超聲導航及機器人系統在微創手術的應用研究進展

毛譯 張明博

基金項目：國家科學自然基金（82071924）

摘要：隨著現代醫療技術和儀器設備的不斷進步，微創手術（MIS）廣泛應用于臨床多個領域。超聲因具有實時、便攜、無輻射的優勢，可用于MIS術中影像引導，以保證手術的安全性和有效性。由于氣體和骨骼的遮擋，常規超聲無法清晰顯示人體某些組織結構，但超聲導航技術可以通過空間定位、三維重建、多模態融合等新技術彌補常規超聲的缺陷，實現實時、精準、無輻射的手術引導。借助超聲導航技術的優勢，機器人系統可以在超聲引導MIS中實現安全有效的微創操作。本文綜述了當前超聲導航及機器人系統在MIS中應用的研究進展和發展前景。

關鍵詞：超聲；導航；機器人；微創手術

中圖分類號： R445.1? 文獻標志碼： A? 文章編號：1000-503X（2023）05-0853-06

DOI：10.3881/j.issn.1000-503X.15401

Research Progress in the Application of Ultrasound-Guided Robot in Minimally Invasive Surgery

MAO Yi，ZHANG Mingbo

Department of Ultrasound，The First Medical Center of Chinese PLA General Hospital，Beijing 100853，China

Corresponding author：ZHANG Mingbo? Tel：010-66937394，E-mail：owsifanduizhe@126.com

ABSTRACT：With the continuous advances in modern medical technology and equipment，minimally invasive surgery （MIS） is widely applied in clinical practice.Ultrasound （US） as a real-time，portable，and radiation-free medical imaging method can be used for the intraoperative guidance in MIS to ensure safe and effective surgery.However，the physical characteristics of conventional US fail to display some tissue structures of the human body due to the existence of gas and bone.US-based navigation can make up for the deficiencies by advanced imaging technologies including spatial orientation，image reconstruction，and multi-modality image fusion，being real-time，accurate，and radiation-free.Therefore，US-guided robots can achieve safe，effective，and minimally invasive operation in MIS.This paper reviews the studies of US-guided robots in MIS and prospects the development of this field.

Key words：ultrasound；navigation；robot；minimally invasive surgery

Acta Acad Med Sin，2023，45（5）：853-858

微創手術（minimal invasive surgery，MIS）是現代外科手術的關鍵技術，與傳統開放手術相比，MIS具有創傷小、療效好、住院時間短、生活質量高等優勢［1］。超聲引導介入手術是MIS的重要組成部分，具有實時監測的功能，可在甲狀腺、乳腺、肝臟等器官實現穿刺活檢、消融治療、置管引流、藥物注射、手術通道建立等微創操作，提高了手術的安全性和有效性［2］。

由于超聲的物理特性，其成像受到骨骼、氣體、體表固定物、肥胖和瘢痕的影響，在脊柱、顱腦、肺等臨床專科的應用受到限制，超聲導航通過定位技術、三維影像重建、多模態融合等新型技術克服了常規超聲成像缺陷，拓展了MIS的應用范圍。此外，MIS因操作空間受限、精度要求高，會有人才培養成本高、醫生水平差異大等問題，具有高精度、高穩定性的手術機器人可以很好解決這些問題［3］。本文綜述了當前超聲導航及機器人系統在MIS中應用的研究進展和發展方向。

超聲導航

超聲導航系統主要包括空間定位、圖像重建、多模態融合成像等關鍵技術。空間定位技術賦予二維超聲圖像空間信息，是導航實現的基礎；圖像重建是指基于空間定位技術可將采集的二維超聲圖像進行三維重建，實現立體可視化；融合成像則借助其他影像學方法彌補超聲成像的盲區。基于上述技術的超聲導航系統可實現：（1）在導航視圖上投射術中穿刺針；（2）實時監測手術進程；（3）保證穿刺針精準到達目標病灶等。

