本文要點(diǎn)：手術(shù)導(dǎo)航是一門快速發(fā)展的多學(xué)科系統(tǒng)，在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)通過提高切除精度、減少創(chuàng)傷性并改善患者預(yù)后，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代外科的發(fā)展。然而，臨床醫(yī)生、工程師以及其他領(lǐng)域的專業(yè)人員通常從各自的角度看待這一領(lǐng)域，這往往會(huì)導(dǎo)致片面的觀點(diǎn)。本文旨在全面綜述手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的最新進(jìn)展，并根據(jù)其獨(dú)特特性和應(yīng)用進(jìn)行分類。系統(tǒng)分析了成熟技術(shù)（如X線攝影、術(shù)中計(jì)算機(jī)斷層掃描[CT]、磁共振成像[MRI]和超聲）以及新興技術(shù)（如光聲成像和近紅外[NIR]-II成像），重點(diǎn)介紹了其基本機(jī)制、使用方法以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。盡管取得了重大進(jìn)展，但現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)，包括精度有限、成本高昂以及對(duì)外科醫(yī)生的大量培訓(xùn)要求。解決這些局限性對(duì)于這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。本綜述強(qiáng)調(diào)了開發(fā)更智能、微創(chuàng)、精準(zhǔn)、個(gè)性化和無(wú)輻射導(dǎo)航解決方案的必要性。通過整合先進(jìn)成像模態(tài)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法和實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，下一代手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可進(jìn)一步提高手術(shù)精度和患者安全性。通過彌合臨床實(shí)踐與工程創(chuàng)新之間的知識(shí)鴻溝，本綜述不僅為尋求最佳導(dǎo)航策略的外科醫(yī)生提供了寶貴見解，也讓工程師對(duì)臨床應(yīng)用場(chǎng)景有了更深入的理解。

1. 引言

手術(shù)是對(duì)抗人類疾?。òò┌Y、創(chuàng)傷和畸形）的重要治療手段。在傳統(tǒng)手術(shù)中，外科醫(yī)生主要依靠視覺和觸覺方式感知不同組織。然而，視覺方式主要受人體組織中極小色差和嚴(yán)重散射的影響。在手術(shù)過程中，外科醫(yī)生的主要目標(biāo)是識(shí)別病變組織并避免損傷重要正常器官。然而，病變組織與正常組織之間的色差可能微乎其微。因此，外科醫(yī)生無(wú)法輕易通過肉眼區(qū)分這兩種組織。病變組織也可能嵌入正常組織中，難以直接觀察。此外，確定植入物的位置以確保植入物或異物的存在是臨床實(shí)踐中的另一項(xiàng)迫切需求。同時(shí)，隨著腹腔鏡手術(shù)和機(jī)器人手術(shù)的發(fā)展，觸覺正在逐漸喪失。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)正是為滿足這一需求而建立。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的要求大致可分為三類：追蹤病變組織、區(qū)分正常組織和定位植入物。

隨著對(duì)解剖學(xué)認(rèn)識(shí)的提高和新型手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)已從依賴經(jīng)驗(yàn)主義轉(zhuǎn)向更精確的方法。精準(zhǔn)手術(shù)的概念由董家鴻于2013年提出。這一概念強(qiáng)調(diào)手術(shù)中的三個(gè)重要問題：最大限度切除所變組織、最大限度保留正常組織和損傷控制。為解決這些問題，已開發(fā)出各種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。在這方面，科學(xué)家、工程師和外科醫(yī)生應(yīng)共同努力發(fā)展手術(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域并改善患者預(yù)后。對(duì)于更精確、更復(fù)雜的導(dǎo)航系統(tǒng)，必須滿足更高的要求。手術(shù)導(dǎo)航的基本目標(biāo)是解決病變組織與正常組織之間高度相似色差以及空間定位帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是一門融合醫(yī)學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、空間定位技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）交互和定制制造等領(lǐng)域的多學(xué)科系統(tǒng)。根據(jù)檢測(cè)方法，導(dǎo)航技術(shù)大致可分為三類：光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)、非光電磁技術(shù)和其他技術(shù)。光學(xué)技術(shù)包括熒光成像、光聲成像（PAI）和拉曼光譜（RS）。這些技術(shù)可在手術(shù)過程中提供實(shí)時(shí)、高分辨率圖像，是手術(shù)中的主流技術(shù)。然而，這些技術(shù)的主要局限性是穿透深度有限。非光電磁技術(shù)包括X線攝影、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和放射性核素成像，可補(bǔ)充光學(xué)技術(shù)。但這些方法通常在遠(yuǎn)離手術(shù)區(qū)域的顯示屏上生成靜態(tài)圖像。第三類即其他技術(shù)，包括不基于電磁波的方法，如術(shù)中超聲、磁共振成像（MRI）、三維（3D）打印技術(shù)和基于VR的技術(shù)。

