计算机辅助外科的现状
刘士新 赵金城
关键词：计算机辅助外科
计算机辅助外科(computer aided surgery，CAS)是一种基于计算机对大量数据信息的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为外科医生从技术上提供支援，使手术更安全、更准确的一门新技术。近年来,随着CT、MRI等图像诊断仪[1]的发展，使计算机虚拟现实技术在医学中的应用得到了飞速的发展。计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术模拟、手术导航(navigator)、手术定位、制订手术方案提供了客观、准确、直观、科学的手段。同时由于这些图像信息具有准确性和可靠性，故而被广泛作为医疗机器人，特别是手术支援机器人等手术支援机器的控制信息源。基于这种三维位置信息的手术支援，极大地减小了手术创面，最大限度地减轻了手术患者肉体上的痛苦，近而使微创手术也得到了快速的发展。
, http://www.100md.com 一、虚拟现实技术在外科手术中的作用[2-4]
在传统的手术中，医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，这是高效、准确、顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据其在医生大脑中形成三维印象进行手术。但这种手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能，且整个手术班子的每一位成员却很难共享某一制订手术方案人员在其大脑中形成的整个手术方案的构思信息。用计算机代替医生进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且其信息可供整个手术班子的每一位成员共享。如果引入CT等三维图像，就可对具体图像与同行进行交流，在虚拟的空间(virtual space)进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果所设想的空间能与现实空间(患者的术野)及位置能够正确地对应，在手术中就可随时以此作为参考。这种基于图像信息而构成且位置吻合的假设空间称为增强现实(augmented reality)，这与一般意义上的虚拟现实不同，虚拟现实是把现实中不存在的东西，真实地感触到，而增强现实是在实物的图像上增加现实的(或不可视的)信息。
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1.虚拟现实在手术模拟及手术导航中的应用：用真实的三维图像进行手术模拟[5]的研究进展很快，将来，如果在模拟手术中加入变形力来模拟及感觉反馈的功能，将可成为医学教学的工具。由于模拟环境是单独构成的，也就是说，虚拟空间与真实空间(手术对象脏器)的位置并不一致。为解决这一问题，目前已有人制作出了脏器模型与模拟的虚拟空间位置一致且可用三维指示器选择模型的各个部位，自由链接虚拟空间上的图像数据的系统。如果手术室中患者的实际脏器与模拟的虚拟空间位置相对应，这一系统就可代替脏器模型，用于手术指挥(navigator)。当用三维指示器选择脏器的某一点时，立即就可显示含选择点在内的断层图像，并在该图像上标记当前所选择的部位。它类似于卫星地面定位系统，能够实时地显示自己目前所在的地点在地图上的位置。
2.虚拟现实在制订手术方案中的应用：微创手术是以尽可能小的创口通道使手术器械到达病灶部位，然后进行准确、适当的操作，摘除病灶且缩短了手术时间。为此，在手术前应收集治疗信息及图像信息加以分析，并将手术过程以手术模拟的方式加以预测，然后，根据数据分析的结果制订出比较完善的手术计划。此外，还应备有手术修改计划，准备好手术方案。在手术中应参照计划操作，并根据情况选择适当的手术方案。
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在手术中向手术医生提供指挥信息，首先要将手术方案输入到系统中。为了实现这一目的,需要事先输入专用数据，这样一来反倒不如通过系统提供的手术方案的制订功能，从最初就让手术医生直接参与手术方案的制订。
