本文要点：手术导航是一门快速发展的多学科系统，在精准医学中发挥着至关重要的作用。手术导航系统通过提高切除精度、减少创伤性并改善患者预后，极大地促进了现代外科的发展。然而，临床医生、工程师以及其他领域的专业人员通常从各自的角度看待这一领域，这往往会导致片面的观点。本文旨在全面综述手术导航系统的最新进展，并根据其独特特性和应用进行分类。系统分析了成熟技术（如X线摄影、术中计算机断层扫描[CT]、磁共振成像[MRI]和超声）以及新兴技术（如光声成像和近红外[NIR]-II成像），重点介绍了其基本机制、使用方法以及各自的优缺点。尽管取得了重大进展，但现有的导航系统面临诸多挑战，包括精度有限、成本高昂以及对外科医生的大量培训要求。解决这些局限性对于这些技术的广泛应用至关重要。本综述强调了开发更智能、微创、精准、个性化和无辐射导航解决方案的必要性。通过整合先进成像模态、机器学习算法和实时反馈机制，下一代手术导航系统可进一步提高手术精度和患者安全性。通过弥合临床实践与工程创新之间的知识鸿沟，本综述不仅为寻求最佳导航策略的外科医生提供了宝贵见解，也让工程师对临床应用场景有了更深入的理解。

1. 引言

手术是对抗人类疾病（包括癌症、创伤和畸形）的重要治疗手段。在传统手术中，外科医生主要依靠视觉和触觉方式感知不同组织。然而，视觉方式主要受人体组织中极小色差和严重散射的影响。在手术过程中，外科医生的主要目标是识别病变组织并避免损伤重要正常器官。然而，病变组织与正常组织之间的色差可能微乎其微。因此，外科医生无法轻易通过肉眼区分这两种组织。病变组织也可能嵌入正常组织中，难以直接观察。此外，确定植入物的位置以确保植入物或异物的存在是临床实践中的另一项迫切需求。同时，随着腹腔镜手术和机器人手术的发展，触觉正在逐渐丧失。手术导航系统正是为满足这一需求而建立。手术导航技术的要求大致可分为三类：追踪病变组织、区分正常组织和定位植入物。

随着对解剖学认识的提高和新型手术技术的发展，手术已从依赖经验主义转向更精确的方法。精准手术的概念由董家鸿于2013年提出。这一概念强调手术中的三个重要问题：最大限度切除所有病变组织、最大限度保留正常组织和损伤控制。为解决这些问题，已开发出各种手术导航系统。在这方面，科学家、工程师和外科医生应共同努力发展手术导航领域并改善患者预后。对于更精确、更复杂的导航系统，必须满足更高的要求。手术导航的基本目标是解决病变组织与正常组织之间高度相似色差以及空间定位带来的挑战。

手术导航技术是一门融合医学、光学、计算机技术、机器人技术、空间定位技术、虚拟现实（VR）交互和定制制造等领域的多学科系统。根据检测方法，导航技术大致可分为三类：光学导航技术、非光电磁技术和其他技术。光学技术包括荧光成像、光声成像（PAI）和拉曼光谱（RS）。这些技术可在手术过程中提供实时、高分辨率图像，是手术中的主流技术。然而，这些技术的主要局限性是穿透深度有限。非光电磁技术包括X线摄影、计算机断层扫描（CT）和放射性核素成像，可补充光学技术。但这些方法通常在远离手术区域的显示屏上生成静态图像。第三类即其他技术，包括不基于电磁波的方法，如术中超声、磁共振成像（MRI）、三维（3D）打印技术和基于VR的技术。

术中导航技术的发展已有80多年历史。常用的术中医学影像导航技术包括X线摄影、CT、MRI和超声，这些技术已在临床安全使用数十年。通过显示实时图像，突出解剖组织，为外科医生提供更清晰的手术视野。越来越多的手术导航技术正逐步引入以促进手术过程。这些技术使解剖结构透明化，为外科医生提供一副“透视眼镜”以区分不同组织。此外，术中实时引导是手术导航系统的重要方面。基于这一方面，手术导航技术可分为实时技术和非实时技术。典型的实时技术包括荧光成像和放射性核素成像，而典型的非实时技术包括术中CT、术中MRI和X线摄影。手术模式正从“盲视手术”向“实时可视化手术”转变。

