本文要點：手術(shù)導航是一門快速發(fā)展的多學科系統(tǒng)，在精準醫(yī)學中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。手術(shù)導航系統(tǒng)通過提高切除精度、減少創(chuàng)傷性并改善患者預后，極大地促進了現(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，這往往會導致片面的觀點。本文旨在全面綜述手術(shù)導航系統(tǒng)的最新進展，并根據(jù)其獨特特性和應(yīng)用進行分類。系統(tǒng)分析了成熟技術(shù)（如X線攝影、術(shù)中計算機斷層掃描[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），重點介紹了其基本機制、使用方法以及各自的優(yōu)缺點。盡管取得了重大進展，但現(xiàn)有的導航系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)，包括精度有限、成本高昂以及對外科醫(yī)生的大量培訓要求。解決這些局限性對于這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。本綜述強調(diào)了開發(fā)更智能、微創(chuàng)、精準、個性化和無輻射導航解決方案的必要性。通過整合先進成像模態(tài)、機器學習算法和實時反饋機制，下一代手術(shù)導航系統(tǒng)可進一步提高手術(shù)精度和患者安全性。通過彌合臨床實踐與工程創(chuàng)新之間的知識鴻溝，本綜述不僅為尋求最佳導航策略的外科醫(yī)生提供了寶貴見解，也讓工程師對臨床應(yīng)用場景有了更深入的理解。

1. 引言

手術(shù)是對抗人類疾?。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重散射的影響。在手術(shù)過程中，外科醫(yī)生的主要目標是識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踐中的另一項迫切需求。同時，隨著腹腔鏡手術(shù)和機器人手術(shù)的發(fā)展，觸覺正在逐漸喪失。手術(shù)導航系統(tǒng)正是為滿足這一需求而建立。手術(shù)導航技術(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。

隨著對解剖學認識的提高和新型手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)已從依賴經(jīng)驗主義轉(zhuǎn)向更精確的方法。精準手術(shù)的概念由董家鴻于2013年提出。這一概念強調(diào)手術(shù)中的三個重要問題：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)導航系統(tǒng)。在這方面，科學家、工程師和外科醫(yī)生應(yīng)共同努力發(fā)展手術(shù)導航領(lǐng)域并改善患者預后。對于更精確、更復雜的導航系統(tǒng)，必須滿足更高的要求。手術(shù)導航的基本目標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的挑戰(zhàn)。

手術(shù)導航技術(shù)是一門融合醫(yī)學、光學、計算機技術(shù)、機器人技術(shù)、空間定位技術(shù)、虛擬現(xiàn)實（VR）交互和定制制造等領(lǐng)域的多學科系統(tǒng)。根據(jù)檢測方法，導航技術(shù)大致可分為三類：光學導航技術(shù)、非光電磁技術(shù)和其他技術(shù)。光學技術(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)過程中提供實時、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、計算機斷層掃描（CT）和放射性核素成像，可補充光學技術(shù)。但這些方法通常在遠離手術(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)中導航技術(shù)的發(fā)展已有80多年歷史。常用的術(shù)中醫(yī)學影像導航技術(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。通過顯示實時圖像，突出解剖組織，為外科醫(yī)生提供更清晰的手術(shù)視野。越來越多的手術(shù)導航技術(shù)正逐步引入以促進手術(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)中實時引導是手術(shù)導航系統(tǒng)的重要方面?；谶@一方面，手術(shù)導航技術(shù)可分為實時技術(shù)和非實時技術(shù)。典型的實時技術(shù)包括熒光成像和放射性核素成像，而典型的非實時技術(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“實時可視化手術(shù)"轉(zhuǎn)變。

本研究旨在全面綜述當前臨床手術(shù)導航中使用的術(shù)中技術(shù)及其未來前景。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知識。值得注意的是，目前尚無綜述為外科醫(yī)生提供導航領(lǐng)域的整體視圖。因此，本研究將幫助外科醫(yī)生在臨床實踐中識別并應(yīng)用合適的導航技術(shù)。相反，專注于推進技術(shù)研究的工程師往往缺乏對臨床應(yīng)用場景的全面了解。因此，本綜述可為工程師提供重要參考，提供寶貴的醫(yī)學視角。通過綜合各種臨床場景和技術(shù)細節(jié)，本綜述旨在促進跨學科合作，最終推動臨床手術(shù)精度的提高。

圖1. 外科導航技術(shù)臨床應(yīng)用概述。藍色框中的技術(shù)代表非實時手術(shù)導航技術(shù)，而橙色框中的技術(shù)代表實時手術(shù)導航技術(shù)

圖2. 列出了圖1中臨床使用外科導航技術(shù)的時間線

2. 非實時手術(shù)導航技術(shù)

2.1 術(shù)中X線成像

X射線的發(fā)明是醫(yī)學里程碑?；赬射線光子在化學成分不同的組織（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，長期廣泛應(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，以降低復發(fā)風險。該技術(shù)還用于髖臼手術(shù)中，實現(xiàn)骨折復位和精準螺釘置入，以減少再次手術(shù)風險。