手术医生在虚拟的空间中加入三维CT图像等各种信息，在进行手术模拟的同时筹划手术方案，并绘制出一个容易操作的三维地图，在这一地图上，集中着手术时所能观察到的形态信息及其功能的重要性、手术预定部位的范围、随手术过程而发生形态变化的预后图等及各种信息与相互位置的对应。此外，在手术中，也能向地图上增加各种信息。比如，用红外线或紫外线拍摄的术野图像、手术中超声断层图像及CT图像等，对掌握因手术操作而引起术野变化是非常必要的。由于在手术前对某一病例要进行真实的手术模拟，因此，虚拟现实技术将得到充分地利用。
3.增强现实在手术中的应用：为了充分利用集中有手术方案信息的地图，手术医生要随时参照这个地图，然而，如果这个地图没有与实际空间对应，因此就不会起任何作用。增强现实技术恰好能将虚拟空间上的地图信息与实际空间的图像吻合，这是外科医生理解地图所提供信息的必须条件。在这一基础上，手术医生就可用这一地图很容易地验证手术中当前所操作的位置是否是真正计划的位置、是否是在模拟的路径下进行手术。
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提供给手术医生三维地图的立体图像装置有多种，如Volumegraph，它是一种能显示静态虚拟空间的装置，能将实际患者与在计算机上生成的三维地图图像通过半透镜重叠，作出透视患者内部的效果，此时，实际患者与地图在位置上正确地对应是相当重要的，此外，在术中由于手术时间较长而导致脏器位置偏移的位置修正管理系统也是必需的。
4.在虚拟医院中的应用：如果在计算机的某一虚拟空间上集中有某一手术方案的信息，为数众多的手术医生就可以介助网络共享其信息。为实现这一目的，首先要将从初诊到治疗这一阶段患者的医疗数据汇总到电子化的数据库中，并统一病例卡的书写方法、图像处理数据的格式、通信方法，医院内外均可共享的数据；其次，在虚拟的空间中设置图像诊断支援系统及手术模拟系统等，众多的医生可通过网络共同协调工作。
这样一种网络上的虚拟医院(Virtual hospital)[2，6-8]，可使整个虚拟医院的成员共享诊断图像及检查数据，并通过图像、声音、文字等多媒体技术进行交流，共同筹划手术方案及进行手术模拟，并可实时根据手术进展情况对手术医生提供支援。此外，从原理上讲，也可对手术机械手实现遥控操作。通过虚拟医院，专家也可参与手术，只是由于通信响应迟缓，使遥控操作者处于辅助现场手术者的地步。虚拟医院并不局限于手术，也可用于诊断及药物治疗等多种用途及成为为边远地区提供良好治疗环境的远程医院(telemedicine)。
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5.CT模拟定位系统在放射治疗中的应用：CT模拟定位系统[9]是一个与CT扫描机相连接的实时三维立体治疗计划系统，它由CT扫描系统、多层面CT影像显示控制台、3D治疗计划系统、激光投影定位装置等部分组成，所有配置均由计算机工作站控制，并已成为一种标准的治疗计划设计工具，广泛应用于多个部位的肿瘤和其他病变的治疗计划设计与临床治疗。它能够对高度不规则肿瘤制订精确的三维立体放疗计划，提供接近肿瘤实际形状的真正适形治疗，对没有骨形标志的软组织肿瘤，提供了比常规平片更好的靶区形态；能够清楚区分肿瘤周围的正常器官。采用BEV技术可以确定最佳照射角度和放射野来避开重要器官，并使放射计划的剂量分布更为精确合理。随着3D适形立体放疗技术的兴起与普及，CT模拟定位在放射治疗中的作用与地位将越来越重要。它不仅对放射治疗的计划设计和照射质量的提高有明显作用，而且将显著提高在某些肿瘤的控制率和病人生存率。
二、微创外科治疗中的应用[10]
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通过将手术支援机器人等支援机器与计算机图形技术结合，对于需要实施开颅、开腹等大型手术的外科患者，可以微创或无需手术的方式，实现传统外科手术的治疗效果。随着计算机辅助外科的发展，实现微创外科治疗及各种术前模拟技术，将具有下列效果：(1)极大地减轻手术患者肉体上的痛苦；(2)缩短患者住院时间，使患者早日回归社会(避免了高龄患者长期卧床，缩短了术后的康复时间或者无需康复时间，降低医疗费用等)；(3)比传统手术更安全、准确；(4)对以往不能治疗或治疗困难的疾病得以治愈；(5)扩大了无需输血手术的应用对象，减少了输血感染事故；(6)减轻了医护人员肉体、精神上的负担、缩短了护理时间；(7)防止了肝炎、艾滋病等对医护人员的感染机会。
