要的意义。

科学校对｜杨健；王媛媛；王涌天

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