CAS 系统的产生与发展
1.3.2.1 神经外科
CAS系统最初是为解决神经外科手术中病灶的定位问题而发明的。神经外科手术中的病灶一般位于脑颅的深处，不便直接观察和进行手术,所以首先要精确确定病灶的位置。利用CAS系统可以得到肿瘤和正常组织的三维模型，不但可以精确确定肿瘤的位置，而且可以进行手术模拟和制订手术计划。手术进行时，立体定位系统可以准确指出病灶的实际位置，引导手术器械完成手术。手术器械的入口可以是开放式、非开放式和封闭式的，手术的路径尽可能做到避开重要器官和组织，如眼球、视觉神经、主要血管和运动中枢等。导航系统实时跟踪手术器械的空间位置,并在显示器上同脑部的三维模型显示出来。手术医生通过观察显示器获得手术信息，操作手术器械按最优手术路径完成手术。基于CAS系统，神经外科出现了多种手术模式。开放式的开颅手术，主要用于切除体积巨大的脑内肿瘤；非开放的开颅手术，只需在颅骨表面切开一个很小的窗口，然后利用精密手术器械完成手术；完全封闭的放射治疗，利用放射线照射肿瘤，使肿瘤细胞致死。放射治疗是技术最为复杂的神经外科手术，目前正在发展的适型调强三维放射治疗技术(Intensity-Modulated Radiation Therapy，IMRT)，可以做到精确杀死肿瘤，且保证正常组织受到的伤害最小，具有广阔的应用前景。 1.3.2.2 骨科
CAS系统在骨科上的应用也非常广泛。人体骨骼在X射线成像和CT中呈高亮信号特征，成像清晰，经过三维重建可以得到高质量的三维模型。在接骨手术、假体植入、全膝置换、脊柱外科等手术中，通常需要先植入螺钉。利用CAS系统可以直观地得到需要植入螺钉的数量和位置。在假体植入、关节置换等手术中，需要摘除严重损坏的断骨和关节，并植入人造骨骼和关节。利用CAS系统，可以设计出匹配程度很高的假体，经过数控机床加工后，就可以得到假体实物。这种利用三维数字模型设计并制造医用假体的技术就是医用CAD、医用CAM的基本原理。 1.3.2.3 整形外科
整形外科手术特别是颅面整形手术不仅要求手术的质量，而且要保证手术部位的美观，是一类精细的外科手术。过去这类手术主要靠测量一些离散的长度、角度和比例等二维信息来大致了解畸形器官的情况，由于获得的信息较少，手术医生只能在大脑中构思手术的步骤，手术难度较大，且手术质量难以保证。利用CAS系统，可以得到手术部位术前三维模型，医生能清楚地看到畸形器官的形态，从而可以方便地安排手术计划。更重要的是手术模拟后，可以得到手术后的效果图，增加医生和病人的信心。 1.3.2.4 内窥镜手术
内窥镜手术是指把微型摄像机和辅助照明设备置入人体内，通过微型摄像机获得的影像信息来导航的一类手术，其最大的优点是手术创伤小。在传统手术中，为方便医生观察手术部位的情况，必须把手术部
位的切口开得很大才行，增加了病人的痛苦，同时带来了止血、麻醉、术后恢复、手术部位外观等一系列问题。如果利用内窥镜进行观察，只需要开一个很小的切口，允许内窥镜和特制的手术器械进入体内即可。术中，微型摄像机拍摄的影像信息显示在显示器上，手术医生通过观测显示器来完成手术。目前，内窥镜手术可应用于颅腔、胸腔、腹腔各器官的手术中，如肺部肿瘤切除手术，胆囊摘除手术等。 1.3.2.5
1.4 CAS 系统的发展前景
CAS系统自问世以来，迅速得到了各发达国家的重视，并投入大量资源进行研究开发，已取得了巨大的成就。目前，由于欧、美、日本等发达国家科研实力较强、起步较早，集中了CAS系统研究和制造的主要力量，如GE、ETHZ、Montreal、Shadyside等。也有一些公司已经开发出很多优秀的CAS系统，在国内外得到了广泛的应用，如：美国Medtronic公司的StealthStation TREON plus Treatment Guidance System、德国BrailLab公司的3D VectorVision系列外科手术导航系统等。