術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展已有80多年歷史。常用的術(shù)中醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)航技術(shù)包括X線攝影、CT、MRI和超聲，這些技術(shù)已在臨床安全使用數(shù)十年。通過顯示實(shí)時(shí)圖像，突出解剖組織，為外科醫(yī)生提供更清晰的手術(shù)視野。越來(lái)越多的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)正逐步引入以促進(jìn)手術(shù)過程。這些技術(shù)使解剖結(jié)構(gòu)透明化，為外科醫(yī)生提供一副以區(qū)分不同組織。此外，術(shù)中實(shí)時(shí)引導(dǎo)是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要方面?；谶@一方面，手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)可分為實(shí)時(shí)技術(shù)和非實(shí)時(shí)技術(shù)。典型的實(shí)時(shí)技術(shù)包括熒光成像和放射性核素成像，而典型的非實(shí)時(shí)技術(shù)包括術(shù)中CT、術(shù)中MRI和X線攝影。手術(shù)模式正從“盲視手術(shù)”向“實(shí)時(shí)可視化手術(shù)”轉(zhuǎn)變。

本研究旨在全面綜述當(dāng)前臨床手術(shù)導(dǎo)航中使用的術(shù)中技術(shù)及其未來(lái)前景。主要專注于提高手術(shù)技術(shù)的外科醫(yī)生往往缺乏工程方法學(xué)知識(shí)。值得注意的是，目前尚無(wú)綜述為外科醫(yī)生提供導(dǎo)航領(lǐng)域的整體視圖。因此，本研究將幫助外科醫(yī)生在臨床實(shí)踐中識(shí)別并應(yīng)用合適的導(dǎo)航技術(shù)。相反，專注于推進(jìn)技術(shù)研究的工程師往往缺乏對(duì)臨床應(yīng)用場(chǎng)景的全面了解。因此，本綜述可為工程師提供重要參考，提供寶貴的醫(yī)學(xué)視角。通過綜合各種臨床場(chǎng)景和技術(shù)細(xì)節(jié)，本綜述旨在促進(jìn)跨學(xué)科合作，最終推動(dòng)臨床手術(shù)精度的提高。

圖1. 外科導(dǎo)航技術(shù)臨床應(yīng)用概述。藍(lán)色框中的技術(shù)代表非實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)，而橙色框中的技術(shù)代表實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)

圖2. 列出了圖1中臨床使用外科導(dǎo)航技術(shù)的時(shí)間線

2. 非實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)

2.1 術(shù)中X線成像

X射線的發(fā)明是醫(yī)學(xué)里程碑?；赬射線光子在化學(xué)成分不同的組織（如富鈣骨骼和富碳軟組織）中的不同吸收，可生成人體二維圖像，顯示正常組織和病變。術(shù)中X線技術(shù)因其操作方便、可反復(fù)拍攝、清晰顯示骨骼和植入物（椎弓根螺釘、鋼板等）位置、展示解剖穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用于骨科手術(shù)。例如，在骶尾部畸胎瘤切除術(shù)中，術(shù)中盆腔X線用于確定邊界并確保完整切除尾骨，以降低復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)還用于髖臼手術(shù)中，實(shí)現(xiàn)骨折復(fù)位和精準(zhǔn)螺釘置入，以減少再次手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

然而，術(shù)中使用X線存在一些問題。首先，術(shù)中使用X線可能帶來(lái)嚴(yán)重的職業(yè)輻射暴露風(fēng)險(xiǎn)，尤其是與連續(xù)透視相比。其次，C型臂盡管通常套有無(wú)菌保護(hù)套，但在反復(fù)移動(dòng)過程中可能成為潛在污染源。此外，X線只能顯示單一平面的二維圖像。因此，笨重的C型臂必須頻繁重新定位以獲取不同角度的影像。

2.2 術(shù)中超聲

術(shù)中超聲（IOUS）自約40年前引入以來(lái)，已逐步成為各種外科領(lǐng)域工具。超聲探頭頻率高、體積小，可直接放置于器官表面進(jìn)行檢測(cè)。這克服了體外超聲的局限性，提高了分辨率和掃描范圍，從而提高了微小病變的檢出率。IOUS具有實(shí)時(shí)、方便、靈活、安全、無(wú)創(chuàng)、定位精準(zhǔn)、成本低廉、可反復(fù)檢查等優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多外科醫(yī)生的關(guān)注。由于應(yīng)用廣泛，IOUS在許多手術(shù)過程中發(fā)揮了重要作用。

