光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）具有为子宫切除术提供实时手术导航以避免输尿管损伤的潜力，包括基于光声的距离测量和听觉警报以警示外科医师存在不安全 proximity。工具尖端追踪性能的验证以及外科医师与多种源于光声工具尖端追踪的反馈选项交互的评估，对于评价预期影响至关重要。研究人员将追踪的工尖端位置与获取的真值数据进行比较，以验证其最近提出的基于速度的追踪方法。随后，一项包含妇科外科医师、妇产科（OB/GYN）住院医师以及非医学专业人士对照组的用户研究被开展，以确定利用源于所提出速度追踪方法的多种光声反馈技术所能实现的改进程度。各种程序化工具运动的平均均追踪误差在横向和轴向分别为0.24 mm和0.56 mm。光声距离测量、听觉反馈和光声视频显示的组合将工具至输尿管距离的正确分类率提高了11.1%至48.1%，并将用户的汇总反应时间缩短了1.72–2.15 s（即37–47%的改进），相对于摄像机视频而言。研究结果对于光声手术导航系统的持续开发具有前景，该系统能够成功减少子宫切除术中的输尿管损伤，同时降低对主观基于摄像机的可视化的依赖，并解决传统手术成像中深度感知的局限性。将光声图像导航整合到术中工作流中具有提升手术安全性的潜力。
子宫切除术（即子宫的外科切除）是美国女性中最普遍的非常产科手术，每年有超过600,000例手术。该手术需要在避免邻近输尿管的同时对子宫动脉进行电凝和横断处理，而输尿管与子宫动脉的距离仅在数毫米之内。妇科手术占术中输尿管损伤的75%，其中50–70%在术中未被发现，可能导致额外手术、恢复期延长、脓毒症和患者死亡等并发症。输尿管检测在子宫内膜异位症、盆腔恶性肿瘤或既往手术导致广泛瘢痕组织的病例中尤为困难。扭曲的解剖结构进一步增加了输尿管在过剩组织下方可视化的难度，恶性条件下输尿管损伤发生率高于非恶性条件即为佐证。仅依赖腹腔镜摄像机视图的外科可视化还可能因血液、烟雾或器械造成的间歇性遮挡而进一步受损，这些因素可能遮蔽关键解剖结构。当输尿管无法检测时，外科医师可能诉诸输尿管松解术等额外手术，从而增加手术时间和对周围腹部器官的风险。
现有输尿管检测方法包括排泄性尿路造影、逆行尿路造影和泌尿计算机断层扫描，但这些方法缺乏实时导航且存在辐射相关风险。虽然近红外荧光成像等光学方法借助染料可实现输尿管实时可视化，但其受限于浅表组织穿透深度和具有挑战性的腹腔镜可视化，尤其在涉及子宫内膜异位症、盆腔恶性肿瘤或广泛瘢痕组织的高风险病例中。近期虽有经阴道超声用于输尿管识别的报道，但盆腔超声并非常规用于临床或手术环境中的输尿管定位。此外，超声成像在具有大阔韧带肌瘤或子宫脱垂的女性中效用有限，而这两种特征恰为子宫切除术候选者的常见情况。超声成像还受深度依赖性声衰减和角度依赖性影响，可能降低工具对比度。
光声成像已成为手术导航的有前景解决方案。该方法利用脉冲激光激发光吸收色团，导致热膨胀并产生由标准超声探头接收的声波。其优势包括与超声相似的空间分辨率、相较于光学方法更深的穿透深度、基于光学特性的组织区分能力，以及通过图像显示所提供的深度感知。穿透深度随光学波长和组织类型而异。光声成像还能高对比度地可视化金属工具，这归因于金属的高光吸收特性，而这正是单独超声成像的局限所在。Wiacek等已证明区分输尿管、子宫动脉和金属手术工具尖端的能力，同时通过听觉警报向外科医师传达工具尖端与输尿管的 proximity 以避免意外损伤。然而，基于摄像机的距离测量存在深度感知缺失的局限，可能扭曲对非平面手术结构间距离的感知。
本研究旨在弥合实验验证与临床实施之间的差距，通过改进和评估工具尖端追踪方法及相关技术，以成功传达工具尖端与输尿管的 proximity。研究首先利用机器人臂提供的真值位移对最近提出的光声工具尖端追踪方法进行验证，随后在人类尸体数据上开展实验，以评估用户与融合该验证光声工具尖端追踪方法的手术导航反馈技术的交互。
