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。

3.1 发色团导航

部分含不饱和键基团的有机化合物分子（称为发色团），可选择性吸收紫外‑可见光区（200–800 nm）特定波长光线，使物质呈现独特颜色。这类化合物（包括亚甲蓝、异硫蓝、靛胭脂、龙胆紫）具有特定颜色，术中可辅助外科医生肉眼识别病变位置，实现精准切除。

亚甲蓝因价格低廉、扩散迅速、分子量小、生物安全性高、术中操作简便、无需特殊设备等优势，广泛用作手术发色团染料。在原发性甲状旁腺功能亢进手术中，术中亚甲蓝灌注（IMBI）可区分正常腺体与增生腺体、定位异位腺体，大幅缩短双侧颈部探查时间，提高手术精准度。有病例报告显示，术中亚甲蓝导航可成功诊断不明原因消化道出血并实施肠段切除术。此外，亚甲蓝最常用于术中淋巴结示踪，如乳腺癌、胃癌、结直肠癌、子宫内膜癌的前哨淋巴结活检（SLNB）与定位。

然而，发色团染料导航存在局限性：异硫蓝可引发人体过敏反应，通常表现为头晕、恶心，严重时可导致过敏性休克；相比之下，亚甲蓝相对安全。此外，这类染料易在组织中扩散，不利于病变精准识别，易导致假阳性结果。以亚甲蓝为示踪剂时，前哨淋巴结（SLNs）检出率仅60%–70%，需进一步优化以提高精准度。

3.2 磁导航

磁导航系统（MNS）最常用于神经外科，被誉为“大脑GPS”，为外科医生提供疾病治疗的“捷径”。MNS的基本工作流程与原理如下：首先，术前采集影像信息，通过三维重建拟合导航系统；术中利用磁导航探头指向手术部位，导航屏幕实时显示探头与人体结构的三维映射关系。该功能可帮助外科医生清晰判断病变与周围重要结构的毗邻关系、规划手术路径。通过建立局部磁场并转化为三维空间坐标，MNS显著提高手术精准度与安全性。

随着磁导航技术发展，临床应用逐步扩展至支气管镜、脊柱骨科、神经外科等领域。多项临床试验证实，MNS在神经外科颅内肿瘤（尤其边界不清的大型胶质瘤）切除、心律失常射频消融、脊柱手术椎弓根螺钉置入、关节置换等复杂骨科手术、电磁支气管镜辅助下肺部肿瘤根治术等操作中具有重要价值。

电磁导航系统优势显著：无光学遮挡、术中使用便捷、体积小巧便携，大幅缓解手术室空间不足压力。此外，MNS可实时连续追踪成像，无需反复调整位置。随着磁场发射器小型化、精准度提升，MNS有望成为新一代导航技术的重要组成部分。

3.3 虚拟现实引导手术

图4. 增强现实指导的微创脊柱手术和肝切除术

与透明的器官三维虚拟模型不同，真实手术中，外科医生无法直观判断手术区域与重要脏器、血管的毗邻关系，增加了意外出血与器官损伤风险。VR/AR技术可赋予外科医生一副“透视眼”，穿透器官组织。近期研究表明，AR技术可显著缩短手术时间、减少术中出血量，推动精准肝脏外科发展；脊柱手术中，椎弓根螺钉精准置入难度大，常需术中透视校准，AR可辅助外科医生完成高精度骨科操作，同时减少手术人员辐射暴露；AR技术在神经外科中作用关键，可术中明确颅内肿瘤边界、实现最大化精准切除，同时保护邻近神经血管结构。

VR/AR技术在骨骼等硬组织手术中应用成熟，但在肝脏、胃肠道等软组织手术中面临巨大挑战——三维重建主要基于术前CT扫描，术中软组织易发生大范围形变，导致器官结构定位不准。

3.4 放射性核素引导手术

放射性核素成像基于示踪技术，是临床核医学常用技术。利用放射性核素（^99mTc、¹⁸F、¹²⁵I等）或其标记化合物为示踪剂，通过射线探测监测示踪剂分布，揭示病变位置。随着探测器技术发展，术中可利用微型γ相机实现放射性核素实时闪烁成像，辅助术中导航。

放射性核素引导手术（RGS）应用场景广泛，主要用于前哨淋巴结定位、甲状旁腺肿瘤、胃肠道神经内分泌肿瘤等病变检测。在前哨淋巴结定位中，内镜下注射^99mTc标记锡胶体，术中伽马照相机淋巴闪烁成像定位食管癌前哨淋巴结，准确率达94%；该技术还广泛用于前列腺癌、黑色素瘤、乳腺癌、胃癌前哨淋巴结检测。然而，RGS存在局限性：患者与外科医生均会受到额外辐射暴露、需多次扫描、放射性药物给药时间与手术安排复杂等，需进一步优化改进。

