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数字化手术导航系统的原理与应用
张丽
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2010(031)001
【摘要】目的:研究美国Stryker Navsuite TM数字化手术导航系统的工作原理和关键技术.方法:手术导航系统应用智能追踪、虚拟现实、图像处理和系统配准等原理,构建患者三维虚拟解剖结构,实现术中的精确导航.结果:导航系统可以提供安全、精确和可靠的实时3D导航,辅助医生完成高难度的微创手术.结论:数字化手术导航系统作为最先进的创新性技术是数字化手术室的重要组成部分,对促进医院获得最大经济效益和社会效益有着重要的意义.
【总页数】3页(P110-111,117)
【作者】张丽
【作者单位】100035,北京,北京积水潭医院设备处
【正文语种】中文
【中图分类】TH772.2
【相关文献】
1.数字化心电信息系统原理与应用 [J], 董爱荣;李小华
2.数字化手术导航系统的应用及故障处理 [J], 唐文君
3.在脊柱侧弯矫形手术中辅助导航系统的工作原理及组成导航系统的临床应用 [J], 周柯新
4.视音频数字化的基本原理与应用 [J], 王刚
5.线扫描直接数字化X线摄影原理与应用 [J], 余厚军;于红林
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1、高精度手术导航的研究与应用绪论：传统的外科手术，无论是术前规划还是术中决定手术进程都依赖于医生的经验。
然而，术前对病灶部位没有准确的三维结构描述，术中仅能见到暴露于表面的区域，对体内手术操作存在较大风险。
从而传统外科手术往往会造成手术开口大，术后恢复时间长等问题。
随着数字图像处理、计算机视觉、网络通讯等技术飞速发展，形成了一个新的研究及临床应用热点：计算机辅助手术（Computer Aided Surgery, CAS）。
CAS 利用计算机技术模拟和指导手术所涉及的各个过程，包括术前规划，手术导航，辅助性治疗规划等。
CAS 相对于传统外科手术，有术前规划更准确，手术微创、快速、安全等优点。
手术导航系统（Surgical Navigation System，SNS）是CAS 的一个应用，它将病人术前影像数据和术中病人解剖结构准确对应，在术中为医生实时进行导航。
图1-1是手术导航系统的一个示意图，它包括手术器械、光学跟踪系统、图形工作站和显示设备。
手术导航系统的发展历程1881 年，Zernov 制成了脑测量仪并应用于临床，完成了人类最早的立体定向手术。
1908 年，Horsley 和Clarke 创建脑立体定向技术。
1947 年，瑞典科学家Leksell 设计的半弓形头架为脑立体定向外科的发展奠定了基础。
1979 年，Brown 发明了用定位框架与CT 扫描一起配准，用于神经系统非功能性疾病。
1986 年Robert 及其同事讨论的一种与CT 图像、显微镜相结合的无框架定向手术系统的观念一出现，就迅速激起了设计制造无框架定向手术的热潮。
此后，随着数字控制技术的应用，形成了一系列机械导航系统。
1986 年Roberts 首次报告使用声波数字化仪跟踪手术器械或显微镜的方法。
1991 年Kato 报告了电磁数字化仪的设计原理和临床应用，该系统主要由三维电磁数字化仪、三维磁源、磁场感应器和计算机工作站构成。
智能手术导航系统：提高手术安全性的新技术在现代医学的舞台上，智能手术导航系统如同一位经验丰富的航海家，为医生们提供了精准的航线指引。
这项新技术的出现，不仅提高了手术的安全性和准确性，还为患者带来了更加安心的治疗体验。
首先，让我们来了解一下智能手术导航系统的工作原理。
它通过高精度的传感器和先进的算法，实时捕捉手术器械的位置和运动轨迹，将数据传输到计算机系统中进行处理。
然后，系统会根据这些数据生成三维图像，帮助医生更好地了解手术区域的解剖结构和周围组织的情况。
这样，医生就能够在手术过程中做出更加精确的判断和决策，避免对正常组织的损伤。
智能手术导航系统的优势不言而喻。
它就像一位细心的守护者，时刻关注着手术过程中的每一个细节。
无论是复杂的神经外科手术还是精细的眼科手术，智能手术导航系统都能够提供强大的支持。
它能够减少手术风险，提高手术成功率，让患者更快地康复。