定位技術? 定位技術的發展對于超聲導航十分關鍵，準確獲得目標靶點和手術器械的真實空間位置，才能實現精密控制。常見術中定位方式包括：機械定位、聲學定位、光學定位和電磁定位，后三者屬于徒手掃描方式，其中，光學定位和電磁定位在臨床應用中更為廣泛。

機械定位：又稱框架立體定向儀，驅動超聲探頭勻速掃描目標范圍，盡管成像效率高、精度高，但受限于設備體積和掃描方式，不適于臨床應用。Wang等［4］開發出了基于機械臂的掃描方式，掃描靈活度上升，超聲圖像重建精度為（0.759±0.296） mm，滿足臨床應用要求，但體積過大仍可能會限制其臨床應用。

聲學定位：通過接收器和發射器之間的聲波傳導，獲得手術器械的空間位置。由于聲學定位對環境要求嚴格、精度較差，目前臨床應用較少［5］。

光學定位：通過雙目或多目視覺原理，標定超聲探頭的空間位置，但操作時易發生光線遮擋［6］。Chan等［7］采用Optitrack Prime 13w運動捕捉相機可以使重建精度均值在0.4 mm和0.5°以內，滿足臨床應用的要求。

電磁定位：由發射器、傳感器和接收器構成，通過電勢差變化計算出超聲探頭的空間信息，具有便攜、高精度、強穿透性的優點。目前，電磁定位精度已經達到亞毫米級別。加拿大的Aurora電磁跟蹤系統重建精度達到（0.49±0.41） mm，滿足手術系統精度<2 mm和<5°的要求 ［8］。還有一種無線電磁跟蹤系統G4（美國），重建精度為1 mm和3°［9］。金屬器械的存在會干擾電磁定位的精確性，Paolucci等［10］研究顯示手術室環境對Aurora電磁跟蹤系統產生干擾，重建精度變化<1 mm，在一般MIS可接受的誤差范圍內，但電磁定位能否兼容機器人系統還需要進一步研究。

三維超聲重建? 相較于二維超聲成像僅能顯示某一切面信息，三維超聲成像提供的空間信息更有助于理解和識別病灶及其周圍結構的空間位置關系。三維超聲成像一般分為實時三維超聲和三維超聲重建：（1）實時三維超聲是采用矩陣排列探頭內光束自動轉向的原理采集三維圖像，常用于軟組織掃描，很適合指導涉及移動和形狀改變的內臟器官手術如腹部手術、胎兒手術，但掃描范圍有限 ［11］。（2）三維超聲重建通過對二維圖像的空間定位及重建，可以提供更大面積的三維影像，適用于脊柱、長骨、大血管等解剖結構識別，也可以用于路徑規劃和術中導航。

Ungi等［12］在三維超聲重建圖像的基礎上，可在不同切面下監測進針路徑，且穿刺時允許不攜帶超聲探頭，降低了穿刺難度，極大提高了穿刺精度和效率。

在骨科手術中，超聲仍然無法穿透骨骼對深部結構進行成像，但非實時三維超聲可以提供基于圖片到容積的骨表面三維圖像，準確識別骨骼形態及其周圍結構的空間位置。Chan等［7］開發了一種椎體三維超聲導航系統，重建精度為0.6 mm和1.9°，滿足常規脊柱微創外科所要求的<1 mm和<5°精度。Mahfouz等［13］通過統計變形模型優化超聲三維圖像，并與CT三維模型對比，得到的重建精度在股骨為（1.07±0.15） mm，在脛骨為（1.02±0.13） mm，均滿足手術所需距離精度閾值（2 mm）。目前重建精度的探討局限于模型或缺失軟組織覆蓋的動物骨骼，對三維重建精度的考察還缺少臨床證據。

在血管介入手術中，由于導管的柔性特質，二維視圖常缺乏對介入導管的完整感知，為獲得導管尖端和心血管結構的對應位置關系，避免錯誤施加應力，導致血管壁受損。Chen等［14-15］ 通過術前采集的三維導管模型數據，優化術中三維超聲模型，避免圖像噪聲的影響，使重建的導管形狀接近真實，可清楚識別導管尖端位置，在模型實驗中，直導管重建精度為1.02 mm，彎曲導管重建精度為1.62 mm，滿足臨床<2 mm和<5°的精度要求。但在活體豬實驗中，該系統重建精度為3.37 mm，誤差較大，還需要進一步研究實際條件下導致誤差的因素。Nisar等［16］生成的三維超聲血管與三維CT圖像相比重建精度相差（1.70±1.12） mm，達到臨床可以接受的范圍，但是重建過程非常耗時，需要不斷優化血管分割算法，以適應臨床應用。

