技术 | 手术机器人导航系统技术原理（三）

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  手术路径规划与模拟系统

根据患者病灶处的影像，医生结合病理学和解剖学知识和经验进行手术规划，包括手术方法、手术流程、手术切口和路径等，形成手术方案。使用传统二维断层图像，严重依赖医生经验判断病灶位置和评估手术风险，对手术的准确性和安全性存在一定制约。

通过三维模型重建，可为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积等信息，医生可任意旋转、剖切和测量三维模型，获得更多信息，作为手术规划的重要参考。

完成手术规划后，一方面，将手术方案输入计算机，在软件中建立虚拟手术环境并模拟手术过程，更精确的修正切除范围、切除路径、切口位置等。这样可预知手术的要点与难点、明确规避的血管与神经、评估术后的效果，提高手术的预见性，减少术中的探查时间，提高手术准确性。

另一方面，将手术规划输入人机交互的虚拟现实系统，医生通过操作杆控制虚拟环境中的手术器械，完成探查、切除和缝合等手术流程，可用于手术的训练与教学，对完善手术方案、降低失误率和提高安全性有重要意义。

（一）虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）

虚拟现实技术利用计算机生成一种模拟环境，是一种可使用户沉浸其中的交互式三维动态视景和行为系统仿真环境。通过患者的三维模型重建和虚拟手术环境，医生通过交互设备即可在虚拟环境中开展与实际手术非常接近的模拟手术，达到训练和教学目的。

瑞士巴塞尔大学（University of Basel）研发出的SpectoVive系统，可三维重建病灶模型，加快渲染速度以使VR佩戴者不会眩晕（至少180帧/秒，即单眼90帧/秒）。手术医生可在虚拟环境中直接观测实时3D影像，制定合理的手术方案。另外，该系统还可进行流体阴影渲染（例如血液和组织液），创建更逼真的环境。医生可在VR环境中随意放大和多角度查看骨骼模型，同时对比常规CT图像，制订手术计划。

（二）触觉（Haptic Feedback）

可在VR交互装置上安装触觉反馈，以模拟VR环境中手术器械触碰不同组织时的触感，例如对不同介质穿刺时所遇阻力不同，使模拟更准确，给使用者更逼真的感受。

英国的Fundamental VR公司在建立膝关节手术虚拟手术环境的基础上，通过操作杆为使用者提供触觉反馈。操作杆的末端装有一直触笔，移动触笔时虚拟场景中的注射器也随之移动，在针头触及肌肉、脂肪、骨膜、骨头和关节囊时，机械臂会为使用者带来不同的阻力。该系统可让医学生充分训练，减小实际操作时的风险。

（三）3D打印（3D Printing）

3D打印是快速成型技术的一种，以三维模型为基础，运用金属粉末或塑料通过逐层打印构造实体。以术前的三维重建模型为基础，采用3D打印可以将模型实物化，方便医生观察和讨论病情，方便与家属沟通治疗方案。例如，在人工髋关节置换术中，使用患者CT影像三维重建髋关节模型，并3D打印出实体。医生可在术中快速确定髋臼的定位和损伤，以及髋臼螺钉的入钉位置、角度、长度等，提高手术精确度和效率。

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