超声导航及机器人系统在微创手术的应用研究进展

毛译 张明博

基金项目：国家科学自然基金（82071924）

摘要：随着现代医疗技术和仪器设备的不断进步，微创手术（MIS）广泛应用于临床多个领域。超声因具有实时、便携、无辐射的优势，可用于MIS术中影像引导，以保证手术的安全性和有效性。由于气体和骨骼的遮挡，常规超声无法清晰显示人体某些组织结构，但超声导航技术可以通过空间定位、三维重建、多模态融合等新技术弥补常规超声的缺陷，实现实时、精准、无辐射的手术引导。借助超声导航技术的优势，机器人系统可以在超声引导MIS中实现安全有效的微创操作。本文综述了当前超声导航及机器人系统在MIS中应用的研究进展和发展前景。

关键词：超声；导航；机器人；微创手术

中图分类号： R445.1  文献标志码： A  文章编号：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

微创手术（minimal invasive surgery，MIS）是现代外科手术的关键技术，与传统开放手术相比，MIS具有创伤小、疗效好、住院时间短、生活质量高等优势［1］。超声引导介入手术是MIS的重要組成部分，具有实时监测的功能，可在甲状腺、乳腺、肝脏等器官实现穿刺活检、消融治疗、置管引流、药物注射、手术通道建立等微创操作，提高了手术的安全性和有效性［2］。

由于超声的物理特性，其成像受到骨骼、气体、体表固定物、肥胖和瘢痕的影响，在脊柱、颅脑、肺等临床专科的应用受到限制，超声导航通过定位技术、三维影像重建、多模态融合等新型技术克服了常规超声成像缺陷，拓展了MIS的应用范围。此外，MIS因操作空间受限、精度要求高，会有人才培养成本高、医生水平差异大等问题，具有高精度、高稳定性的手术机器人可以很好解决这些问题［3］。本文综述了当前超声导航及机器人系统在MIS中应用的研究进展和发展方向。

超声导航

超声导航系统主要包括空间定位、图像重建、多模态融合成像等关键技术。空间定位技术赋予二维超声图像空间信息，是导航实现的基础；图像重建是指基于空间定位技术可将采集的二维超声图像进行三维重建，实现立体可视化；融合成像则借助其他影像学方法弥补超声成像的盲区。基于上述技术的超声导航系统可实现：（1）在导航视图上投射术中穿刺针；（2）实时监测手术进程；（3）保证穿刺针精准到达目标病灶等。

定位技术  定位技术的发展对于超声导航十分关键，准确获得目标靶点和手术器械的真实空间位置，才能实现精密控制。常见术中定位方式包括：机械定位、声学定位、光学定位和电磁定位，后三者属于徒手扫描方式，其中，光学定位和电磁定位在临床应用中更为广泛。

机械定位：又称框架立体定向仪，驱动超声探头匀速扫描目标范围，尽管成像效率高、精度高，但受限于设备体积和扫描方式，不适于临床应用。Wang等［4］开发出了基于机械臂的扫描方式，扫描灵活度上升，超声图像重建精度为（0.759±0.296） mm，满足临床应用要求，但体积过大仍可能会限制其临床应用。

声学定位：通过接收器和发射器之间的声波传导，获得手术器械的空间位置。由于声学定位对环境要求严格、精度较差，目前临床应用较少［5］。

光学定位：通过双目或多目视觉原理，标定超声探头的空间位置，但操作时易发生光线遮挡［6］。Chan等［7］采用Optitrack Prime 13w运动捕捉相机可以使重建精度均值在0.4 mm和0.5°以内，满足临床应用的要求。

电磁定位：由发射器、传感器和接收器构成，通过电势差变化计算出超声探头的空间信息，具有便携、高精度、强穿透性的优点。目前，电磁定位精度已经达到亚毫米级别。加拿大的Aurora电磁跟踪系统重建精度达到（0.49±0.41） mm，满足手术系统精度<2 mm和<5°的要求 ［8］。还有一种无线电磁跟踪系统G4（美国），重建精度为1 mm和3°［9］。金属器械的存在会干扰电磁定位的精确性，Paolucci等［10］研究显示手术室环境对Aurora电磁跟踪系统产生干扰，重建精度变化<1 mm，在一般MIS可接受的误差范围内，但电磁定位能否兼容机器人系统还需要进一步研究。

三维超声重建  相较于二维超声成像仅能显示某一切面信息，三维超声成像提供的空间信息更有助于理解和识别病灶及其周围结构的空间位置关系。三维超声成像一般分为实时三维超声和三维超声重建：（1）实时三维超声是采用矩阵排列探头内光束自动转向的原理采集三维图像，常用于软组织扫描，很适合指导涉及移动和形状改变的内脏器官手术如腹部手术、胎儿手术，但扫描范围有限 ［11］。（2）三维超声重建通过对二维图像的空间定位及重建，可以提供更大面积的三维影像，适用于脊柱、长骨、大血管等解剖结构识别，也可以用于路径规划和术中导航。