然而，我们也必须认识到智能手术导航系统并非万能的。
它仍然需要医生的专业知识和经验来进行操作和判断。
因此，在使用智能手术导航系统时，医生们需要保持警惕，不断学习和掌握新技术，以确保手术的安全和有效。
此外，智能手术导航系统的发展也面临着一些挑战。
例如，如何进一步提高系统的准确性和稳定性？如何降低系统的成本，使其更加普及和可及？这些问题都需要我们进行深入的思考和探索。
在未来的发展中，我们可以期待智能手术导航系统与人工智能、机器学习等技术的结合，进一步提升其智能化水平。
同时，我们也需要加强跨学科的合作和交流，共同推动智能手术导航系统的研究和应用。
总之，智能手术导航系统是一项具有巨大潜力的新技术。
它为医生们提供了有力的工具，帮助他们在手术中做出更加精确和安全的判断。
然而，我们也必须保持谦虚和谨慎的态度，不断完善和提升这一技术，以造福更多的患者。
⼿术导航:微创医学的利器2019-03-13项⽬负责⼈：宋志坚，1960年10⽉⽣，⼯学博⼠，教授，博⼠⽣导师。
现任复旦⼤学数字医学研究中⼼主任、上海市医学图像处理与计算机辅助⼿术重点实验室主任、教育部数字医学交叉学科研究⽣创新基地负责⼈。
兼任HUMAP特聘教授、纽约科学院会员、IEEE会员等职。
他长期从事医学图像处理与计算机辅助⼿术领域的科学研究与产品开发⼯作。
近5年来，作为课题负责⼈，先后主持并完成国家⾃然科学基⾦、教育部交叉学科研究⽣创新培养基⾦、上海市科委重⼤攻关项⽬、上海市经委产业化技术创新专项基⾦等⼀系列重要科研项⽬；并获得上海市科技进步奖、上海市技术成果转化创新精英奖、上海市优秀曙光学者奖、复旦⼤学研究⽣培养成果奖等重要奖项。
2008年，由复旦⼤学教授宋志坚主持的“⾼精度神经外科⼿术导航关键技术及其系统”获得⾼等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)技术发明⼆等奖，该项⽬实施中不仅解决了神经外科⼿术导航的关键技术，还成功开发出具有⾃主知识产权的国产⾼性能⼿术导航仪。
其成果如同数字医学领域⼀颗璀璨的新星，将为微创⼿术的发展奉献新的⼒量。
正确定位或许有⼈会问，什么是⼿术导航?其实，这已经不是⼀个深奥的概念。
所谓⼿术导航是指以病⼈⾃⾝的CT、MRI等影像学资料为数据源，通过建⽴虚拟现实空间，结合三维可视化技术使医⽣在⼿术前能够模拟⼿术中的关键步骤，并在此基础上，再借助光学定位仪。
在⼿术中实时跟踪⼿术器械相对脑组织和病变的位置关系，从⽽达到辅助医⽣进⾏⼿术操作的⽬的。
⼤量临床统计数据证明，⼿术导航可提⾼病灶切除率86.7％，降低⼿术并发症12.1％，减少死亡率0.8％，临床疗效显著。
如今，⼿术导航仪已经成为欧美发达国家神经外科⼿术的必备设备，⽽其主要技术也⼀直控制在欧美少数发达国家中。
由于尚未掌握⾼端⼿术导航关键技术，所以，我国⽬前的临床应⽤⼤都是进⼝产品。
尽管随着这些产品的引进，我国的医疗环境得到了⼤幅的改善，但其所带来的问题也不容忽视。
智能手术辅助和导航技术的研究与开发近几年来，随着科技的不断发展和进步，智能手术辅助和导航技术得到了广泛的应用和深入的研究。
智能手术辅助和导航技术是通过计算机和先进的软件技术来提供实时的图像和数据，以帮助医生在手术中更加精确和安全地操作，提高手术成功率和患者的治疗效果。
本文将详细介绍智能手术辅助和导航技术的研究和发展现状，以及未来的发展趋势和应用前景。
一、智能手术辅助技术的研究和发展现状在手术中，医生必须通过手术指导图像等信息进行操作。
智能手术辅助技术则能够向医生提供更加准确和详细的图像和数据，让医生能够更加精确地操作，从而增加手术的成功率和安全性。
目前，智能手术辅助技术的研究和发展主要集中在以下四个方面：1、三维成像技术。
三维成像技术能够提供更加准确和详细的手术区域图像信息，医生可以通过三维成像来了解手术范围和手术区域的血管和神经等关键组织结构，从而更好地评估手术难度和风险。
目前，三维成像技术已经在许多手术中得到应用，其应用范围还在不断扩大。
2、智能辅助手术器械技术。
智能辅助手术器械技术是指通过计算机与机械器械的互动，实现智能化的手术操作。
例如，在肝脏切除手术中，医生可以通过智能手术器械来实现肝脏自动分离和实时监测。
3、智能手术导航技术。
智能手术导航技术可以帮助医生更好地进行手术定位和手术路径规划，从而更好地掌握手术进展和手术难度等情况。