实现微创治疗最重要的课题是医用图像技术、机械电子技术及与其相关的软件技术。医用图像技术包括X线CT、MRI、超声波等图像装置的图像获取技术、三维医用图像处理技术及计算机图形技术等，尤其是术中图像信息的提取及术中对患者的图像提示，作为手术支援虚拟现实是今后重要的研究课题。此外，机械电子技术是手术支援机器人的基础技术，也是左右计算机外科临床发展的关键技术。与各种医用图像技术相关的技术为外科医生提供了新的眼睛，手术支援机器人等手术支援机器为外科医生提供了新的手。
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1.术中三维图像技术：在实际手术中，能否微创、安全、准确地到达病灶部位，将给手术的好坏带来直接的影响。手术切口越小，给患者带来的创伤越小，相反，将增加手术的难度和危险。特别是在病灶部位周围及手术路径周围存在重要的血管及组织时必须慎重，并要掌握术中时间过长而造成的脏器变形，病变部位、手术路径与重要组织之间的三维位置关系。为此，与手术有关的图像技术，至少应具有下列功能：(1)术前模拟结果在术中容易确认；(2)术中的三维图像容易实时获得；(3)实时获得组织功能的三维图像；(4)实时获得形状、功能三维信息的综合图像；(5)在使用手术支援机器时能提供必要的与检测、控制有关的信息；(6)以简单易懂的图形方式向术者提供指导。
此外，由于立体图形显示能向术者提供体内的各种尺寸的手术空间视野，因此，在计算机辅助外科系统中是不可缺少的技术，此项技术已开始应用于内窥镜下手术及腹腔镜下手术。
2.手术支援机器人：近年来，先进的机器人技术应用于外科领域已受到世界各国的高度重视。机器人技术在外科领域中的应用不仅在手术精确定位、手术最小损伤、手术质量等方面将带来一系列的变革，而且将改变常规医疗外科的许多概念，对新一代机器人化的手术设备开发与制造，医学教学与研究，对临床或家庭护理及康复工程等方面都有十分重要的意义。用于这种直接治疗的机器人，在以下四个方面与工业用机器人有很大差别：(1)直接与患者接触；(2)作业内容复杂，经常变化；(3)不允许动作出现错误；(4)操作人员并非机器人专家。
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尤其是工业用机器人的安全保证是人与机器人的作业范围分开，此外，对于误动作等安全对策必须从机器人的硬件与软件两个方面加以保证。
3.医疗机器人的安全性：直接与人接触的机器人的安全性要从机器人的硬件与软件两方面加以保证，尤其是在设计机器人时，要严格禁止可能对人造成伤害的动作。此外，必须开发出防止误动作于未然且误动作出现后能直接进行处理的软件，在出现紧急情况时仅靠设置紧急停止按钮是不够的。
比如，当自由度为6的机器人与人接触时，与人接触的自由度至少要设计为保持1个自由度，并将与人接触的自由度固定在安全范围之内，剩余的5个自由度，无论如何动作也不会接触到人。此外，也可将机器人设计成将6个自由度全部与人接触，这样虽然能做各种作业，但由误动作所造成的危险将是很大的。对于自由度为m与人接触的自由度为n的机器人，将单纯危险度为(n÷m)，其最低危难度为1/6，最高危难度为1，相反，若将安全性以([m-n]÷m)表示，其最高安全度为5/6，而最低安全度为0。正因如此，需要将医疗领域的机器人设计成危险度尽可能低及安全性较高的产品。
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4.临床研究[11，12]：(1)脑神经外科领域：在脑神经外科的主要应用对象是脑的定位手术，尤其是插管穿刺模拟，它决定了避开脑功能区域穿刺的最佳部位和方向，这一数据是手术支援机器人不可缺少的控制数据。目前，基于Macintosh系统的用X线CT图像确定最佳穿刺路径的模拟软件(通称Hyper CAS)已用于临床，重建三维图像及模拟结果也已通过便携式工作站用于手术室。
对于三维图像，目前已开发出将以往在图像轴上垂直的任意断面图像以短时间显示的超声波CT并用于临床。此外，将三维图像记录在特殊的干板上，用裸眼能进行立体观察的技术已被日本胜利公司开发出来，采用这一技术，将术前记录的脑肿瘤，与患者头部重合进行手术，此手术由东京女子医科大学率先实施，并取得了良好的效果。对于进行穿刺手术支援的机器人，日本正在进行能够真正地在X线CT的引导下进行控制的机器人的研究。