研究表明，IOUS引導(dǎo)下肝細(xì)胞癌切除術(shù)，既能保證切緣陰性，又能保留腫瘤周圍重要管道（膽管和血管），從而減少肝切除范圍。此外，IOUS可提高病變檢出率，提高診斷和治療的準(zhǔn)確性。在神經(jīng)外科中，IOUS技術(shù)在精準(zhǔn)識(shí)別和界定顱內(nèi)腫瘤邊界方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。這種方法可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)過程，引導(dǎo)外科醫(yī)生高效、精準(zhǔn)地切除病變，實(shí)現(xiàn)腫瘤切除和腦組織最小化損傷。

由于超聲檢查為接觸式，腫瘤切除和超聲檢查無(wú)法同時(shí)進(jìn)行。隨著技術(shù)進(jìn)步，已開發(fā)出一種將術(shù)前影像數(shù)據(jù)與術(shù)中超聲進(jìn)行配準(zhǔn)融合的臨床策略。通過三維重建和手術(shù)路徑引導(dǎo)，可精準(zhǔn)治療乳腺癌、肝癌、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和骨科疾病等多種疾病。隨著超聲彈性成像、三維可視化、超聲造影等技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，IOUS有望實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，應(yīng)用前景廣闊。

2.3 術(shù)中計(jì)算機(jī)斷層掃描

與X線成像相比，術(shù)中CT（iCT）具有組織分辨率高、三維成像能力的優(yōu)勢(shì)?；颊呖稍谑中g(shù)室中完成CT成像檢查，避免多次轉(zhuǎn)運(yùn)造成的損傷，大幅縮短治療時(shí)間窗，提高手術(shù)治療精度。通過CT工作站與導(dǎo)航系統(tǒng)基于醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（DICOM）標(biāo)準(zhǔn)的兼容連接，術(shù)中獲取的CT圖像數(shù)據(jù)可立即傳輸至導(dǎo)航系統(tǒng)，用于引導(dǎo)手術(shù)。

iCT技術(shù)于20世紀(jì)80年代初引入現(xiàn)代神經(jīng)外科和脊柱外科。隨著O型臂及各種軟硬件的發(fā)展，iCT圖像質(zhì)量大幅提升，廣泛應(yīng)用于多種常規(guī)手術(shù)。例如，iCT（O型臂手術(shù)成像系統(tǒng)）聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)成像引導(dǎo)，可提高脊柱內(nèi)固定物（椎弓根螺釘?shù)龋┲萌刖?，有效引?dǎo)因腫瘤生長(zhǎng)和骨骼異常發(fā)育導(dǎo)致的復(fù)雜骨解剖結(jié)構(gòu)手術(shù)。在神經(jīng)外科中，iCT用于復(fù)雜腦腫瘤切除的神經(jīng)導(dǎo)航，以及腦血管疾病的術(shù)中血管造影。

2.4 術(shù)中磁共振成像

由于iCT存在潛在輻射損傷、軟組織對(duì)比度差等局限性，術(shù)中MRI（iMRI）技術(shù)憑借天然優(yōu)勢(shì)，于20世紀(jì)90年代成為術(shù)中成像的關(guān)鍵發(fā)展方向。1995年6月，布萊根醫(yī)院神經(jīng)外科完成iMRI引導(dǎo)手術(shù)。此后，iMRI憑借術(shù)中成像、及時(shí)糾正術(shù)中腦移位誤差、精準(zhǔn)引導(dǎo)手術(shù)和穿刺操作等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于顱內(nèi)占位性病變切除、功能性神經(jīng)外科、定向穿刺活檢等領(lǐng)域。

一項(xiàng)針對(duì)116例iMRI、肉眼觀察、5?氨基乙酰乙酸染色引導(dǎo)下膠質(zhì)瘤切除術(shù)的隊(duì)列研究顯示，iMRI引導(dǎo)手術(shù)可顯著提高腫瘤完整切除率，從而改善患者預(yù)后、延長(zhǎng)生存期。此外，iMRI引導(dǎo)下侵襲性垂體瘤切除術(shù)，可降低視神經(jīng)、頸內(nèi)動(dòng)脈等重要結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)，大幅減少術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率?；趇MRI的神經(jīng)功能導(dǎo)航技術(shù)也已建立，可輔助外科醫(yī)生切除鄰近重要腦語(yǔ)言區(qū)或神經(jīng)傳導(dǎo)束的腫瘤，減少神經(jīng)損傷，促進(jìn)術(shù)后神經(jīng)功能恢復(fù)。