然而，術(shù)中使用X線存在一些問題。首先，術(shù)中使用X線可能帶來嚴重的職業(yè)輻射暴露風險，尤其是與連續(xù)透視相比。其次，C型臂盡管通常套有無菌保護套，但在反復移動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，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行檢測。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具有實時、方便、靈活、安全、無創(chuàng)、定位精準、成本低廉、可反復檢查等優(yōu)勢，受到越來越多外科醫(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引導下肝細胞癌切除術(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確性。在神經(jīng)外科中，IOUS技術(shù)在精準識別和界定顱內(nèi)腫瘤邊界方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。這種方法可實時監(jiān)測手術(shù)過程，引導外科醫(yī)生高效、精準地切除病變，實現(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法同時進行。隨著技術(shù)進步，已開發(fā)出一種將術(shù)前影像數(shù)據(jù)與術(shù)中超聲進行配準融合的臨床策略。通過三維重建和手術(shù)路徑引導，可精準治療乳腺癌、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)的進一步改進，IOUS有望實現(xiàn)更高的定位精度，應(yīng)用前景廣闊。

2.3 術(shù)中計算機斷層掃描

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?；颊呖稍谑中g(shù)室中完成CT成像檢查，避免多次轉(zhuǎn)運造成的損傷，大幅縮短治療時間窗，提高手術(shù)治療精度。通過CT工作站與導航系統(tǒng)基于醫(yī)學數(shù)字成像和通信（DICOM）標準的兼容連接，術(shù)中獲取的CT圖像數(shù)據(jù)可立即傳輸至導航系統(tǒng)，用于引導手術(shù)。

iCT技術(shù)于20世紀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)合導航系統(tǒng)成像引導，可提高脊柱內(nèi)固定物（椎弓根螺釘?shù)龋┲萌刖?，有效引導因腫瘤生長和骨骼異常發(fā)育導致的復雜骨解剖結(jié)構(gòu)手術(shù)。在神經(jīng)外科中，iCT用于復雜腦腫瘤切除的神經(jīng)導航，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、軟組織對比度差等局限性，術(shù)中MRI（iMRI）技術(shù)憑借天然優(yōu)勢，于20世紀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引導手術(shù)。此后，iMRI憑借術(shù)中成像、及時糾正術(shù)中腦移位誤差、精準引導手術(shù)和穿刺操作等優(yōu)勢，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。

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

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、屏蔽不足導致的電子設(shè)備射頻噪聲等因素，會對iMRI圖像質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。持續(xù)改進iMRI成像性能、提高其對常規(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 三維打印引導手術(shù)

三維打印技術(shù)呈指數(shù)級發(fā)展，可將CT、MRI、三維超聲等醫(yī)學影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可手持的器官解剖模型，便于在手術(shù)中快速直觀識別、分析和操作。該方法可有效規(guī)劃和模擬手術(shù)流程、識別解剖標志、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)中導航，引導手術(shù)路徑、識別轉(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)劃和引導中的優(yōu)勢顯著，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)時間。

三維打印用于手術(shù)導航仍處于起步階段。盡管該技術(shù)可為手術(shù)模擬和術(shù)中導航設(shè)計提供技術(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打印引導肝臟手術(shù)

2.6 術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測

術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測（IONM）利用一系列神經(jīng)電生理技術(shù)，在復雜手術(shù)過程中監(jiān)測神經(jīng)系統(tǒng)完整性。隨著時間推移，IONM已成為臨床手術(shù)環(huán)節(jié)，旨在保護神經(jīng)功能、減少神經(jīng)損傷、改善手術(shù)預后?，F(xiàn)代醫(yī)學手術(shù)雖受益于各種成像模態(tài)，實現(xiàn)了解剖結(jié)構(gòu)精準可視化，但IONM從評估神經(jīng)系統(tǒng)功能的獨特視角，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)完整性的客觀評估。通過為外科醫(yī)生提供可靠的實時信息，IONM有助于手術(shù)更順利、更安全地進行。

1937年，彭菲爾德和博爾迪報道將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)用于頸動脈內(nèi)膜切除術(shù)（CEA）中腦缺血缺氧監(jiān)測。同期，脊髓監(jiān)測技術(shù)逐步發(fā)展，體感誘發(fā)電位（SEPs）成為顱腦和脊柱手術(shù)中感覺傳導通路功能的術(shù)中監(jiān)測技術(shù)。近年來，運動誘發(fā)電位（MEPs）的應(yīng)用進一步推動運動功能術(shù)中監(jiān)測發(fā)展，神經(jīng)系統(tǒng)術(shù)中電生理監(jiān)測體系。

整合多種神經(jīng)電生理監(jiān)測技術(shù)可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，相互驗證結(jié)果，實時評估神經(jīng)功能、引導手術(shù)操作，有助于降低術(shù)中及術(shù)后神經(jīng)并發(fā)癥風險，在保證患者安全的前提下，優(yōu)化病變切除精準度。

參考文獻

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