本研究旨在全面综述当前临床手术导航中使用的术中技术及其未来前景。主要专注于提高手术技术的外科医生往往缺乏工程方法学知识。值得注意的是，目前尚无综述为外科医生提供导航领域的整体视图。因此，本研究将帮助外科医生在临床实践中识别并应用合适的导航技术。相反，专注于推进技术研究的工程师往往缺乏对临床应用场景的全面了解。因此，本综述可为工程师提供重要参考，提供宝贵的医学视角。通过综合各种临床场景和技术细节，本综述旨在促进跨学科合作，最终推动临床手术精度的提高。

图1. 外科导航技术临床应用概述。蓝色框中的技术代表非实时手术导航技术，而橙色框中的技术代表实时手术导航技术

图2. 列出了图1中首次临床使用外科导航技术的时间线

2. 非实时手术导航技术

2.1 术中X线成像

X射线的发明是医学史上的里程碑。基于X射线光子在化学成分不同的组织（如富钙骨骼和富碳软组织）中的不同吸收，可生成人体二维图像，显示正常组织和病变。术中X线技术因其操作方便、可反复拍摄、清晰显示骨骼和植入物（椎弓根螺钉、钢板等）位置、展示解剖稳定性等优势，长期广泛应用于骨科手术。例如，在骶尾部畸胎瘤切除术中，术中盆腔X线用于确定边界并确保完整切除尾骨，以降低复发风险。该技术还用于髋臼手术中，实现骨折复位和精准螺钉置入，以减少再次手术风险。

然而，术中使用X线存在一些问题。首先，术中使用X线可能带来严重的职业辐射暴露风险，尤其是与连续透视相比。其次，C型臂尽管通常套有无菌保护套，但在反复移动过程中可能成为潜在污染源。此外，X线只能显示单一平面的二维图像。因此，笨重的C型臂必须频繁重新定位以获取不同角度的影像。

2.2 术中超声

术中超声（IOUS）自约40年前引入以来，已逐步成为各种外科领域不可或缺的工具。超声探头频率高、体积小，可直接放置于器官表面进行检测。这克服了体外超声的局限性，提高了分辨率和扫描范围，从而提高了微小病变的检出率。IOUS具有实时、方便、灵活、安全、无创、定位精准、成本低廉、可反复检查等优势，受到越来越多外科医生的关注。由于应用广泛，IOUS在许多手术过程中发挥了重要作用。

研究表明，IOUS引导下肝细胞癌切除术，既能保证切缘阴性，又能保留肿瘤周围重要管道（胆管和血管），从而减少肝切除范围。此外，IOUS可提高病变检出率，提高诊断和治疗的准确性。在神经外科中，IOUS技术在精准识别和界定颅内肿瘤边界方面发挥关键作用。这种方法可实时监测手术过程，引导外科医生高效、精准地切除病变，实现肿瘤最大化切除和脑组织最小化损伤。

由于超声检查为接触式，肿瘤切除和超声检查无法同时进行。随着技术进步，已开发出一种将术前影像数据与术中超声进行配准融合的临床策略。通过三维重建和手术路径引导，可精准治疗乳腺癌、肝癌、神经系统疾病和骨科疾病等多种疾病。随着超声弹性成像、三维可视化、超声造影等技术的进一步改进，IOUS有望实现更高的定位精度，应用前景广阔。

2.3 术中计算机断层扫描

与X线成像相比，术中CT（iCT）具有组织分辨率高、三维成像能力的优势。患者可在手术室中完成CT成像检查，避免多次转运造成的损伤，大幅缩短治疗时间窗，提高手术治疗精度。通过CT工作站与导航系统基于医学数字成像和通信（DICOM）标准的兼容连接，术中获取的CT图像数据可立即传输至导航系统，用于引导手术。

iCT技术于20世纪80年代初引入现代神经外科和脊柱外科。随着O型臂及各种软硬件的发展，iCT图像质量大幅提升，广泛应用于多种常规手术。例如，iCT（O型臂手术成像系统）联合导航系统成像引导，可提高脊柱内固定物（椎弓根螺钉等）置入精度，有效引导因肿瘤生长和骨骼异常发育导致的复杂骨解剖结构手术。在神经外科中，iCT用于复杂脑肿瘤切除的神经导航，以及脑血管疾病的术中血管造影。