例如，在脑神经外科手术中，医生可以通过智能导航系统来辅助手术操作、实现最短路径手术和最小创伤手术。
4、手术机器人技术。
手术机器人技术已经成为智能手术的重要组成部分，其能够为医生提供更加精细和精确的手术操作。
手术机器人技术是通过对手术器械和手术区域进行数字化的操控，从而精确调节操纵器和手术器械。
二、智能手术导航技术的应用前景智能手术导航技术的应用前景非常广泛。
随着人们对于医疗健康需求的进一步增加，智能手术导航技术也将在未来得到更广泛的应用。
目前，智能手术导航技术主要应用在以下几个方面：1、神经外科手术。
复旦大学研发成功高精度神经外科手术导航系统
王镭
【期刊名称】《中小企业科技》
【年(卷),期】2006()5
【摘要】上海市科委“登山计划”课题《高精度神经外科手术导航系统》．已由复且大学数字医学研究中心研发成功．近日在华山医院等单位完成了临床试验。
据报道。
这套借助电脑的手术导航系统．让开颅手术的“命中率”更高。
以脑肿瘤切除手术为例，传统的开颅手术方式是先根据核磁共振、CT等影像学资料．判断肿瘤的确切部位．以此制订手术方案。
为确保准确性．
【总页数】1页(P43-43)
【关键词】神经外科手术;导航系统;研发成功;复旦大学;高精度;临床试验;研究中心;核磁共振;上海市;命中率
【作者】王镭
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】V249.32
【相关文献】
1.基于国产神经导航系统的微创神经外科手术集成解决方案研究 [J],
2.Excelim-04神经外科手术导航系统弥散张量成像和纤维束示踪技术的研发及临床应用 [J], 徐叔任;苏宗高;王满宁;李文生
3.复旦大学与上海交大研发新斩获高精度神外手术导航系统获技术发明奖 [J],
4.神经导航系统在神经外科手术中的护理配合 [J], 邓丽燕; 李家发; 罗洪城
5.神经导航系统在神经外科手术的应用及护理配合要点分析 [J], 温丽芳
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手术导航系统已成为当前最前沿的研究领域之一
手术导航系统是计算机技术、立体定向技术和图像处理技术结合发展的产物，现已适应微创外科的需要，广泛应用于神经外科、骨科、耳鼻喉科的手术应用。
手术导航系统发展到现在大概可分为三个阶段：(1) 框架机械立体定向仪：病人被局部麻醉后，把一个轻质的立体定向框架固定在病人头部，去做CT或M RI扫描，然后根据影像确定手术靶点的位置。
(2) 无框架机械臂定位系统：利用机械臂技术和计算机技术结合来定位。
机械臂上有许多关节，手术中依据计算机测量关节相对运动，模拟显示手术工具的运动进度。
但定位精度较差。
(3) 手术导航系统：超声波测量跟踪技术最早被采用，但超声波束的方向性差，易受干扰。
1. 手术导航成为国际研究的热点
以科学引文索引扩展版（Science Citation Index Expanded，SCI-E）数据库为数据源，以“(surgery or surgi*) and navigat*（手术导航）”为检索策略进行统计分析，发现上世纪末以来，“手术导航”论文稳步增长，说明全球对于手术导航的重视程度不断提升。
图 1 SCI-E数据库收录“手术导航”论文的年度增长情况
2 美国和德国处于领先地位，中国不断进步
从全球来看，德国和美国在手术导航的研究中处于领先地位。
一方面，德国是世界上最早发明手术导航系统的国家，另一方面，德国和美国也是器械工业最为发达的国家。
德国比较著名的医疗器械公司有：博医来公司（BrainLAB）、史赛克公司（Stryker）等，美国比较著名的医疗器械公司有：美敦力导航公司（Medtronic, Inc）、GE公司等。
图 2 2000-2009年SCI-E数据库收录“手术导航”论文的国家（地区）分布情况
从中国和美国、德国关系来看，德国的手术导航一直处于领先地位，但最近2年，美国略超于德国，但中国手术导航的发展还远远落后于他们，这也是国内许多手术导航产品来源于进口的主要原因，且国内进口的手术导航主要来自德国和美国，但中国的手术导航的研发正在逐渐的发展，这从最近几年有关手术导航的发文量可以看出。
国内的有几家公司的手术导航系统也已经上市，有深圳安科高技术股份有限公司、上海英迈吉东影图像设备有限公司、北京天智航医疗技术有限公司。
图3部分国家的“手术导航”论文发表数量情况。