**验证光声距离测量**
研究人员采用由Verasonics Vantage 128超声扫描仪与Phocus Mobile激光器同步触发的光声成像系统进行验证。超声扫描仪连接Verasonics P4-2v相控阵超声探头，激光器连接至芯径1 mm、数值孔径0.39的光纤。光纤游离端插入da Vinci大针持手术器械，工具尖端经改装以暴露约0.3 mm的光纤尖端长度。工具固定于UR5e机器人臂的末端执行器，该机器人臂位姿重复精度为±0.03 mm。实验采用结晶二氧化硅在去离子水中配制的含水散射体模，浓度为1 g/L，温度45°C。
为建立程序化机器人工具运动与光声图像测量之间的关系，研究人员采用眼到手配置。在此配置中，超声探头刚性固定于环形支架，机器人操纵工具。该过程分三步进行：首先进行工具中心点校准以确定从机器人末端执行器到工具尖端的变换矩阵T
ET ；随后获取机器人运动学信息并组织为有向无环图以确定机器人基坐标系与工具尖端位置之间的变换矩阵T
BT ；最后执行基于对齐的程序以确定光声图像轴与机器人笛卡尔轴之间的变换矩阵T
BI 。对齐完成后，计算帧间位移，分别得到基于机器人的位移r
i 和基于光声的位移p
i 。
为模拟子宫切除术中的工具运动，机器人被指令执行六次往复扫掠，包括轴向47 mm、横向77.5 mm或同时跨越轴向和横向的52.7 mm曲线路径。运动速度分别为15 mm/s、9 mm/s和9 mm/s，基于妇科外科医师开放手术中测得的最大预期速度（轴向17.26 mm/s，横向10.68 mm/s）。运动约束于探头图像平面内，不发生离面（ elevation ）运动。机器人位置以500 Hz记录，光声通道数据以10 Hz采集。每帧光声通道数据经标准接收延时补偿后，采用短滞后空间相干（Short-Lag Spatial Coherence, SLSC）波束形成处理，累积空间滞后为15个元素，相关核尺寸相当于一个声学波长。波束形成前加入高斯噪声以改善SLSC图像中的相干区域估计，信道信噪比为-10 dB。所得SLSC图像以0.15阈值进行分割以滤除噪声并实现工具尖端识别。
工具运动在光声图像间进行追踪以计算连续帧间的光声工具位移。初始工具尖端位置在每试次中经人工确认。为在后续帧中定位工具尖端，研究人员实施了基于速度的滤波，利用既往报告的最大横向和轴向速度v
x = 10.68 mm/s和v
z = 17.26 mm/s，将单帧图像T
i 中的工具尖端约束于由±v
x 和±v
z 除以帧率定义的区域内。以最大连通分量的质心而非最亮点像素来定义滤波后的工具尖端轴向和横向位置。若工具检测低于SLSC像素阈值或无连通分量发现，则忽略该工具信号，不存储位置，并将受限区域重置为整个图像帧以恢复追踪。该追踪程序使用MATLAB 2024a软件实现。
光声与机器人工具位移用于确定运动追踪误差，以每维平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）计算，同时计算绝对误差的标准差。因机器人位姿采样率为500 Hz而光声帧率为10 Hz，每帧光声数据匹配时间上最接近的机器人位姿。移出光声成像视野的工具位置被排除于与机器人衍生位移的比较之外。此外，无速度滤波的最亮点定位方法的结果也被测量以作比较。
**评估光声测量的手术设置**
研究人员在获取的人体尸体上开展开放手术以获取用于测试工具追踪方法的外科数据。尸体来源于马里兰州解剖委员会，经约翰霍普金斯健康安全环境部门批准。光声系统采用相同的Phocus Mobile激光器，耦合至5 mm直径光纤束。配准的超声和光声数据采用Alpinion ECUBE12R研究超声扫描仪采集，连接Alpinion EC3-10经阴道超声探头，中心频率6 MHz，光声数据获取率5 Hz。发射激光波长为690 nm和750 nm，分别用于可视化充填亚甲蓝的输尿管和邻近的子宫动脉。外科工具尖端、输尿管和子宫动脉区域按既定方法定义。