Ungi等［12］在三维超声重建图像的基础上，可在不同切面下监测进针路径，且穿刺时允许不携带超声探头，降低了穿刺难度，极大提高了穿刺精度和效率。

在骨科手术中，超声仍然无法穿透骨骼对深部结构进行成像，但非實时三维超声可以提供基于图片到容积的骨表面三维图像，准确识别骨骼形态及其周围结构的空间位置。Chan等［7］开发了一种椎体三维超声导航系统，重建精度为0.6 mm和1.9°，满足常规脊柱微创外科所要求的<1 mm和<5°精度。Mahfouz等［13］通过统计变形模型优化超声三维图像，并与CT三维模型对比，得到的重建精度在股骨为（1.07±0.15） mm，在胫骨为（1.02±0.13） mm，均满足手术所需距离精度阈值（2 mm）。目前重建精度的探讨局限于模型或缺失软组织覆盖的动物骨骼，对三维重建精度的考察还缺少临床证据。

在血管介入手术中，由于导管的柔性特质，二维视图常缺乏对介入导管的完整感知，为获得导管尖端和心血管结构的对应位置关系，避免错误施加应力，导致血管壁受损。Chen等［14-15］ 通过术前采集的三维导管模型数据，优化术中三维超声模型，避免图像噪声的影响，使重建的导管形状接近真实，可清楚识别导管尖端位置，在模型实验中，直导管重建精度为1.02 mm，弯曲导管重建精度为1.62 mm，满足临床<2 mm和<5°的精度要求。但在活体猪实验中，该系统重建精度为3.37 mm，误差较大，还需要进一步研究实际条件下导致误差的因素。Nisar等［16］生成的三维超声血管与三维CT图像相比重建精度相差（1.70±1.12） mm，达到临床可以接受的范围，但是重建过程非常耗时，需要不断优化血管分割算法，以适应临床应用。

在前列腺手术中，Beitone等［17］基于前列腺形态在图像采集过程中稳定不变的特点，开发刚性配准算法（数据采集频率5～15 Hz），可实现近似实时三维成像，实现前列腺精准穿刺活检，提高癌症检出率。

多模态融合成像  影像导航的常用方法除了超声，还有X线、CT、MRI、PET/CT等，其成像更清晰，且不受气体和骨骼的遮挡，对肥胖等特殊患者的包容性也更强。但是存在以下缺点：（1）可产生不可逆的辐射损伤［18］；（2）无法实时成像，术中导航时效性差；（3）设备体积大；（4）价格昂贵。多模态融合成像可集成多种成像技术优点，更好地呈现目标区域的组织结构特征，并发挥了超声的实时、便携、无辐射优势。

超声与CT的多模态融合：CT对骨骼结构有良好的可视化效果，是脊柱手术首选的影像方式。Gueziri等［19-20］开发的腰骶椎超声-CT融合算法，配准精度可达1.42～1.58 mm，满足临床接受阈值2 mm。将超声-CT融合外科导航系统应用于复杂高精度的椎弓根螺钉置入术，动物实验结果显示腰骶部置入成功率为92.9%，4例椎弓根破裂情况也在临床能接受的长度范围内［21］。Massone等［22］将超声-CT融合技术首先应用于临床，比较了超声-CT融合引导和单纯CT引导下关节突注射后的临床参数，无明显差异，但超声-CT融合引导组患者满意度更高。有研究表明，与传统CT相比，超声-CT融合导航下的脊柱病变骨活检减少了手术时间和CT照射次数，具有更好临床可行性和安全性［23］。

超声与MRI的多模态融合：MRI具有良好的软组织对比度，与超声融合成像常用于前列腺、肝脏、颅脑等实质器官的肿瘤切除术中导航［24］。Iommi等［25］在前列腺模型中用经直肠三维超声与术前MRI融合引导穿刺，配准精度为（1.81±0.31） mm，符合临床应用要求。Yamada等［26］通过融合实时超声图像与静态MRI，在牛肝上引导穿刺，穿刺精度为（1.6±0.6） mm，但配准时间过长（5.7 min）可能会影响融合技术临床应用的可行性。Nitsch等［27］通过大脑分割后配准，将颅内导航配准精度从3.8 mm降低到2.2 mm，配准时间从40.5 s减少到18.8 s，说明分割后配准可以有效提高配准精度并缩短配准时间，但分割需要额外时间，是否可以与超声重建同时执行以缩短总时长还有待研究。

