隨著醫療科技的飛速發展，外科手術已經從傳統的手術刀與醫師的雙手轉向依賴精密的科技設備。在現代開刀房中，手術導航系統（surgical navigation system, SNS）已成為外科醫師的得力助手。這些系統通過術前和術中的影像來提供解剖結構的即時視覺化，引導醫師更精確地進行手術操作。

不過，手術導航系統真是萬能的嗎？目前手術導航系統還有哪些挑戰要克服？國立成功大學電機工程學系楊家輝教授從技術層面分析，帶大家一窺手術導航系統的關鍵。

手術導航系統是一種結合影像技術、電腦輔助分析和導航技術的系統，主要用於一些複雜且需要高度精確的手術，堪稱醫師的「導航助手」。其中影像技術就如同地圖，則是手術導航系統的基石，在手術前進行電腦斷層（computed tomography, CT）、磁振造影（magnetic resonance imaging, MRI）或 X 光片，對病患要開刀的部位做高解析度掃描，獲取詳細結構資料。

之後，系統會將影像資料進行處理，重建成三維立體模型，這一過程有助於醫師在術前規劃手術，精確定位病灶位置、鄰近組織和重要神經、血管，並計算出最佳的手術路徑。三維影像的準確性對手術成敗極為重要，醫療團隊可能會進行多次驗證和校準。之後，醫師使用重建的三維影像制定詳細的手術計劃，確定進入病灶的最佳途徑，並預測手術過程中可能遇到的風險。

在手術開始前，還有一項關鍵任務就是針對影像精準定位，通常需要透過參考點或標記物來完成，這些參考點可能是手術前植入的標籤、骨骼結構，或是皮膚上的標記點，這些點與先前的影像資料相對應，幫助導航系統建立坐標，再由導航系統校準，以確保手術器械的實時位置與病患影像的三維模型一致。

而在手術過程，導航系統會提供病灶和手術器械的實時定位資訊，外科醫師可通過螢幕或顯示裝置查看手術進行的情況，系統會將病患的影像與手術實況同步顯示。同時，醫師可能需要一邊手術，一邊不斷以 X 光重新掃描，系統也會即時根據影像數據不斷調整立體影像，以確保立體影像精準呈現開刀部位的變化，協助醫師在手術過程中即時修正。

值得注意的是，傳統的手術導航系統，大多顯示在手術室螢幕上，醫師在進行手術時需要不斷將視線從患者身上轉移到螢幕上，導致醫師無法在同一時間觀察患者的手術部位和系統提供的影像資料，可能引起手術視角錯位。此外，目前的手術導航系統雖然能夠提供三維的解剖影像，但這些影像大多還是以 2D 螢幕呈現。醫師需要透過經驗來理解影像中的深度資訊，將其轉換為實際的三維操作。

混合實境（mixed reality, MR）技術的出現，是手術導航系統未來發展的一大突破點。混合實境技術是虛擬實境（virtual reality, VR）和擴增實境（augmented reality, AR）的結合體，它不僅能將虛擬影像疊加在現實世界中，還能與實體環境互動。有點像你戴上 AR 眼鏡玩遊戲，在現實世界中看到遊戲角色和物體，這一切都與你眼前的環境完美融合。醫師不再需要頻繁地轉移視線觀看螢幕，因為透過 MR 頭戴裝置，可以直接在手術現場看到疊加在患者身體上的虛擬解剖結構，提升了操作的直觀性。

在混合實境技術中，影像深度估測（depth estimation）是關鍵技術之一，就像是一個「虛擬的測距儀」。楊家輝教授解釋，影像深度估測能夠計算出影像中每個點的精確深度，讓系統知道哪些地方是「遠的」，哪些地方是「近的」。就像你在拍照時，手機會自動對焦，將背景模糊化，將主體變得清晰可見，影像深度估測能夠讓醫師將手術區域的深度資訊拿捏得更加精準。

此外，多鏡頭系統也為影像辨識帶來了新突破。多鏡頭系統從不同角度捕捉影像，能夠精確地計算景深，並將多角度影像整合為一個完整的三維圖像。多鏡頭系統能提高手術導航系統的影像辨識精度，特別是在處理複雜的解剖結構時，能提供更全面、細緻的視角，幫助醫師進行精準操作。

楊家輝教授指出，影像深度估測技術可以根據攝影機或傳感器的資料，準確計算出虛擬影像中每一個點與醫師之間的距離，在現實中呈現出與實際場景匹配的三維影像。這種技術的功能類似於「虛擬 GPS」，好處在於能精確地重建病患的內部結構，讓醫師「看到」皮膚和組織下面的結構，而不僅僅是表面的影像資料。如此一來，不僅解決了影像無法呈現立體結構的問題，還能避免影像與實體之間的對齊誤差。

目前手術導航系統大多被運用在神經外科、脊椎手術、骨科、牙科等，需要導航系統精確定位腫瘤或病變區域，或是提供精確的植入物位置指引。當然，手術導航系統中呈現的影像，若能與現實中病患開刀區域的畫面越一致，對手術過程的幫助就越大，楊家輝教授指出，手術導航系統在處理軟組織時會面臨較大的挑戰。

與硬組織如骨骼不同，軟組織更為靈活、容易變形，在手術過程中可能隨著工具的操作而改變形狀。這使得導航系統難以即時精準地追蹤軟組織的變化，導致影像與實際手術狀況出現偏差，進而影響操作的準確性。

楊家輝教授舉例，肝臟手術的一大挑戰在於其組織質地。肝臟是軟組織，其形狀在打開腹腔後會變得不穩定，這增加了手術的難度。肝臟的柔軟性使得影像與實際肝臟的貼合更加困難，特別是手術操作時，肝臟的表面張力可能會隨著外力改變形狀，這進一步增加了操作的難度。對於軟組織，系統需要即時處理可能發生的形狀變化。

手術導航系統的發展從根本上改變了醫師進行手術的方式，從「摸索」到「導航」，從依賴直覺到結合科技輔助。未來的手術導航系統可能會整合多種影像來源，除了 CT、MRI，還包括正子斷層造影（positron emission tomography, PET）、光學同調斷層掃描（optical coherence tomography, OCT）等。這些不同模態的影像資料可以提供不同的組織屬性和功能資訊，讓醫師對手術區域的了解更加全面、精確。

此外，隨著 AI 技術的發展，手術導航系統有望變得更加智慧化和自主化，例如：自動識別手術中的解剖結構、病灶區域和重要神經、血管等組織，並在發現異常或潛在風險時自動發出警示，幫助外科醫師即時調整操作策略，避免不必要的損傷；或是透過 AI 分析患者的病史、影像資料和手術結果數據，提出最佳的手術路徑和操作策略，甚至預估潛在的併發症或風險。

另一方面，混合實境技術可以用於遠距手術輔助和培訓。資深醫師可以透過 MR 設備遠距引導其他醫師進行手術，並實時提供手術意見。這將大大促進全球醫療資源共享，尤其是對於資源匱乏的地區。此外，混合實境技術可以用於模擬手術培訓，讓年輕醫師在虛擬環境中進行手術演練，提升技術。

儘管目前還有一些技術挑戰需要克服，手術導航系統的未來無疑充滿潛力。在不久的將來，我們可以期待手術導航系統不僅僅是醫師的輔助工具，還將成為手術過程中不可或缺的核心技術，進一步推動醫療領域的進步與創新。