3.5 荧光引导手术

荧光引导手术（FGS）利用外源性荧光分子探针标记肿瘤与重要解剖结构，通过荧光成像系统术中精准定位病变、实时引导手术操作，是精准外科的核心技术，可实现肿瘤精准成像、前哨淋巴结定位、重要结构可视化、血管灌注成像。目前，多种近红外（NIR）荧光成像剂已获临床批准，包括荧光素、亚甲蓝、5‑氨基乙酰丙酸（5‑ALA）、吲哚菁绿（ICG）。近几十年，这类荧光剂在手术中的应用大幅增加。例如，5‑ALA可诱导胶质母细胞瘤内荧光卟啉聚集，用于引导肿瘤完整切除、延长无进展生存期；叶酸‑异硫氰酸荧光素（叶酸‑FITC）偶联物可靶向卵巢癌细胞高表达的叶酸受体α（FR‑α），术中实时荧光成像引导卵巢癌手术。

3.5.1 近红外一区（NIR-I）荧光引导手术

图5. 首次通过肿瘤特异性叶酸受体α靶向实现卵巢癌术中人工成像

3.5.2 近红外二区荧光引导手术

前述近红外一区（700–900 nm）荧光引导手术应用广泛，多款近红外一区荧光手术导航系统（便携式手持、开放手术、腹腔镜系统）已获批。随着光学技术发展，近红外二区（900–1880 nm）荧光应运而生。相较于近红外一区，近红外二区荧光波长更长，生物组织对光的吸收更强、散射更少，可克服自体荧光干扰，具备组织穿透更深、背景信号更低、分辨率更高等优势。基于上述优势，自2009年概念提出以来，NIR-II FGS逐渐成为手术导航研究热点。

2009年后的十年间，大量临床前研究推动该领域发展，包括近红外二区荧光探针、成像系统、多元化应用等。2020年，田捷团队首次将近红外二区荧光成像技术应用于肝脏切除术，采用FDA批准的ICG荧光染料，证实术中近红外二区成像导航可提高肿瘤检出率与灵敏度；此外，多项临床前研究探索近红外二区荧光成像新型导航模式，为未来临床应用提供新方向。例如，林辉团队利用多通道近红外二区成像引导淋巴结清扫，凭借近红外二区高分辨率、高穿透性，精准追踪切除淋巴结，清晰显示周围血管、输尿管等重要解剖结构，确保淋巴结清扫彻底的同时，避免损伤邻近重要组织器官。

3.6 光声成像

光声成像（PAI）因光学分子特异性优异、组织深部成像能力突出，成为备受关注的医学成像技术。PAI基于光声效应：吸收光能转化为声能，脉冲激光照射目标组织，组织内发色团吸收脉冲光能，发生非辐射跃迁，产生热弹性膨胀，以超声波形式向外传播，通过检测体内声信号分布，反演目标组织空间分布与功能特征。该技术融合光学成像高对比度与超声成像深穿透性，采用非电离激发，实现无创成像；更重要的是，生物体内源性对比剂（血红蛋白、黑色素、脂质、胶原蛋白）可用于多功能成像。

1990年代以来，随着激光、超声探测、数据采集、计算机技术发展，PAI应用于生物医学领域。例如，PAI因乳腺组织超声散射低，特别适用于乳腺疾病成像诊断；已研发的PAI设备可清晰显示全乳腺血管系统，检测微小乳腺癌病灶，得益于肿瘤部位异常血管系统与血红蛋白升高形成的强固有光声对比；利用碳纳米颗粒，PAI可定位前哨淋巴结（图7）；此外，PAI可定性诊断皮肤病变、皮肤癌、炎症性皮炎，部分替代皮肤活检、组织病理等有创检查；PAI还用于肢体血管造影、脑部结构功能成像、肌肉骨骼组织成像等，应用前景广阔。

图7. 乳腺癌患者使用光声学/超声双模态成像系统进行哨兵淋巴结定位

PAI优势在于穿透深度适中、空间分辨率高、可实时成像，术中可清晰显示肿瘤边界、肿瘤侵犯范围，确定切除边界，评估术后残留肿瘤；此外，PAI可清晰显示神经、输尿管、血管，减少术中医源性损伤。多项临床前研究证实PAI在术中导航中精准引导手术与活检的卓越能力，未来手术导航有望成为PAI最重要的应用场景。