在输尿管和子宫动脉位置保持固定的条件下，由一名具有执业资格的妇科外科医师执行工具扫掠。工具在输尿管和子宫动脉之间导航，先接触输尿管，再扫向子宫动脉，最后接触子宫动脉。初始工具尖端位置在每段扫掠的首帧光声视频中经人工确认。外置摄像机（iPhone 8）同步可视化手术野并记录，通过语音提示实现摄像机视频与光声数据的同步。
**光声测量用户研究**
经约翰霍普金斯大学霍姆伍德机构审查委员会批准并获得知情同意后，三名具有执业资格的妇科外科医师、三名妇产科住院医师和三名非医学专业人士参与评估多种反馈选项。参与者在评估前接受五分钟关于光声图像导航、摄像机视频中感兴趣目标以及相应超声图像或光声反馈方法的辅导，使用定制图形用户界面（Graphical User Interface, GUI）在13.4英寸笔记本电脑上完成评估以确保标准化观看条件。
GUI使每位参与者观看2秒视频片段，显示以下七组反馈信息：摄像机视频单独、摄像机视频+光声视频、叠加于摄像机视频的光声距离测量（安全时白色编码，不安全时红色编码）、叠加于摄像机视频的光声距离测量+光声视频、摄像机视频+光声听觉反馈、摄像机视频+光声视频+光声听觉反馈、叠加于摄像机视频的光声距离测量+光声听觉反馈。每阶段包含六个按相同顺序呈现的片段，阶段本身也按固定顺序呈现，从熟悉的摄像机视频进展到不熟悉的组合光声方法，以减少混淆和偏倚。
观看每一片段后，参与者需判断所显示工具运动是否安全："是，安全"、"可能，危险区"或"否，立即停止"，分别对应>5 mm、3–5 mm和<3 mm的真值工具至输尿管距离类别。这些基于热扩散阈值的类别反映了双极电凝能量的热传播特性。每个安全级别有两段视频。反应时间被记录，15秒无响应则超时进入下一片段以模拟实时外科决策。超时未答问题在每阶段末重访以确保完整性。参与者口头述决策过程并完成研究后访谈，讨论个人安全阈值、最偏好的反馈模式以及引入光声反馈后对术中距离测量感知的改变。
**统计分析**
研究人员采用广义线性混合效应模型分析分类准确率的二元结局差异，采用线性混合效应模型比较各反馈方法的反应时间。两种模型均以反馈方法为固定效应，参与者和片段为随机效应以考虑参与者内重复测量和片段间变异。首先进行总检验评估反馈方法的整体效应，随后进行Bonferroni校正的两两比较，显著性水平为0.05。
**机器人与光声距离测量结果**
图5显示程序化机器人运动及相应的轴向和横向机器人与光声位移。定性而言，实施速度滤波后与机器人位移的对齐得到改善。表1报告MAE值，证实滤波后MAE降低。各种程序化工具运动的平均追踪误差在横向为0.24 mm、轴向为0.56 mm。无滤波时最亮点方法的误差在横向为0.55 mm、轴向为0.79 mm，验证策略中横向和轴向误差范围分别为0.06–0.38 mm和0.18–0.76 mm。
**手术反馈选项评估结果**
图6显示九名参与者汇总的手术反馈评估结果，按反馈方法和安全级别分类。378次观察结果中，正确分类率从高到低依次为75.9%、74.1%、74.1%、66.7%、64.8%、38.9%和27.8%，对应反馈方法7、4、6、3、2、5、1，光声反馈方法相对于仅摄像机视频提高了11.1–48.1%。除反馈方法5外，基于光声的反馈方法均与仅摄像机视频存在统计学显著差异。图7显示各参与者亚组前三名反馈方法的结果，外科医师、住院医师和对照组的平均正确分类率分别为85.18%、50%和88.89%，而仅摄像机视频时分别为33.3%、33.3%和16.7%。
**用户反应时间与偏好**
图8显示按反馈方法分层的用户平均反应时间。反馈方法3、4、6、7具有最低反应时间，其中4和7与仅摄像机视频相比具有统计学显著差异。前三名分类排名方法（4、6、7）的汇总反应时间缩短1.72–2.15 s（即37–47%改进）。表2详细列出各用户组的反应时间。外科医师中，方法3、4、7反应时间最短，但方法3的分类排名为4。图9显示用户偏好堆叠柱状图，最受偏好的方法为摄像机视频+光声视频+光声距离测量（反馈方法4），两名外科医师和两名对照组参与者最偏好该方法，无用户偏好仅摄像机视频。