超声与PET/CT的多模态融合：PET/CT可以提供肿瘤代谢和淋巴结转移信息，与超声融合导航有利于识别肿瘤及其转移灶。目前有关PET/CT和超声融合成像的临床应用主要集中于诊断时的介入操作，如肝脏、淋巴结和前列腺的活检［28-29］。de Koekkoek-Doll等［30］在一项包含了96例颈淋巴结异常患者的研究中发现，融合成像引导下活检可以增加恶性淋巴结的检出正确率。Garganes等［31］探讨了PET/CT与超声融合导航对乳腺或妇科恶性肿瘤患者浅表淋巴结转移识别的可行性，融合成像可以对两种技术不一致的结果做出正确诊断，提高了穿刺活检准确性，有利于后续对目标淋巴结的完全切除。

基于超声导航的机器人系统应用

近年来，医疗机器人已经成为研究热门领域。达芬奇机器人在临床广泛应用，这类机器人通过传递术者的动作，可在狭小空间实施复杂的外科手术，减少手术所需医生数量以及避免医生长时间站立产生的手术疲劳［32］。不同的是，超声导航下机器人系统替代医生的“眼”“脑”“手”，可辅助医生实现病灶的自动识别、路径规划及精准穿刺，随着超声导航技术的发展，还可不断扩宽其应用场景。

腹部  超声导航机器人系统在腹部MIS中的应用主要集中于肝脏、肾脏、前列腺等部位肿瘤的穿刺活检及消融治疗［33-34］。Yamada等［26］ 开发了一种在超声-MRI融合导航下的持针机械臂，可取代手持导针器以提供更准确的定位，在牛肝和模型上获得的穿刺精度为（1.6±0.6） mm，但该机械臂无法完成大角度穿刺，甚至阻碍医生临床上的常规操作，因此机器人操作臂的灵活度严重限制该技术在临床上的应用。Daunizeau等［35］利用三维超声导航和高强度聚焦超声，在猪肝模拟肿瘤上进行机器人辅助肝消融试验。机器人会根据肿瘤三维信息规划高强度聚焦超声治疗方案，经人工分割修正后，在机械臂（7轴）的控制下，操作高强度聚焦超声导管最终完成消融计划，消融速率为0.3～0.4 cm3/min。肿瘤深度限制该技术的应用，且当靶距离≥25 mm会出现部分肿瘤未消融的情况，这影响该技术的适用范围。Wang等［4］设计了一种双臂超声机器人系统，其中一个机械臂控制超声探头，用于路径规划和监测，另一只机械臂根据计划路径自动穿刺，这种双臂设计提高了导航系统和机械臂之间的校准精度，得到配准精度为0.31 mm，加大临床应用的可行性。Lim等［36］开发了一个机器人辅助经直肠超声引导前列腺活检系统，可以对腺体施加最小的压力，从而在亚毫米级别的前列腺变形情况下完成操作。

骨科  骨科机器人辅助手术大多数是在X线或CT引导下实施的，辐射暴露成为骨科医生最关心的问题，因此超声导航机器人系统在骨科MIS中具有重要的应用价值［37］。Zettinig等［38］研发了一种用于腰椎穿刺的机器人系统，将超声探头和穿刺针固定在机械臂上，以获得术中超声图像与穿刺针的实时空间位置，该技术可补偿25 mm/s的运动偏移，导航精度优于常规方法。目前骨科手术中超声导航机器人系统的研发及应用尚处于起步阶段，还有待进一步研究。

总结和展望

影像导航系统是机器人辅助MIS的眼睛。随着医学影像技术的发展，未来在超声导航下医用机器人进行MIS的應用可在如下几个方面深入发展：（1）不断优化配准算法，以减少配准和操作时间，可提升导航系统对术中呼吸或组织变形的补偿能力。（2）增加机械臂自由度，配置小型化组件设备等，可减小医用机器人系统体积，提升操作的灵活性。（3）人工智能技术高速发展，更高级的交互算法，可实现人-机触觉反馈，增强现实成像技术等可还原真实的操作环境，这样就改善了术者与目标区域的触觉、视觉分离的问题，并一同解决手眼协调的问题［39-41］。（4）逐步开展大样本临床研究，提高手术的安全性、有效性，进一步完善产品并降低成本，提升推广应用价值。（5）不断深入研究超声导航术前规划和术后评估应用，超声导航未来有望替代X线、CT和MRI在一些专科领域的诊断价值。

综上，随着医学影像技术和人工智能的发展，超声影像导航及机器人系统有更广阔的发展空间，可为MIS实现精准治疗提供保障，并缩短医生的学习和培养周期。相信未来超声影像导航及机器人系统的应用将会大大促进MIS精细化、个体化的发展，造福于广大患者。

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（收稿日期：2022-11-23）