3.7 光谱成像导航技术

传统医学成像虽能清晰显示解剖结构，但术中难以实时提供组织生化与功能状态信息。光谱成像技术应运而生，突破人眼与传统成像局限，捕捉分析光与物质相互作用产生的独特“光谱指纹”，无创实时表征组织深部分子组成、化学成分、生理变化，基于光谱特征的固有对比机制，精准区分病变与正常组织边界、识别术中特异性生物标志物，为精准手术导航提供技术基础。本节重点阐述两种术中应用潜力巨大的先进光谱成像技术：拉曼光谱（RS）与高光谱成像（HSI），分析其基本原理、独特优势、临床进展及应用挑战。

3.7.1 拉曼光谱

自1928年拉曼效应发现以来，RS成为材料结构检测分析的重要工具。通过检测分子振动推测物质化学结构，可识别复杂样本中不同化学结构，提供特定分子材料的独特化学指纹。RS因无创、实时、特异性高，成为生物医学分析的多功能工具。生物样本中，RS可呈现数千条拉曼光谱带，提供核酸、蛋白质、脂质等生物分子的丰富信息，反映组织基因型、表型、生理状态。临床疾病常伴随细胞组织恶性转化及显著生化改变，因此RS可检测量化分子特征变化，是疾病诊断的理想工具。

图8. 用于脑癌检测拉曼光谱的手持接触光纤探头

然而，RS临床应用仍存在局限性：需进一步优化技术（改进激发光源、开发新型高灵敏度探针、缩短成像时间）；应用层面需开发临床适用设备、探索多模态成像融合、建立基于拉曼数据的组织诊断标准、结合人工智能提升诊断准确性。随着技术发展，RS未来将广泛应用于各科研领域。

3.7.2 高光谱成像

高光谱成像（HSI）是同步获取图像空间信息与光谱信息的先进技术，具备高光谱分辨率与相对空间分辨率，可同时呈现目标二维空间数据与一维光谱数据，揭示其化学成分与物理形态。近几十年，HSI广泛应用于采矿、地质勘探、农业、矿物学、天文学、化学成像、环境研究等领域。人工智能与精准医学发展，进一步凸显HSI在生物医学领域的潜力。HSI作为无创诊断工具，通过测量不同波长光的反射与吸收，评估治疗效果，从高光谱图像每个像素的光谱特征中提取组织成分及空间分布信息，识别病变与正常组织。

2013年，清木团队报道将HSI系统用于胃癌检测：16例胃十二指肠肿瘤患者接受内镜或手术切除，14例采用可见光（400–800 nm）高光谱成像，结果显示，肿瘤样本与正常黏膜可清晰区分，灵敏度78.8%、特异性92.5%。这些表明，HSI作为手术导航技术，在区分正常与病变组织、确定手术边界、提高手术成功率方面发挥重要作用；此外，HSI广泛用于评估糖尿病足溃疡微循环变化、预测临床结局，以及视网膜成像等领域，生物医学应用潜力巨大。

然而，作为新兴技术，HSI临床应用仍局限于临床试验阶段，主要原因是单张医学高光谱图像数据量庞大，需进行大量光谱降维、数据校准、校正、压缩与分析，耗时较长；此外，开发实时快速成像方法、有效融合光谱仪器与算法、快速输出诊断结果，仍是工程师与科学家面临的挑战。随着技术不断完善，HSI将在生物医学领域获得更广泛应用，临床实践中作用日益凸显。

3.8 切伦科夫发光成像

切伦科夫发光成像（CLI）是基于切伦科夫辐射（CR）的新兴光学成像方法：放射性核素衰变释放的高速带电粒子在非真空介质中运动速度超过光速时，会产生切伦科夫光（CL）形式的短波长电磁辐射。CLI具备光学成像分辨率高、操作简便、可重复性好等优势，临床探针种类丰富，临床转化潜力独特，应用前景备受关注。

图9. 基于光点纤维镜设计的临床切伦科夫成像系统及其在¹³¹I检测中的应用

3.9 激光散斑对比成像

激光照射光学粗糙表面时，反射/后向散射光因光程差发生干涉，形成明暗相间的颗粒状图案（散斑）；若照射样本内存在运动散射体（如红细胞），图像各像素光强随时间变化，形成动态散斑图案。激光散斑对比成像（LSCI）通过分析散射与随机干涉后的光信号，获取红细胞等散射粒子的速度信息。LSCI具备分辨率高、实时成像、非接触、设备简易等优势，备受科研人员与临床医生关注。利用LSCI可实时获取微循环血流参数，评估血管结构、微循环功能、代谢活性，对术中引导、科研、疾病诊断、疗效分析意义重大。LSCI广泛用于小动物脑、皮肤、内脏、视网膜血流高分辨率成像；多项小鼠模型研究证实，LSCI可检测伤口愈合血管生成过程中的微血管重塑与血流动力学变化。

