在内窥镜手术过程中，外科医师需实时掌握手术器械的位置信息。现有目标检测算法受反光和阴影等因素影响，其准确度和漏检率仍有优化的空间。本文提出一种基于改进YOLOv5s的手术器械检测与分割方法。首先，通过Gamma校正算法校正图像的亮度和对比度，以解决手术器械的反光和阴影遮挡等问题；其次，设计CBAM和动态卷积模块，增加重要特征信息的权重，以进一步提高目标检测的准确度并减少模型的漏检率；同时，优化空间金字塔池化模块以扩大感受野，从而更好地识别多尺度目标；最后，设计FPN语义分割头，以实现语义分割功能。在内窥镜手术数据集上的实验结果表明，本文目标检测的mAP@0.5为98.2%，语义分割的mIoU为94.0%。所提方法可辅助外科医师快速掌握手术器械的位置和类型，提高手术效率。

传统的手术导航系统需要术者将视线在显示屏和病灶区之间切换，为了解决这个问题，引入了增强现实手术导航技术。为解决介入类手术中术者无法直接观察到患者病灶与手术器械的相对位置的问题，设计了一种面向介入类手术的增强现实导航系统。术前以Unity软件为开发平台设计虚拟手术路径，并实时显示术中病灶区与手术器械的相对距离。利用头骨和梯台实验对导航系统进行了精度验证，虚拟显示的误差约为3.3 mm。该研究证实了增强现实手术导航在介入类手术术前规划和术中实时引导的可行性。

近红外荧光成像是外科手术中实现术中导航的关键技术之一。近些年随着近红外二区（NIR-II，900~1 700 nm）光学生物成像理论的日趋成熟，NIR-II荧光成像技术成为临床手术导航领域的一大研究热点。本文基于NIR-II光学生物成像理论，简要介绍了NIR-II荧光探针及成像系统的发展现状，就NIR-II荧光成像技术在活体小动物手术与人体临床手术中的研究展开综述，讨论了该技术在未来临床手术中的发展潜力以及临床转化中需要面临的难点。

临床手术仍然是治疗疾病的主要办法之一，而目前外科手术中医生难以通过肉眼观察、超声等方法确定肿瘤边界、残余病灶以及微小转移病灶，这些传统方法在很大程度上可能会造成癌症术后复发。近红外二区聚集诱导发光（NIR?Ⅱ AIE）材料作为荧光手术导航试剂，其快速发展为解决这个问题提供了新的技术支持。本文基于NIR?Ⅱ AIE分子的结构设计，通过分析其结构，依据NIR?Ⅱ AIE荧光在手术导航中的研究进展，分别就NIR?Ⅱ AIE材料在肿瘤切除手术、检测切除淋巴结手术以及在其他组织中的应用进行详细分析，讨论了目前存在的一些问题，并对NIR?Ⅱ AIE材料手术导航应用的未来发展进行了展望。

在眼科显微手术中，传统的术中成像方式由于缺少深度信息，限制了内部结构和手术器械的可视化。光学相干层析成像技术(OCT)是一种非接触式断层成像技术，由于其能提供深度信息、非侵入、成像快、分辨率高等优点，被广泛应用于眼科手术的术中导航。典型的OCT设备可分为手持OCT和显微镜集成OCT。本文简要介绍了时域OCT和频域OCT的原理和发展，回顾了OCT眼科手术导航设备的发展历程，并对各个类别中有代表性的OCT系统进行了介绍，对其成像原理、性能、优缺点等进行了描述和对比，最后对该技术在眼科手术中的应用做出了总结和展望。

当前手术导航系统在使用时，医生的视线要在显示屏和患者之间来回切换，容易造成医生的视觉疲劳，进而影响手术安全性。针对这种限制，提出了一种基于双目视觉和混合现实的光学手术导航仪，可以在视线不离开手术区域的情况下进行外科手术导航。设计了一种新型虚实配准方案，建立虚拟空间和现实世界之间的映射关系，并通过数据处理单元和眼镜的无线通讯，实现了虚拟模型的实时虚实融合显示。对光学导航仪的精度进行了验证，并对虚拟头骨模型进行虚实融合显示实验。结果表明，虚拟模型和真实模型间的误差在4.5 mm左右，实时帧率在15 帧/s左右，验证了系统方案的可行性，展现了临床应用的潜力。