此外，将上述各种信息及术野的立体图像信息采用高分辨力TV显示的Hivis CAS的研究，已被列为日本通产省工业技术院的研究课题，并于1995年开始以5年计划启动。
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(2)肝癌激光照射治疗：肝癌治疗方法之一可借助光纤插管进行激光穿刺照射治疗，它是将激光导光用光纤通过导管，在开腹或不开腹的情况下，从体表刺至肿瘤部位，用激光进行照射治疗，本方法具有对非肿瘤组织创伤小之优点。通过穿刺模拟，可以避开在肝脏内走行复杂的血管，对此，开发出了能显示插管到达病变部位所需穿刺部位与起刺方向的提示系统并用于临床。如果将这一穿刺危险度在体表面作成图，并用于遵循其结果的机器人，可不用开腹，直接从体表进行经皮处理，以往从背部治疗比较困难的疾病也变得比较容易。
(3)腹腔镜下胆囊摘除：最近，不用开腹，在腹部开数个小孔，在小孔中将带有CCD的腹腔镜、钳子及电刀等，通过数根机器手分别插入，在电视画面视野下进行腹腔镜下胆囊摘除外科手术已获成功，因创伤很小而深受患者欢迎。
最初，这一手术没有常规手术的深度感，目前，一种立体图像显示系统已应用于临床，其实用性更强。最近又开发出了外径为4.9mm的能获取立体图像的三维硬性内窥镜。它是将来自一只光学管的术野图像，在通过半透镜棱镜将图像一分为二时，在两个图像的光轴上产生视差角，这样可显著缩小硬性内窥镜的外径。这种立体图像显示方法，可将体内各种尺寸的视野简单易懂地提供给手术者，这种具有深度感的立体图像手术支援虚拟现实技术，是今后微创外科治疗不可缺少的技术。此外，采用三维图像重构技术的术前模拟，可从各种不同的角度观察肝与胆囊的接触、治疗部位附近的血管走向、胆总管与胆囊胆管的走向等，提高了手术的安全性。
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在机械电子技术方面,将CCD摄像机及各种工具等实现机械手化，能够进行更安全、更精细处理的系统也正在研究之中。
此外，为了确保在手术时的手术视野，一般情况下是向腹腔内充入二氧化碳气体，使腹部膨涨，目前，在日本已开发出在腹部皮下通过引线将腹壁吊起的方法，这一方法与腹部充气法相比，可充分确保手术空间且免除了充气法保持气体的很多限制，可根据情况通过遥测作快速且安全的调整。所用设备及运转成本也很低。
随着计算机技术的发展，计算机图像处理技术的不断提高，计算机在外科领域的应用越来越广泛，由于计算机的参与，使外科的微创治疗得到进一步的发展，开创了未来无需手术的外科的道路。虚拟现实技术为外科医生制订手术方案提供了客观、准确、直观、科学的手段。特别是计算机辅助外科技术为外科医生提供的第三只眼睛和手，能恰到好处地在患者体内进行治疗。此外，对于先天性疾患，也可从胎儿阶段进行外科治疗。如果计算机外科技术与通信技术等融合，到21世纪，将可通过虚拟医院，对生存于人口稀少、边远地区、宇宙空间及海底的患者实现远距离手术，相信随着科学的不断发展，这一天一定会到来。
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作者单位：刘士新 300192 天津， 中国医学科学院中国协和医科大学生物医学工程研究所
赵金城 300192 天津， 中国医学科学院中国协和医科大学生物医学工程研究所
参考文献
[1]小泉英明，渡辺英寿.医用画像机器技术の现状.医科器械学，1996，66：690-697.
[2]伊冈洋，高仓公朋，土肥健纯,他.バ-チヤルリアリテイ-と外科手术.医科器械学，1996，66：698-702.
[3]铃木直树，高津光洋.手术计画におけるバ-チヤルリアリテイ-.BME，1995，9(11)：36-44.
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[4]广濑通孝.バ-チヤルリアリテイ-の现状と将来.BME，1995，9(11)：3-11.
[5]铃木直树，高津光洋.バ-チヤルリアリテイ-を用いた外科手术シミユレ-シヨン.医科器械学，1996，66：709-713.