临床医生开展临床前与临床试验，探索LSCI在手术引导、精准诊疗中的卓越性能。例如，安东内拉团队将术中LSCI用于脑血管手术脑血流实时可视化，辅助术中引导与精准操作；埃马纽埃尔团队在甲状腺切除术中，利用LSCI检测甲状旁腺血管信号差异，降低术后低钙血症发生率。

图10. 神经血管手术期间通过激光斑点对比成像实现持续血流可视化

3.10 共聚焦激光显微内镜

共聚焦激光显微内镜（CLE）是可提供在体细胞级高分辨率成像的新兴显微技术，被誉为真正的“光学活检”。CLE基于激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）成像原理，常集成于内镜、荧光显微镜、计算机图像处理系统；利用紫外/可见光激发特定荧光探针（如荧光素），可实时原位观察检测活细胞结构、分子、离子。CLE凭借高分辨率、实时成像、无创等优势，逐步成为癌症等疾病实时诊断、引导活检、动态评估、随访的重要工具。

富克斯团队利用吖啶黄素辅助CLE成像，精准评估肺组织细胞结构，肺癌诊断准确率达91%，精准定位肿瘤；朱利叶斯团队对12例不同脑部肿瘤患者行术中CLE成像，证实CLE可清晰显示细微组织、揭示隐匿解剖细节；中村团队系统总结CLE在腹部手术（尤其胃肠道疾病）中的应用：原位检测巴雷特食管、胃部肿瘤、炎症性肠病、结肠息肉，引导胆道狭窄或胰腺囊肿穿刺诊断；CLE集成于腹腔镜系统，可在腹腔镜手术中识别细胞级微小病变特征，显著增强外科医生视觉感知。

图11. 术中共聚焦激光内窥镜用于手术过程中的实时组织特征分析

4. 结论与展望

尽管手术导航技术已取得长足进步，但仍存在诸多亟待解决的局限性，攻克这些难题对技术持续优化与临床普及至关重要。手术导航系统面临的核心挑战之一是精准度不足，尤其在复杂解剖区域或动态手术环境中，绝对精准难以保障，需持续技术创新；潜在解决方案是开发多模态探测器，大幅提升导航系统精准度。其次是成本高昂，设备购置、维护、培训费用高，制约广泛普及。与此同时，外科医生需大量培训才能熟练应用，影响临床效率；简化培训流程、提升医生接受度，是推广关键。此外，神经检测方法有限、术中系统故障风险、导航工具与手术流程整合困难、延长手术时间等问题，均需重点关注并优化。

此外，对技术基础设施的依赖引发了关于手术期间可能出现系统故障、失灵或中断的担忧。这些问题至关重要，因为它们可能危及患者安全并影响手术结果。因此，开发稳健的故障安全保护措施和应急计划至关重要。将导航工具整合到手术工作流程中可能会导致中断并延长手术时间，可能对整体效率产生连锁效应并增加并发症的风险。在这方面，在导航的优势与无缝工作流程整合之间保持平衡至关重要。总之，虽然手术导航无疑可以提高各种医疗程序的精确度和结果，但认识到并积极应对这些挑战是必要的。通过解决精度限制、管理成本、简化培训、确保技术可靠性、优化工作流程整合以及适应特定患者的细微差别，该领域可以继续发展，为外科医生提供增强的导航解决方案，并改善患者护理。

手术导航技术的临床应用也面临诸多挑战，包括技术整合、API 封闭性，以及使用基于机器学习（ML）和人工智能（AI）等工具开发的实时图像分析软件。将新型术中导航技术与现有医院信息系统（HIS）整合，由于许多医院的基础设施多样且往往陈旧，带来了显著挑战。封闭的 API 是采用术中技术的主要障碍，因为它们限制了新系统与现有工具之间的交互。这一限制导致工作流程碎片化并降低手术效率。推广开放 API 的使用对于增强互操作性和促进手术导航系统的创新至关重要。利用 ML 和 AI 的实时图像分析软件对于手术导航已变得日益关键。这些技术可用于快速准确地分析图像，为外科医生提供关键的术中见解。例如，ML 算法可以高精度地识别肿瘤边缘，有助于更精确的切除。然而，为了成功实现临床整合，必须解决诸如需要大型训练数据集和确保算法可靠性等挑战。

现有的导航技术既有优点也有缺点。该领域的未来研究应集中于更智能、更微创、更个性化、多模态及无辐射导航技术的进步。这一演进将建立在经典光学跟踪系统（例如基于红外立体摄像头的导航）所奠定的基础之上，这些系统开创了器械定位的先河，并成为现代实时光学导航系统的先驱。这需要利用智能控制、自动化、光学、电磁和超声技术，并整合多种定位方法，以实现定位信息的最大精度和术中实时多目标监控，从而为手术导航开辟新的方向。

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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