**讨论**
本研究通过距离测量验证和用户评估展示了光声手术导航系统的潜在影响。速度滤波后工具追踪误差范围为0.06–0.76 mm，与使用额外追踪标记和增强现实显示的外科工具追踪方法报告误差<0.5 mm相当。鉴于输尿管直径3–4 mm、输尿管与子宫动脉距离可小至2.1–2.5 cm，该误差范围对于所提任务可接受。
研究设计中，体模实验使用程序化机器人工具运动作为真值，利用机器人臂的高重复性和精确工具尖端位置估计，避免了光学跟踪系统的视线遮挡问题或电磁跟踪系统的铁磁干扰问题。因此，亚毫米误差代表追踪方法的内在算法误差，定义了光声工具至输尿管距离的预期误差范围。
子宫切除术中，相关解剖结构可被有意置于图像平面内，超声探头可按需重新定位以实现所需的平面内可视化，这支持了研究对二维工具尖端追踪的主要关注。若存在离面运动，基于一根或多根光纤附着于工具尖端的光传输设计会导致离轴杂波并降低信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），低SNR检测可被表征为低置信度以排除于距离计算。此外，工具尖端可能仍位于探头 elevation 视野内而部分离面位移，此时真实三维距离增加，显示的二维平面内距离可能高估而非低估风险，这对安全关键解释而言是可取的。
评估独立实施的最优光声反馈方法时，基于总正确分类率和反应时间的排名为：叠加光声距离测量的摄像机视频、摄像机+光声视频、摄像机视频+光声听觉反馈。光声距离测量独立和组合使用时均有效，被纳入两种最优方法。反馈方法4（摄像机+光声视频+光声距离测量）为大多数用户所偏好。不同经验水平影响反馈方法的使用效果，但各经验水平组在最优方法下均提高了分类准确率。非医学对照组在方法6和7中达到最高分类准确率，凸显技术在培训下一代外科医师方面的价值。
先前研究确定低手术量外科医师（每年<10例子宫切除术）比高手术量外科医师具有更高的输尿管损伤风险。该系统通过提供客观实时距离测量，减少对主观视觉评估和向培训生口头指导的依赖，缩短决策时间，并为各级经验的外科医师提供工具至输尿管距离的确认，增强安全判断信心。
尽管研究限于9名参与者，但统计分析关注参与者间而非参与者组间的反馈方法差异。线性混合效应模型已推荐并应用于n≤10的重复测量设计，以估计个体内效应量和相对处理性能，虽不支持群体水平推断，但提供了特定研究队列内有用量化。反馈方法的非随机顺序可能引入疲劳或练习等顺序效应，但性能未随实验进展线性改善或恶化，且通过培训环节减轻练习效应，通过不设时限和重放超时片段减轻潜在厌倦效应。
未来工作将部署本研究确定的最优反馈方法，首选为最受外科医师和对照组偏好的方法4。额外努力将聚焦于开发操作者指导策略以帮助维持关键结构于成像平面内，或自动建议探头调整以最大化平面内可见度和光声信号强度。部署后，下一步将评估该技术在实时腹腔镜手术中的交互。
**研究结论**
本研究介绍了用于子宫切除术的新型光声图像导航系统的多种反馈组合方法，提供经验证工具尖端追踪误差范围为0.06 mm至0.76 mm的客观光声工具尖端至输尿管距离测量。相关距离测量被转化为六种光声反馈方法，其中三种被确定最有助于提升外科医师、住院医师和非医学专业人士对照组的输尿管安全分类。前三名反馈方法为：（i）叠加于摄像机视频的光声距离测量+光声听觉反馈（反馈方法7，分类准确率75.9%，反应时间最短）；（ii）叠加于摄像机视频的光声距离测量+光声视频（反馈方法4，分类准确率74.1%，最受用户偏好）；以及（iii）摄像机视频+光声视频+光声听觉反馈（反馈方法6，与方法4相同分类准确率）。研究结果对于改善手术安全性、培训、实时导航和决策时间具有前景，从而减少了对主观视觉评估的依赖并克服了仅依赖摄像机视图的局限性。
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