[6]日下优子，山本康人，小林拓史，他.通信卫星回线经由のインタ-ネツト上での远隔医疗のたみの基础的研究.医用电子と生体工学，1997，35：100-105.
[7]刘士新，翁铭庆.多媒体技术在医学中的应用.中华医院管理杂志，1997，13：188-190.
[8]山口隆美.ハイパ-ホスピタル.BME，1995，9(11)：29-35.
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[9]吴大可，姚毅，张中柱.CT模拟定位系统及其在放射治疗中的应用.世界医疗器械，1997，3(9)：14-17.
[10]土肥健纯.コンピユ-タ外科におけるロボツト技术.日本ロボツト学会谂，1996，14：636-639.
[11]王田苗，田增民.立体定向脑外科机器人集成系统研究.世界医疗器械，1997，3(9)：30-35.
[12]土肥健纯. 术中支援としてのバ-チヤルリアリテイ-.BME，1995，9(11)：45-51., http://www.100md.com
关键词：计算机辅助外科
计算机辅助外科(computer aided surgery，CAS)是一种基于计算机对大量数据信息的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为外科医生从技术上提供支援，使手术更安全、更准确的一门新技术。近年来,随着CT、MRI等图像诊断仪[1]的发展，使计算机虚拟现实技术在医学中的应用得到了飞速的发展。计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术模拟、手术导航(navigator)、手术定位、制订手术方案提供了客观、准确、直观、科学的手段。同时由于这些图像信息具有准确性和可靠性，故而被广泛作为医疗机器人，特别是手术支援机器人等手术支援机器的控制信息源。基于这种三维位置信息的手术支援，极大地减小了手术创面，最大限度地减轻了手术患者肉体上的痛苦，近而使微创手术也得到了快速的发展。
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在传统的手术中，医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，这是高效、准确、顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据其在医生大脑中形成三维印象进行手术。但这种手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能，且整个手术班子的每一位成员却很难共享某一制订手术方案人员在其大脑中形成的整个手术方案的构思信息。用计算机代替医生进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且其信息可供整个手术班子的每一位成员共享。如果引入CT等三维图像，就可对具体图像与同行进行交流，在虚拟的空间(virtual space)进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果所设想的空间能与现实空间(患者的术野)及位置能够正确地对应，在手术中就可随时以此作为参考。这种基于图像信息而构成且位置吻合的假设空间称为增强现实(augmented reality)，这与一般意义上的虚拟现实不同，虚拟现实是把现实中不存在的东西，真实地感触到，而增强现实是在实物的图像上增加现实的(或不可视的)信息。
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1.虚拟现实在手术模拟及手术导航中的应用：用真实的三维图像进行手术模拟[5]的研究进展很快，将来，如果在模拟手术中加入变形力来模拟及感觉反馈的功能，将可成为医学教学的工具。由于模拟环境是单独构成的，也就是说，虚拟空间与真实空间(手术对象脏器)的位置并不一致。为解决这一问题，目前已有人制作出了脏器模型与模拟的虚拟空间位置一致且可用三维指示器选择模型的各个部位，自由链接虚拟空间上的图像数据的系统。如果手术室中患者的实际脏器与模拟的虚拟空间位置相对应，这一系统就可代替脏器模型，用于手术指挥(navigator)。当用三维指示器选择脏器的某一点时，立即就可显示含选择点在内的断层图像，并在该图像上标记当前所选择的部位。它类似于卫星地面定位系统，能够实时地显示自己目前所在的地点在地图上的位置。