针对现有显微外科手术中内窥镜工作距离短、不能实现光学变倍、无法获得立体图像的问题，提出了长工作距、可变档变倍的双光路3D外视镜光学系统设计方案，其中单条光路由前后两组变焦系统组成，前变焦组子系统采用光学补偿的三组元式结构，其作用是实现工作距离、物方视场可变的同时保持出射光线平行；后变焦组子系统采用机械补偿的四组元式结构，其作用是接收前组子系统的平行光并保持像面位置及像高不变，组合而成的整体光学系统共有三个运动组元，通过三组联动的形式可达到变倍效果，该方案类比于筒长无限的显微镜，中间光路平行使得安装方便且可灵活插入分光器件，并推导了前变焦组子系统焦距与物方工作距离的关系方程，依据选定像元数为1920×1200、像元尺寸为4.8 μm×4.8 μm的高清CMOS，优化设计了物方分辨率为6.8~31.8 μm、物方视场范围为Φ15~Φ70 mm、工作距为180~380 mm、整体缩小倍率1/β可实现分别为1.36×、2.36×，3.36×、4.36×、5.36×以及6.36×的六个档位变化的3D外视镜光学系统。通过给定合理的公差范围，仿真结果表明，六档倍率情况下的光学系统调制函数在105 lp/mm空间频率处优于0.15概率达到90%以上，变倍凸轮曲线平滑无拐点，可满足显微外科手术要求。

近红外光学跟踪系统以其高精度、便捷的特点迅速发展成为手术导航中的重要组成部分。基于双目视觉设计了一套高精度、低成本的光学跟踪系统，该系统使用安装在器械上的被动标记球（NDI Passive Sphere）作为标记，并在双目相机镜头前添加近红外滤光片，以消除环境光的干扰。首先，采用轮廓过滤算法，用于标记轮廓的提取，使用最小二乘椭圆拟合算法获取标记投影中心的像素坐标；其次，设计了器械识别算法，使每个器械可以单独有序储存标记球的中心像素坐标，用于多个器械的分辨；最后，通过左右视图对应标记中心匹配，重建其空间坐标，进而推导出器械尖端在世界坐标系中的坐标。实验使用该系统跟踪器械，利用器械的无规则摆放实验验证了器械识别算法的准确性和鲁棒性，准确率达95%，平均识别时间仅需4 ms。并对系统进行了稳定性、静态定位精度、动态跟踪等测试。结果表明：稳定性误差可达0.13 mm，静态定位精度可达0.373 mm，所提出的近红外光学跟踪系统具有较高的精度和稳定性，可以满足手术导航的要求。

微创外科穿刺手术探针的末端力测量是实现其精准控制和提高手术质量的关键，对保证手术操作的安全性至关重要。本文针对穿刺手术探针末端力测量的实际需求，设计了一种可集成于探针中的法布里-珀罗（Fabry-Perot， F-P）腔级联布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）的光纤力传感器。首先，基于F-P腔的双光束干涉理论及光纤光栅传感理论并结合探针的悬臂梁结构，分析建立了植入在探针中光纤传感器的F-P腔和FBG传感模型，推导出F-P腔和FBG特征波长漂移量与施加力的映射关系，同时引入力与温度灵敏度矩阵，实现了探针力测量的同时有效避免了温度的交叉影响问题。接着，通过化学腐蚀的方法制备了光纤F-P腔并级联FBG形成传感器，并将传感器集成在手术探针中。最后，为了校准并检验本文所设计的F-P腔级联FBG光纤力传感器，对传感器进行了力与温度灵敏度的标定实验和稳定性测试实验。结果表明，该传感器的光纤F-P腔力灵敏度可达331.8 pm/N，FBG力灵敏度可达159.9 pm/N，线性度高于0.99，平均波长漂移为25 pm。本文设计的探针力传感器灵敏度高且线性度好，在微创外科穿刺手术机器人领域具有广阔的应用前景。