然而，該技術(shù)仍存在一定局限性。首先，所有擬在MRI環(huán)境中使用的手術(shù)器械（包括呼吸麻醉設(shè)備和監(jiān)護(hù)儀器）均需為“MRI安全”醫(yī)療設(shè)備，需要專用手術(shù)室。iMRI設(shè)備及手術(shù)室兼容設(shè)備成本高昂。此外，手術(shù)操作、屏蔽不足導(dǎo)致的電子設(shè)備射頻噪聲等因素，會(huì)對(duì)iMRI圖像質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。持續(xù)改進(jìn)iMRI成像性能、提高其對(duì)常規(guī)手術(shù)環(huán)境的適應(yīng)性，是解決這些局限性的關(guān)鍵。

2.5 三維打印引導(dǎo)手術(shù)

三維打印技術(shù)呈指數(shù)級(jí)發(fā)展，可將CT、MRI、三維超聲等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可手持的器官解剖模型，便于在手術(shù)中快速直觀識(shí)別、分析和操作。該方法可有效規(guī)劃和模擬手術(shù)流程、識(shí)別解剖標(biāo)志、觀察癌癥患者血管及重要臟器潛在侵犯情況，已廣泛應(yīng)用于骨科、耳鼻喉科、普外科、胸外科等多種手術(shù)。

在復(fù)雜肝臟手術(shù)（如門靜脈侵犯或多發(fā)轉(zhuǎn)移肝癌切除術(shù)）中，三維打印技術(shù)可輔助術(shù)中導(dǎo)航，引導(dǎo)手術(shù)路徑、識(shí)別轉(zhuǎn)移灶、優(yōu)化切除方案。三維打印模型在骨科手術(shù)術(shù)中路徑規(guī)劃和引導(dǎo)中的優(yōu)勢(shì)顯著，尤其適用于畸形矯正、骨折固定等領(lǐng)域。此外，三維打印技術(shù)常用于耳鼻喉科及頭頸外科手術(shù)，可將鼻竇、顱底復(fù)雜三維解剖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可視化模型，使手術(shù)更直觀便捷，大幅縮短手術(shù)時(shí)間。

三維打印用于手術(shù)導(dǎo)航仍處于起步階段。盡管該技術(shù)可為手術(shù)模擬和術(shù)中導(dǎo)航設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，但其臨床應(yīng)用存在技術(shù)要求高、軟硬件成本高等局限性，限制了其在醫(yī)院的廣泛應(yīng)用（圖3）。

圖3. 3D打印引導(dǎo)肝臟手術(shù)

2.6 術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)

術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)（IONM）利用一系列神經(jīng)電生理技術(shù)，在復(fù)雜手術(shù)過程中監(jiān)測(cè)神經(jīng)系統(tǒng)完整性。隨著時(shí)間推移，IONM已成為臨床手術(shù)環(huán)節(jié)，旨在保護(hù)神經(jīng)功能、減少神經(jīng)損傷、改善手術(shù)預(yù)后。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)手術(shù)雖受益于各種成像模態(tài)，實(shí)現(xiàn)了解剖結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)可視化，但I(xiàn)ONM從評(píng)估神經(jīng)系統(tǒng)功能的獨(dú)特視角，為神經(jīng)外科、骨科、頭頸外科等多領(lǐng)域手術(shù)提供了神經(jīng)系統(tǒng)完整性的客觀評(píng)估。通過為外科醫(yī)生提供可靠的實(shí)時(shí)信息，IONM有助于手術(shù)更順利、更安全地進(jìn)行。

1937年，彭菲爾德和博爾迪報(bào)道將IONM用于癲癇患者致癇灶切除術(shù)。此后，IONM零星應(yīng)用于神經(jīng)外科。直至1970年代，IONM常規(guī)用于頸動(dòng)脈內(nèi)膜切除術(shù)（CEA）中腦缺血缺氧監(jiān)測(cè)。同期，脊髓監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步發(fā)展，體感誘發(fā)電位（SEPs）成為顱腦和脊柱手術(shù)中感覺傳導(dǎo)通路功能的術(shù)中監(jiān)測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEPs）的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能術(shù)中監(jiān)測(cè)發(fā)展，神經(jīng)系統(tǒng)術(shù)中電生理監(jiān)測(cè)體系。

整合多種神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)技術(shù)可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，相互驗(yàn)證結(jié)果，實(shí)時(shí)評(píng)估神經(jīng)功能、引導(dǎo)手術(shù)操作，有助于降低術(shù)中及術(shù)后神經(jīng)并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，在保證患者安全的前提下，優(yōu)化病變切除精準(zhǔn)度。

參考文獻(xiàn)

Fan, Xiaoxiao, et al. "Advanced Image‐Guidance and Surgical‐Navigation Techniques for Real‐Time Visualized Surgery." Advanced Science 12.41 (2025): e09294.