2.虚拟现实在制订手术方案中的应用：微创手术是以尽可能小的创口通道使手术器械到达病灶部位，然后进行准确、适当的操作，摘除病灶且缩短了手术时间。为此，在手术前应收集治疗信息及图像信息加以分析，并将手术过程以手术模拟的方式加以预测，然后，根据数据分析的结果制订出比较完善的手术计划。此外，还应备有手术修改计划，准备好手术方案。在手术中应参照计划操作，并根据情况选择适当的手术方案。
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在手术中向手术医生提供指挥信息，首先要将手术方案输入到系统中。为了实现这一目的,需要事先输入专用数据，这样一来反倒不如通过系统提供的手术方案的制订功能，从最初就让手术医生直接参与手术方案的制订。
手术医生在虚拟的空间中加入三维CT图像等各种信息，在进行手术模拟的同时筹划手术方案，并绘制出一个容易操作的三维地图，在这一地图上，集中着手术时所能观察到的形态信息及其功能的重要性、手术预定部位的范围、随手术过程而发生形态变化的预后图等及各种信息与相互位置的对应。此外，在手术中，也能向地图上增加各种信息。比如，用红外线或紫外线拍摄的术野图像、手术中超声断层图像及CT图像等，对掌握因手术操作而引起术野变化是非常必要的。由于在手术前对某一病例要进行真实的手术模拟，因此，虚拟现实技术将得到充分地利用。
3.增强现实在手术中的应用：为了充分利用集中有手术方案信息的地图，手术医生要随时参照这个地图，然而，如果这个地图没有与实际空间对应，因此就不会起任何作用。增强现实技术恰好能将虚拟空间上的地图信息与实际空间的图像吻合，这是外科医生理解地图所提供信息的必须条件。在这一基础上，手术医生就可用这一地图很容易地验证手术中当前所操作的位置是否是真正计划的位置、是否是在模拟的路径下进行手术。
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提供给手术医生三维地图的立体图像装置有多种，如Volumegraph，它是一种能显示静态虚拟空间的装置，能将实际患者与在计算机上生成的三维地图图像通过半透镜重叠，作出透视患者内部的效果，此时，实际患者与地图在位置上正确地对应是相当重要的，此外，在术中由于手术时间较长而导致脏器位置偏移的位置修正管理系统也是必需的。
4.在虚拟医院中的应用：如果在计算机的某一虚拟空间上集中有某一手术方案的信息，为数众多的手术医生就可以介助网络共享其信息。为实现这一目的，首先要将从初诊到治疗这一阶段患者的医疗数据汇总到电子化的数据库中，并统一病例卡的书写方法、图像处理数据的格式、通信方法，医院内外均可共享的数据；其次，在虚拟的空间中设置图像诊断支援系统及手术模拟系统等，众多的医生可通过网络共同协调工作。
这样一种网络上的虚拟医院(Virtual hospital)[2，6-8]，可使整个虚拟医院的成员共享诊断图像及检查数据，并通过图像、声音、文字等多媒体技术进行交流，共同筹划手术方案及进行手术模拟，并可实时根据手术进展情况对手术医生提供支援。此外，从原理上讲，也可对手术机械手实现遥控操作。通过虚拟医院，专家也可参与手术，只是由于通信响应迟缓，使遥控操作者处于辅助现场手术者的地步。虚拟医院并不局限于手术，也可用于诊断及药物治疗等多种用途及成为为边远地区提供良好治疗环境的远程医院(telemedicine)。
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5.CT模拟定位系统在放射治疗中的应用：CT模拟定位系统[9]是一个与CT扫描机相连接的实时三维立体治疗计划系统，它由CT扫描系统、多层面CT影像显示控制台、3D治疗计划系统、激光投影定位装置等部分组成，所有配置均由计算机工作站控制，并已成为一种标准的治疗计划设计工具，广泛应用于多个部位的肿瘤和其他病变的治疗计划设计与临床治疗。它能够对高度不规则肿瘤制订精确的三维立体放疗计划，提供接近肿瘤实际形状的真正适形治疗，对没有骨形标志的软组织肿瘤，提供了比常规平片更好的靶区形态；能够清楚区分肿瘤周围的正常器官。采用BEV技术可以确定最佳照射角度和放射野来避开重要器官，并使放射计划的剂量分布更为精确合理。随着3D适形立体放疗技术的兴起与普及，CT模拟定位在放射治疗中的作用与地位将越来越重要。它不仅对放射治疗的计划设计和照射质量的提高有明显作用，而且将显著提高在某些肿瘤的控制率和病人生存率。