虽然CAS系统已经取得了巨大的成就，但就目前的技术而言，尚存在一定的局限性。首先，术中影像漂移问题无法很好的解决，造成在一些柔软器官、运动器官的手术中应用受到限制，采用内窥镜虽然可以实时获取术中影像，但不够直观，只能完成一些简单的手术。因此，CAS系统应用最成功的领域还只是神经外科和骨科，因为这两类手
术的影像漂移问题要小得多；其次，国际合作的医疗高速网络正在建设之中，还不足以为CAS系统提供安全可靠的高速网络，以满足远程手术的需要。CAS系统还局限于本医院的手术室内，巨大的潜力无法充
分发挥出来。一些发达国家正在进行相关方面的研究，相信在不远的将来，随着技术的进步，上述问题将会得到很好地解决，CAS系统的应用领域将更加广泛。 1.4.1 柔软器官和运动器官的手术
胸腔和腹腔内的器官大多数不仅很柔软，具有流动性，而且会随着心跳、呼吸的节律一起运动。在手术过程中，器官会发生位移和形变。因此，术前影像通常只能应用于术前诊断，而不能用于术中导航。目前主要采取的方法是内窥镜手术，虽然相对传统手术具有较大优势，但影像模糊，视野狭小，无法应用于复杂的手术。因此，内窥镜手术只是当前技术水平限制下的权宜之策，而要想彻底解决这个问题，必须做到两点：首先，要实时获取术中影像，即四维医学影像，虽然4DCT(4维CT)技术已经出现，但还远不成熟；其次，要做到术中影像和术前影像的实时弹性配准和融合，弹性配准是医学图像配准的一个难题，4D医学影像数据量巨大，要做到实时弹性配准更是不易，超出了当前软硬件发展的水平。 1.4.2 机器人手术
在模式识别、人工智能和自动控制等技术的推动下，机器人手术的优势日益突出。相对手术医生而言，手术机器人不会有精神压力，不容
易疲劳，可以持续工作，而且可以大量生产和普及。在某些场合下，人工手术由于自身的弱点很难保证手术的质量，如对精细的血管和神经进行手术时，手臂不可避免地颤抖是致命的。而机器人不存在这种生理上的缺陷，可以完全胜任这类工作。目前，已经有大量手术机器人应用于临床，但只适用于一些病灶位置较浅，复杂度较低的手术。在不远的将来，随着机器人技术的进步，手术机器人会走向各个科室。 1.4.3 虚拟现实和增强现实技术
虚拟现实技术是利用三维技术虚拟一个现实世界中的实体及其周围环境,给人一种身临其境的感受，主要用于手术模拟和医学教学。增强现实技术是指利用投影或显示设备,把虚拟世界中的物体或环境呈现在现实世界中，如把病灶的影像投射在患者身上，是医生视觉功能的延伸，便于更直观地掌握手术信息。如图1.2 所示，(a)为患者头部的实际图像，(b)为利用增强现实技术把患者的三维图像模型投射到患者头部得到的效果，从(b)中可以清楚地看到患者脑颅内部的信息。 1.4.4 远程手术和远程医疗的应用前景
利用医院信息系统(Hospital Information System, HIS)、图片归档和通讯系统(Picture Archiving and Communication System, PACS)和国际高速医疗互联网络终端，CAS可以完成远程手术和远程医疗。远程手术的原理可以简述为：利用高速网络终端把本地手术室中的音讯、医学影像等信息传送给远程的主刀医生，主刀医生通过控制台遥控手术室中的手术器械完成远程手术。远程手术的应用前景十分诱人，可应用于医疗资源共享、战地伤兵救护、太空医疗保障等民用、军用和太