2.4 术中磁共振成像

由于iCT存在潜在辐射损伤、软组织对比度差等局限性，术中MRI（iMRI）技术凭借天然优势，于20世纪90年代成为术中成像的关键发展方向。1995年6月，布莱根医院神经外科完成首例iMRI引导手术。此后，iMRI凭借术中成像、及时纠正术中脑移位误差、精准引导手术和穿刺操作等优势，广泛应用于颅内占位性病变切除、功能性神经外科、定向穿刺活检等领域。

一项针对116例iMRI、肉眼观察、5‑氨基乙酰乙酸染色引导下胶质瘤切除术的队列研究显示，iMRI引导手术可显著提高肿瘤完整切除率，从而改善患者预后、延长生存期。此外，iMRI引导下侵袭性垂体瘤切除术，可降低视神经、颈内动脉等重要结构损伤风险，大幅减少术后并发症发生率。基于iMRI的神经功能导航技术也已建立，可辅助外科医生最大化切除邻近重要脑语言区或神经传导束的肿瘤，减少神经损伤，促进术后神经功能恢复。

然而，该技术仍存在一定局限性。首先，所有拟在MRI环境中使用的手术器械（包括呼吸麻醉设备和监护仪器）均需为“MRI安全”医疗设备，需要专用手术室。iMRI设备及手术室兼容设备成本高昂。此外，手术操作、屏蔽不足导致的电子设备射频噪声等因素，会对iMRI图像质量产生负面影响。持续改进iMRI成像性能、提高其对常规手术环境的适应性，是解决这些局限性的关键。

2.5 三维打印引导手术

三维打印技术呈指数级发展，可将CT、MRI、三维超声等医学影像数据转换为可手持的器官解剖模型，便于在手术中快速直观识别、分析和操作。该方法可有效规划和模拟手术流程、识别解剖标志、观察癌症患者血管及重要脏器潜在侵犯情况，已广泛应用于骨科、耳鼻喉科、普外科、胸外科等多种手术。

在复杂肝脏手术（如门静脉侵犯或多发转移肝癌切除术）中，三维打印技术可辅助术中导航，引导手术路径、识别转移灶、优化切除方案。三维打印模型在骨科手术术中路径规划和引导中的优势显著，尤其适用于畸形矫正、骨折固定等领域。此外，三维打印技术常用于耳鼻喉科及头颈外科手术，可将鼻窦、颅底复杂三维解剖结构转化为可视化模型，使手术更直观便捷，大幅缩短手术时间。

三维打印用于手术导航仍处于起步阶段。尽管该技术可为手术模拟和术中导航设计提供技术支持，但其临床应用存在技术要求高、软硬件成本高等局限性，限制了其在医院的广泛应用（图3）。

图3. 3D打印引导肝脏手术

2.6 术中神经电生理监测

术中神经电生理监测（IONM）利用一系列神经电生理技术，在复杂手术过程中监测神经系统完整性。随着时间推移，IONM已成为临床手术不可或缺的环节，旨在保护神经功能、减少神经损伤、改善手术预后。现代医学手术虽受益于各种成像模态，实现了解剖结构精准可视化，但IONM从评估神经系统功能的独特视角，为神经外科、骨科、头颈外科等多领域手术提供了神经系统完整性的客观评估。通过为外科医生提供可靠的实时信息，IONM有助于手术更顺利、更安全地进行。

1937年，彭菲尔德和博尔迪首次报道将IONM用于癫痫患者致痫灶切除术。此后，IONM零星应用于神经外科。直至1970年代，IONM常规用于颈动脉内膜切除术（CEA）中脑缺血缺氧监测。同期，脊髓监测技术逐步发展，体感诱发电位（SEPs）成为颅脑和脊柱手术中感觉传导通路功能的术中监测技术。近年来，运动诱发电位（MEPs）的应用进一步推动运动功能术中监测发展，完善神经系统术中电生理监测体系。

整合多种神经电生理监测技术可产生协同效应，相互验证结果，实时评估神经功能、引导手术操作，有助于降低术中及术后神经并发症风险，在保证患者安全的前提下，优化病变切除精准度与彻底性。

参考文献

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

原文链接

https://doi.org/10.1002/advs.202509294

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