手术导航系统的分类

（一）按交互方式分类

导航系统需要导航工具与手术目标、手术医生、手术器械以及图像系统之间的交互操作。按照交互方式的不同，将手术导航系统分为主动式导航、被动式导航、半主动式导航3种。

1.主动式导航系统主要是指手术机器人系统。这是因为机器人在实施手术的过程中完全凭借机器手进行操作，不需要手术医生的人工干预。机器人可以按照手术计划进行精确的手术操作，但必须有足够的安全保障措施来保护手术医生及病人免受任何可能发生的误操作危险。然而，机器人在灵活性方面却往往难以满足手术的复杂性要求，因而限制了手术机器人的临床推广应用。

2.被动式导航系统目前占据主要的市场份额。该系统在手术过程中起辅助作用，仅仅控制手术工具的空间运动轨迹，最终的手术操作还要靠手术医生来完成。空间立体定位技术是其关键技术，可确定手术器械与病人解剖结构之间的空间位置关系。

3.半主动式导航系统大多还处于实验研究阶段，尚未见到临床应用报道。它属于第2代医用机器人手术系统，允许手术医生在机器人控制的安全范围内随意移动手术工具，既有机器人的精确性，又有人手的灵活性。

（二）按导航定位所采用的信号系统分类

导航系统的技术基础是准确的空间定位技术，根据导航定位所采用的信号系统的不同可分为机械手定位导航系统、光学定位导航系统、超声定位导航系统及电磁定位导航系统。

1.机械手定位导航系统是最早应用的导航定位系统。该系统典型精度为2～3 mm，优点是技术成熟可靠、可在特定位置夹持手术器械，缺点是系统庞大、无法跟踪移动物体、自由运动有限。

2.光学定位导航系统是目前使用最广泛、精度最高的手术导航系统。该系统是通过摄像机观察目标，然后根据立体视觉原理重建目标的空间位置，典型的精度为1 mm，优点是手术器械更换方便、体积小、易操作、可跟踪多个目标、速度快，缺点是易受手术室背景光线和其他反射物的干扰、价格昂贵，该定位技术在骨科应用最多。

3.超声定位导航系统的定位精度一般为5 mm，具有价格便宜、校准方便的优点，但易受环境影响，精度差，存在遮挡干扰现象。

4.电磁定位导航系统的定位精度一般为3 mm，优点是价格相对较低，体积小，不会被遮挡，缺点是工作范围小，易受铁磁性物质干扰。

（三）按导航系统图像获取方式分类

按导航系统图像获取方式可分为：X线导航系统、CT导航系统、MRI导航系统及完全开放式导航系统四大类，其中X线导航系统又可分为二维X线导航系统和三维X线导航系统。

1.X线导航系统的图像获取依赖C形臂X线机。在传统的脊柱手术或髓内钉手术中需要应用C形臂X线机，因而C形臂X线透视导航系统及其临床应用已成为近年来的研究热点。这种系统的关键是对传统的C形臂成像系统进行内部校准，一般是在C形臂的影像增强器一侧安装一个均匀网格分布的目标靶，经过差值算法对荧光透视图像进行几何矫正。在术中，通过光学定位系统以及C形臂机成像系统，可实时显示X线图像、解剖、手术工具、C形臂机之间的空间位置关系；通过导航定位装置，可预先确定X线的透视方位，大大减少手术中医护人员的X线辐射剂量；通过各参考坐标系之间的关系，可预先推测手术工具在解剖结构中的行进路径。X线透视导航系统在欧美地区获得了一定的临床应用，在脊柱及创伤手术方面取得了令人满意的效果。这种新型方法为提高手术质量和可靠性、节省手术时间提供了很好的辅助作用。

（1）二维X线导航系统可使用普通C形臂X线机，普通C形臂X线机的图像是二维的，其所提示的器械操作只是平面的，并没有提供立体的对位对线，术中操作时还必须参考导航仪显示的其他平面影像。基于术中二维透视影像的导航系统始于1999年，从2000年开始进入临床应用。将术中C形臂X线机透视的影像资料输入到导航系统，术者可以同时在正位及侧位的影像平面观察导航器械的位置。其适用于下肢长骨干骨折髓内钉远端交锁、骶髂关节或髋臼骨折经皮螺钉固定、脊柱骨折椎弓根螺钉固定、股骨颈骨折空心钉固定、股骨转子间骨折动力髋螺钉固定以及股骨干骨折闭合复位内固定。该系统的优点是无需术前计划、无需术中注册、随时更新并贮存多个影像进行同步导航。缺点是如果患者过度肥胖或有生物气可以影响透视影像的质量，而且不能调整图像的层面或角度。

（2）三维X线导航系统必须使用C形臂X线机（也称术中CT系统）。现在市场上出现的三维C形臂X线机可提供类似CT的影像，提高了导航影像的质量。1999年，德国的Siemens公司制造了世界上第一台移动的C形臂样三维透视装置Iso C 3-D Siemens移动“C”形臂。该装置在机械设计上去除了中央管球与“C”形臂几何旋转轴之间的分叉，同时用步进电机在外科目标周围实现190°的高精度轨道旋转，以获取断层影像并进行三维重建。Iso C三维影像导航始于2003年，其可以在术中直接获取三维影像资料，可以任意选择及调整图像的角度和层面，并在立体图像指引下更准确地放置内置物。

2.CT导航系统的图像来自术前CT图像。CT扫描是进行骨组织三维重建的主要手段，也是相对较简单的一种方式，因而最早应用于计算机辅助整形手术以获取三维图像数据。注册技术是其中的关键技术，目的是把病人术前CT图像数据、术中从定位器获得的病人解剖结构的形状位置信息及手术器械的位置信息集成到一个共同的坐标系统中，手术医生将这些组合信息用于术中准确定位手术病灶区域或用于术中避开危险部位。CT导航系统包括术前计划和术中手术干预，尽管在临床上积累了一定的成功案例，但仍存在一些明显的缺陷，如精确度较低、实时性较差，手术时间较长，影响了医生使用的积极性及临床应用和发展。

3.MRI导航系统的图像获取依赖术中MRI系统。三维MRI是在临床广泛应用且较为成熟的脊柱手术成像方法，该系统以MRI三维重建数据为基础进行导航。美敦力公司和GE公司联手研制的新一代导航系统——术中MRI导航系统已投入临床测试阶段，该系统能够彻底解决现有的红外线光学手术导航系统术中影像漂移的问题。但是该系统的价格很高，推广较困难。

4.完全开放式导航系统则适合于那些解剖结构暴露充分的手术，典型的是全膝关节置换术。该系统采用非影像定位跟踪技术，手术中以模拟标本的立体几何图像的方法进行导航。该系统既不需要术前CT扫描，也不需要术中X线或超声波图像，只需手术医生在术中用探针点取解剖结构的特征点即可。这种开放式的导航系统在欧美等国的实验机构试制成功后，很快在许多医院广泛推广应用，尤其是在前交叉韧带功能修复和全膝关节置换手术中取得了很好的疗效。