在前列腺手術中，Beitone等［17］基于前列腺形態在圖像采集過程中穩定不變的特點，開發剛性配準算法（數據采集頻率5～15 Hz），可實現近似實時三維成像，實現前列腺精準穿刺活檢，提高癌癥檢出率。

多模態融合成像? 影像導航的常用方法除了超聲，還有X線、CT、MRI、PET/CT等，其成像更清晰，且不受氣體和骨骼的遮擋，對肥胖等特殊患者的包容性也更強。但是存在以下缺點：（1）可產生不可逆的輻射損傷［18］；（2）無法實時成像，術中導航時效性差；（3）設備體積大；（4）價格昂貴。多模態融合成像可集成多種成像技術優點，更好地呈現目標區域的組織結構特征，并發揮了超聲的實時、便攜、無輻射優勢。

超聲與CT的多模態融合：CT對骨骼結構有良好的可視化效果，是脊柱手術首選的影像方式。Gueziri等［19-20］開發的腰骶椎超聲-CT融合算法，配準精度可達1.42～1.58 mm，滿足臨床接受閾值2 mm。將超聲-CT融合外科導航系統應用于復雜高精度的椎弓根螺釘置入術，動物實驗結果顯示腰骶部置入成功率為92.9%，4例椎弓根破裂情況也在臨床能接受的長度范圍內［21］。Massone等［22］將超聲-CT融合技術首先應用于臨床，比較了超聲-CT融合引導和單純CT引導下關節突注射后的臨床參數，無明顯差異，但超聲-CT融合引導組患者滿意度更高。有研究表明，與傳統CT相比，超聲-CT融合導航下的脊柱病變骨活檢減少了手術時間和CT照射次數，具有更好臨床可行性和安全性［23］。

超聲與MRI的多模態融合：MRI具有良好的軟組織對比度，與超聲融合成像常用于前列腺、肝臟、顱腦等實質器官的腫瘤切除術中導航［24］。Iommi等［25］在前列腺模型中用經直腸三維超聲與術前MRI融合引導穿刺，配準精度為（1.81±0.31） mm，符合臨床應用要求。Yamada等［26］通過融合實時超聲圖像與靜態MRI，在牛肝上引導穿刺，穿刺精度為（1.6±0.6） mm，但配準時間過長（5.7 min）可能會影響融合技術臨床應用的可行性。Nitsch等［27］通過大腦分割后配準，將顱內導航配準精度從3.8 mm降低到2.2 mm，配準時間從40.5 s減少到18.8 s，說明分割后配準可以有效提高配準精度并縮短配準時間，但分割需要額外時間，是否可以與超聲重建同時執行以縮短總時長還有待研究。

超聲與PET/CT的多模態融合：PET/CT可以提供腫瘤代謝和淋巴結轉移信息，與超聲融合導航有利于識別腫瘤及其轉移灶。目前有關PET/CT和超聲融合成像的臨床應用主要集中于診斷時的介入操作，如肝臟、淋巴結和前列腺的活檢［28-29］。de Koekkoek-Doll等［30］在一項包含了96例頸淋巴結異常患者的研究中發現，融合成像引導下活檢可以增加惡性淋巴結的檢出正確率。Garganes等［31］探討了PET/CT與超聲融合導航對乳腺或婦科惡性腫瘤患者淺表淋巴結轉移識別的可行性，融合成像可以對兩種技術不一致的結果做出正確診斷，提高了穿刺活檢準確性，有利于后續對目標淋巴結的完全切除。

