87、基于图像的手术规划：原理与应用详解

基于图像的手术规划：原理与应用详解

一、背景与动机

基于术前图像的手术规划历史悠久，自20世纪初第一张胶片X射线图像出现便已开始。近年来，临床成像技术如X射线、超声（US）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）不断普及，让医生可以提前评估患者状况、做出诊断、探索治疗方案并规划手术。

图像辅助手术规划优势明显。它让外科医生能考虑多种手术方案，评估其可行性，预见可能的并发症并优化治疗，从而降低手术风险、提高手术效果。术前图像还能帮助医生可视化并定位手术接入区域，规划手术器械和植入物相对于患者解剖结构的位置，评估其安全性。此外，通过术前图像构建患者特定的解剖和病理模型，可用于基于优化和模拟的高级规划，实现手术的个性化定制。

随着微创手术的兴起，以及基于图像的术中导航和医疗机器人技术的发展，对基于图像的手术规划的需求进一步增加。这种规划方法广泛应用于多种手术，如骨科手术、神经外科手术、腹部手术和泌尿外科手术等。不同类型的手术有各自的特点、约束和要求。例如，在骨科手术中，术前规划系统用于选择和确定关节置换植入物及骨折固定硬件的尺寸，并根据患者术前CT扫描得出的骨骼几何形状和骨质量进行最佳定位，还可进行高级生物力学分析，包括特定患者的膝关节和髋关节运动学和动力学模拟、骨负荷分析和骨折风险分析。在立体定向神经外科手术中，规划则包括确定患者颅骨上合适的接入位置，并定义安全的插入轨迹，以到达脑肿瘤、进行活检和按需提供治疗。

过去30年里，许多术前规划系统被开发出来，部分已在临床常规使用。一些手术，如放射手术和立体定向神经外科手术，没有精确的基于图像的术前规划就无法进行。计算机辅助手术（CAS）技术的出现，其中基于图像的术前规划是关键组成部分，使临床医生能够探索更多的治疗