二、微创外科治疗中的应用[10]
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通过将手术支援机器人等支援机器与计算机图形技术结合，对于需要实施开颅、开腹等大型手术的外科患者，可以微创或无需手术的方式，实现传统外科手术的治疗效果。随着计算机辅助外科的发展，实现微创外科治疗及各种术前模拟技术，将具有下列效果：(1)极大地减轻手术患者肉体上的痛苦；(2)缩短患者住院时间，使患者早日回归社会(避免了高龄患者长期卧床，缩短了术后的康复时间或者无需康复时间，降低医疗费用等)；(3)比传统手术更安全、准确；(4)对以往不能治疗或治疗困难的疾病得以治愈；(5)扩大了无需输血手术的应用对象，减少了输血感染事故；(6)减轻了医护人员肉体、精神上的负担、缩短了护理时间；(7)防止了肝炎、艾滋病等对医护人员的感染机会。
实现微创治疗最重要的课题是医用图像技术、机械电子技术及与其相关的软件技术。医用图像技术包括X线CT、MRI、超声波等图像装置的图像获取技术、三维医用图像处理技术及计算机图形技术等，尤其是术中图像信息的提取及术中对患者的图像提示，作为手术支援虚拟现实是今后重要的研究课题。此外，机械电子技术是手术支援机器人的基础技术，也是左右计算机外科临床发展的关键技术。与各种医用图像技术相关的技术为外科医生提供了新的眼睛，手术支援机器人等手术支援机器为外科医生提供了新的手。
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1.术中三维图像技术：在实际手术中，能否微创、安全、准确地到达病灶部位，将给手术的好坏带来直接的影响。手术切口越小，给患者带来的创伤越小，相反，将增加手术的难度和危险。特别是在病灶部位周围及手术路径周围存在重要的血管及组织时必须慎重，并要掌握术中时间过长而造成的脏器变形，病变部位、手术路径与重要组织之间的三维位置关系。为此，与手术有关的图像技术，至少应具有下列功能：(1)术前模拟结果在术中容易确认；(2)术中的三维图像容易实时获得；(3)实时获得组织功能的三维图像；(4)实时获得形状、功能三维信息的综合图像；(5)在使用手术支援机器时能提供必要的与检测、控制有关的信息；(6)以简单易懂的图形方式向术者提供指导。
此外，由于立体图形显示能向术者提供体内的各种尺寸的手术空间视野，因此，在计算机辅助外科系统中是不可缺少的技术，此项技术已开始应用于内窥镜下手术及腹腔镜下手术。
2.手术支援机器人：近年来，先进的机器人技术应用于外科领域已受到世界各国的高度重视。机器人技术在外科领域中的应用不仅在手术精确定位、手术最小损伤、手术质量等方面将带来一系列的变革，而且将改变常规医疗外科的许多概念，对新一代机器人化的手术设备开发与制造，医学教学与研究，对临床或家庭护理及康复工程等方面都有十分重要的意义。用于这种直接治疗的机器人，在以下四个方面与工业用机器人有很大差别：(1)直接与患者接触；(2)作业内容复杂，经常变化；(3)不允许动作出现错误；(4)操作人员并非机器人专家。
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尤其是工业用机器人的安全保证是人与机器人的作业范围分开，此外，对于误动作等安全对策必须从机器人的硬件与软件两个方面加以保证。
3.医疗机器人的安全性：直接与人接触的机器人的安全性要从机器人的硬件与软件两方面加以保证，尤其是在设计机器人时，要严格禁止可能对人造成伤害的动作。此外，必须开发出防止误动作于未然且误动作出现后能直接进行处理的软件，在出现紧急情况时仅靠设置紧急停止按钮是不够的。
比如，当自由度为6的机器人与人接触时，与人接触的自由度至少要设计为保持1个自由度，并将与人接触的自由度固定在安全范围之内，剩余的5个自由度，无论如何动作也不会接触到人。此外，也可将机器人设计成将6个自由度全部与人接触，这样虽然能做各种作业，但由误动作所造成的危险将是很大的。对于自由度为m与人接触的自由度为n的机器人，将单纯危险度为(n÷m)，其最低危难度为1/6，最高危难度为1，相反，若将安全性以([m-n]÷m)表示，其最高安全度为5/6，而最低安全度为0。正因如此，需要将医疗领域的机器人设计成危险度尽可能低及安全性较高的产品。
