计算机辅助外科的发展

计算机辅助外科（computer assisted surgery，CAS），在以往的文献中也称为影像引导外科（image guided surgery，IGS）、手术导航（surgery navigation）以及机器人辅助外科（robotics aided surgery），是随着计算机技术和影像学的发展而产生的。目前提到计算机辅助外科，在许多人的脑海里与计算机导航手术近乎等同。然而，计算机辅助外科应该包含渗透到外科领域中、促进外科科研、教学和临床发展的所有计算机技术，而且，实际上随着计算机辅助设计、制造、分析（CAD、CAM、CAF）传统工业手段，以及逆向工程、虚拟现实技术、快速成型技术等等向医学的渗透，计算机辅助外科已有了更多的内涵和外延。计算机辅助外科用来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后，在实现的目的上有计算机辅助手术设计、虚拟手术训练、计算机术中导航、手术预测及评估等。

正如计算机技术从出现就与医学结合一样，计算机技术在外科科研、教学和临床中的应用也伴随了计算机技术发展的每一个时期，每一个方面。例如：

外科临床诊断及手术设计。从最初的手摸体会到X线平片的出现，到CT、MRI断层平扫，再到三维重建，影像学的每一次变革都极大地推动了临床诊断与治疗的进步。我们知道，图像是生物医学知识的重要组成部分，图像为理解生物结构和功能提供便利，是医学教育、研究和保健的重要组成部分。对一个外科医师，在诊治的全过程要对病灶局部解剖毗邻的空间关系尽可能多地了解，以达到精确地诊断、手术和术后评价。传统的二维影像，需要术者在大脑中重构三维关系。当我们外科医师在术前、术中、术后获得人体生理和（或）病理的三维信息时，必然会促进外科的发展！目前的影像学技术，不但可以提供给临床医生静态的三维信息，而且可以提供三维功能成像。

快速成形技术（rapid prototyping，RP）：是直接从计算机模型用材料逐层或逐点堆积出三维物体，作为计算机辅助制造（computer assisted manufacturing，CAM）技术中的一种，近10年来已经成功应用于医学领域的诸多方面。医学影像技术与快速成型技术结合，使医学影像不但从二维平面影像发展到三维立体，而且发展到目前的器官实物模型。可以将解剖毗邻复杂的病变部位变成实物模型，放在医生的手上，可以反复进行手术模拟与修正。进一步与计算机辅助设计（computer assisted design，CAD）的结合，不但可以制造出人体解剖结构模型，而且可以制造出与人体解剖结构表面完全匹配的手术导板来。

三维有限元模型：生物力学（biomechanics）是解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透、融合而形成的一门新兴交叉学科。如果没有生物力学，则很多生物学的、医学的现象就不可能解释，而在共同解决同一生物学或医学问题过程中，生物力学的理论和技术要求也极大地促进了生物医学工程学其他分支的发展。生物医学工程上广泛使用的有限元法也是生物力学重要的研究手段之一。由于人体结构的复杂且难以直接测量，所以最初的有限元模型都是二维模型，医学影像科学的进步使得现在研究者可以借助医学图像来建立三维有限元模型。

数字解剖学方面：解剖学是外科的基础，计算机辅助外科手术计划在临床的推广应用需要新的基础学科支持，数字解剖学应运而生。新的计算机技术可以利用连续断层图像进行三维重建，可以精确地显示生物组织复杂的三维结构，并可进行任意旋转、剖切等观察和操作；可以对重建的三维结构进行测量，获得长度、面积、体积和角度等大量精确的解剖参数。基于数字人数据集的高精度三维人体解剖模型，可以更好地观察人体解剖结构及其毗邻关系。国内基于中国数字人数据集的三维可视化研究，进一步丰富了对人体三维解剖的认识。

虚拟现实：自20世纪60年代后逐渐引起人们重视的一项以计算机技术为核心的新技术。虚拟现实是一门集成了人与信息的科学。其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成。尸体标本进行解剖是传统人体解剖学教学必不可少的条件，标本缺乏严重影响教学质量的提高。虚拟现实技术的产生能使学生在虚拟的人体标本上进行解剖观察和学习，可缓解尸体标本缺乏的状态，降低教学成本，提高教学质量。虚拟现实技术不但对医学和辅助医学专业的解剖教学至关重要，而且虚拟手术可以帮助外科医学进行计算机辅助诊断，手术仿真模拟等操作，从而实现手术的精确和微创。

介绍了以上内容后，大家可以发现，目前计算机辅助外科发展的特点是发轫于医学影像学的进步，促进了计算机辅助外科从二维到三维，从平面到立体，从静态到动态，从形态到功能的转变。计算机辅助外科的核心问题是三维建模，三维建模是沟通医学影像与计算机辅助外科之间的桥梁，医学影像提供了人体的三维信息，计算机辅助外科首先需要在计算机中生成反映组织器官真实三维结构的模型以便进一步地进行辅助手术设计，手术评估。因而，医学三维建模在计算机辅助外科中具有重要的地位。