基于超聲導航的機器人系統應用

近年來，醫療機器人已經成為研究熱門領域。達芬奇機器人在臨床廣泛應用，這類機器人通過傳遞術者的動作，可在狹小空間實施復雜的外科手術，減少手術所需醫生數量以及避免醫生長時間站立產生的手術疲勞［32］。不同的是，超聲導航下機器人系統替代醫生的“眼”“腦”“手”，可輔助醫生實現病灶的自動識別、路徑規劃及精準穿刺，隨著超聲導航技術的發展，還可不斷擴寬其應用場景。

腹部? 超聲導航機器人系統在腹部MIS中的應用主要集中于肝臟、腎臟、前列腺等部位腫瘤的穿刺活檢及消融治療［33-34］。Yamada等［26］ 開發了一種在超聲-MRI融合導航下的持針機械臂，可取代手持導針器以提供更準確的定位，在牛肝和模型上獲得的穿刺精度為（1.6±0.6） mm，但該機械臂無法完成大角度穿刺，甚至阻礙醫生臨床上的常規操作，因此機器人操作臂的靈活度嚴重限制該技術在臨床上的應用。Daunizeau等［35］利用三維超聲導航和高強度聚焦超聲，在豬肝模擬腫瘤上進行機器人輔助肝消融試驗。機器人會根據腫瘤三維信息規劃高強度聚焦超聲治療方案，經人工分割修正后，在機械臂（7軸）的控制下，操作高強度聚焦超聲導管最終完成消融計劃，消融速率為0.3～0.4 cm3/min。腫瘤深度限制該技術的應用，且當靶距離≥25 mm會出現部分腫瘤未消融的情況，這影響該技術的適用范圍。Wang等［4］設計了一種雙臂超聲機器人系統，其中一個機械臂控制超聲探頭，用于路徑規劃和監測，另一只機械臂根據計劃路徑自動穿刺，這種雙臂設計提高了導航系統和機械臂之間的校準精度，得到配準精度為0.31 mm，加大臨床應用的可行性。Lim等［36］開發了一個機器人輔助經直腸超聲引導前列腺活檢系統，可以對腺體施加最小的壓力，從而在亞毫米級別的前列腺變形情況下完成操作。

骨科? 骨科機器人輔助手術大多數是在X線或CT引導下實施的，輻射暴露成為骨科醫生最關心的問題，因此超聲導航機器人系統在骨科MIS中具有重要的應用價值［37］。Zettinig等［38］研發了一種用于腰椎穿刺的機器人系統，將超聲探頭和穿刺針固定在機械臂上，以獲得術中超聲圖像與穿刺針的實時空間位置，該技術可補償25 mm/s的運動偏移，導航精度優于常規方法。目前骨科手術中超聲導航機器人系統的研發及應用尚處于起步階段，還有待進一步研究。

總結和展望

影像導航系統是機器人輔助MIS的眼睛。隨著醫學影像技術的發展，未來在超聲導航下醫用機器人進行MIS的應用可在如下幾個方面深入發展：（1）不斷優化配準算法，以減少配準和操作時間，可提升導航系統對術中呼吸或組織變形的補償能力。（2）增加機械臂自由度，配置小型化組件設備等，可減小醫用機器人系統體積，提升操作的靈活性。（3）人工智能技術高速發展，更高級的交互算法，可實現人-機觸覺反饋，增強現實成像技術等可還原真實的操作環境，這樣就改善了術者與目標區域的觸覺、視覺分離的問題，并一同解決手眼協調的問題［39-41］。（4）逐步開展大樣本臨床研究，提高手術的安全性、有效性，進一步完善產品并降低成本，提升推廣應用價值。（5）不斷深入研究超聲導航術前規劃和術后評估應用，超聲導航未來有望替代X線、CT和MRI在一些專科領域的診斷價值。

綜上，隨著醫學影像技術和人工智能的發展，超聲影像導航及機器人系統有更廣闊的發展空間，可為MIS實現精準治療提供保障，并縮短醫生的學習和培養周期。相信未來超聲影像導航及機器人系統的應用將會大大促進MIS精細化、個體化的發展，造福于廣大患者。

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（收稿日期：2022-11-23）