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4.临床研究[11，12]：(1)脑神经外科领域：在脑神经外科的主要应用对象是脑的定位手术，尤其是插管穿刺模拟，它决定了避开脑功能区域穿刺的最佳部位和方向，这一数据是手术支援机器人不可缺少的控制数据。目前，基于Macintosh系统的用X线CT图像确定最佳穿刺路径的模拟软件(通称Hyper CAS)已用于临床，重建三维图像及模拟结果也已通过便携式工作站用于手术室。
对于三维图像，目前已开发出将以往在图像轴上垂直的任意断面图像以短时间显示的超声波CT并用于临床。此外，将三维图像记录在特殊的干板上，用裸眼能进行立体观察的技术已被日本胜利公司开发出来，采用这一技术，将术前记录的脑肿瘤，与患者头部重合进行手术，此手术由东京女子医科大学率先实施，并取得了良好的效果。对于进行穿刺手术支援的机器人，日本正在进行能够真正地在X线CT的引导下进行控制的机器人的研究。
此外，将上述各种信息及术野的立体图像信息采用高分辨力TV显示的Hivis CAS的研究，已被列为日本通产省工业技术院的研究课题，并于1995年开始以5年计划启动。
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(2)肝癌激光照射治疗：肝癌治疗方法之一可借助光纤插管进行激光穿刺照射治疗，它是将激光导光用光纤通过导管，在开腹或不开腹的情况下，从体表刺至肿瘤部位，用激光进行照射治疗，本方法具有对非肿瘤组织创伤小之优点。通过穿刺模拟，可以避开在肝脏内走行复杂的血管，对此，开发出了能显示插管到达病变部位所需穿刺部位与起刺方向的提示系统并用于临床。如果将这一穿刺危险度在体表面作成图，并用于遵循其结果的机器人，可不用开腹，直接从体表进行经皮处理，以往从背部治疗比较困难的疾病也变得比较容易。
(3)腹腔镜下胆囊摘除：最近，不用开腹，在腹部开数个小孔，在小孔中将带有CCD的腹腔镜、钳子及电刀等，通过数根机器手分别插入，在电视画面视野下进行腹腔镜下胆囊摘除外科手术已获成功，因创伤很小而深受患者欢迎。
最初，这一手术没有常规手术的深度感，目前，一种立体图像显示系统已应用于临床，其实用性更强。最近又开发出了外径为4.9mm的能获取立体图像的三维硬性内窥镜。它是将来自一只光学管的术野图像，在通过半透镜棱镜将图像一分为二时，在两个图像的光轴上产生视差角，这样可显著缩小硬性内窥镜的外径。这种立体图像显示方法，可将体内各种尺寸的视野简单易懂地提供给手术者，这种具有深度感的立体图像手术支援虚拟现实技术，是今后微创外科治疗不可缺少的技术。此外，采用三维图像重构技术的术前模拟，可从各种不同的角度观察肝与胆囊的接触、治疗部位附近的血管走向、胆总管与胆囊胆管的走向等，提高了手术的安全性。
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在机械电子技术方面,将CCD摄像机及各种工具等实现机械手化，能够进行更安全、更精细处理的系统也正在研究之中。
此外，为了确保在手术时的手术视野，一般情况下是向腹腔内充入二氧化碳气体，使腹部膨涨，目前，在日本已开发出在腹部皮下通过引线将腹壁吊起的方法，这一方法与腹部充气法相比，可充分确保手术空间且免除了充气法保持气体的很多限制，可根据情况通过遥测作快速且安全的调整。所用设备及运转成本也很低。
随着计算机技术的发展，计算机图像处理技术的不断提高，计算机在外科领域的应用越来越广泛，由于计算机的参与，使外科的微创治疗得到进一步的发展，开创了未来无需手术的外科的道路。虚拟现实技术为外科医生制订手术方案提供了客观、准确、直观、科学的手段。特别是计算机辅助外科技术为外科医生提供的第三只眼睛和手，能恰到好处地在患者体内进行治疗。此外，对于先天性疾患，也可从胎儿阶段进行外科治疗。如果计算机外科技术与通信技术等融合，到21世纪，将可通过虚拟医院，对生存于人口稀少、边远地区、宇宙空间及海底的患者实现远距离手术，相信随着科学的不断发展，这一天一定会到来。
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作者单位：刘士新 300192 天津， 中国医学科学院中国协和医科大学生物医学工程研究所
赵金城 300192 天津， 中国医学科学院中国协和医科大学生物医学工程研究所
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