外科手術(shù)導(dǎo)航相關(guān)研究

1、1、高精度手術(shù)導(dǎo)航的研究與應(yīng)用緒論：傳統(tǒng)的外科手術(shù)，無論是術(shù)前規(guī)劃還是術(shù)中決定手術(shù)進(jìn)程都依賴于醫(yī)生的 經(jīng)驗(yàn)。然而，術(shù)前對(duì)病灶部位沒有準(zhǔn)確的三維結(jié)構(gòu)描述，術(shù)中僅能見到暴露于 表面的區(qū)域，對(duì)體內(nèi)手術(shù)操作存在較大風(fēng)險(xiǎn)。從而傳統(tǒng)外科手術(shù)往往會(huì)造成手 術(shù)開口大，術(shù)后恢復(fù)時(shí)間長等問題。隨著數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)飛速發(fā)展，形成了一個(gè) 新的研究及臨床應(yīng)用熱點(diǎn)：計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)(Computer Aided Surgery, CAS。CAS利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬和指導(dǎo)手術(shù)所涉及的各個(gè)過程，包括術(shù)前規(guī)劃，手術(shù) 導(dǎo)航，輔助性治療規(guī)劃等。CAS相對(duì)于傳統(tǒng)外科手術(shù)，有術(shù)前規(guī)劃更準(zhǔn)確，手 術(shù)微創(chuàng)、快速、安全等

2、優(yōu)點(diǎn)。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng) (SurgicalNavigation System SNS 是CAS的一個(gè)應(yīng)用，它 將病人術(shù)前影像數(shù)據(jù)和術(shù)中病人解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，在術(shù)中為醫(yī)生實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo) 航。圖1-1是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)示意圖，它包括手術(shù)器械、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、 圖形工作站和顯示設(shè)備。，茨堂舸傑二如審?fù)鹿鈱W(xué)甌底系蔬求出手朮蒸匾的 應(yīng)貲和姿態(tài)，立瘁圈椽王準(zhǔn)丁件站Q 1-L于曜孑航尋電囹Figure 1-1 Schtniiitic diagrtn surgical navigaticn手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程1881年，Zernov制成了腦測(cè)量儀并應(yīng)用于臨床，完成了人類最早的立體定向手術(shù)。1908年，Horsley

3、和Clarke創(chuàng)建腦立體定向技術(shù)。1947年，瑞典 科學(xué)家Leksell設(shè)計(jì)的半弓形頭架為腦立體定向外科的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1979 年，Brown發(fā)明了用定位框架與 CT掃描一起配準(zhǔn)，用于神經(jīng)系統(tǒng)非功能性疾 病。1986年Robert及其同事討論的一種與CT圖像、顯微鏡相結(jié)合的無框架 定向手術(shù)系統(tǒng)的觀念一出現(xiàn)，就迅速激起了設(shè)計(jì)制造無框架定向手術(shù)的熱潮。此后，隨著數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，形成了一系列機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)。1986 年Roberts首次報(bào)告使用聲波數(shù)字化儀跟蹤手術(shù)器械或顯微鏡的方法。1991 年Kato報(bào)告了電磁數(shù)字化儀的設(shè)計(jì)原理和臨床應(yīng)用，該系統(tǒng)主要由三維電磁數(shù)字 化儀、三維磁源、磁場(chǎng)感應(yīng)器

4、和計(jì)算機(jī)工作站構(gòu)成。1992年美國將紅外線數(shù)字 化儀導(dǎo)航應(yīng)用于臨床，那是世界上首臺(tái)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)包括框架式機(jī)械系統(tǒng)和無框架機(jī)械臂定位系統(tǒng)?？蚣苁綑C(jī)械 系統(tǒng)，又稱為框架機(jī)械立體定向儀。其特點(diǎn)是精度比較高，但是設(shè)備比較笨重， 病人比較痛苦，也會(huì)影響手術(shù)視野，妨礙醫(yī)生的操作。目前，有框架立體定向 手術(shù)系統(tǒng)仍廣泛應(yīng)用于神經(jīng)外科的微創(chuàng)手術(shù)，完成如穿刺、高頻電極治療、定 向放療等需要高定位精度的微創(chuàng)手術(shù)。此后，隨著數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，又出現(xiàn)了無框架機(jī)械臂定位方式，這一 系統(tǒng)在手術(shù)中不用機(jī)械框架進(jìn)行定位，同時(shí)將機(jī)械臂技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié) 合來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。機(jī)械臂上有多個(gè)關(guān)節(jié)，手

5、術(shù)中計(jì)算機(jī)通過測(cè)量關(guān)節(jié)的相對(duì) 運(yùn)動(dòng)來確定機(jī)械臂的位置。缺點(diǎn)是機(jī)械臂使用不便，定位精度不夠，限制了它 的應(yīng)用。超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)超聲波定位的原理是超聲測(cè)距。這類系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)射器、接收器、 手術(shù)器械和計(jì)算機(jī)組成。發(fā)射器安裝在標(biāo)架上，接收器安裝在手術(shù)器械上，以 固定聲速計(jì)算發(fā)射器和接收器之間的相對(duì)距離，然后以發(fā)射器為中心，相對(duì)距 離為半徑作球面，球面的交點(diǎn)就是接收器的空間位置。采用陣列接收器，通過 時(shí)間平移、縮放以及智能求和回波能量，可以構(gòu)建高清晰度的圖像。在嚴(yán)格的 實(shí)驗(yàn)室條件下，超聲波定位的精度可達(dá)到 o.4m m。超聲波定位的缺點(diǎn)是易受環(huán) 境噪聲的干擾，而且因?yàn)橄到y(tǒng)假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度

6、是常數(shù)，所以空 氣溫度、氣流和非均勻性都會(huì)影響系統(tǒng)精度。B 1超聲渡導(dǎo)航rLguir 卜3 Lltriifitniic電磁波導(dǎo)航系統(tǒng)電磁波定位的原理如圖1-4所示，一般包含三個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和一個(gè)磁場(chǎng)探 測(cè)器。每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器線圈定義空間的一個(gè)方向，探測(cè)器線圈檢測(cè)由磁場(chǎng)發(fā)生 器發(fā)射并通過空氣或軟組織的低頻磁場(chǎng)，由各發(fā)生器間的相對(duì)位置和接收到的 信號(hào)就可以確定探測(cè)器的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位，其定位精度可達(dá) 2mm。這種定位方法造價(jià)低，方便靈活，探測(cè)器與發(fā)生器之間沒有光路遮擋問題。缺點(diǎn)是它對(duì)金屬物體很敏感，特別是對(duì)手術(shù)區(qū)域中的鐵磁性儀器。由于手 術(shù)室中監(jiān)護(hù)儀、麻醉機(jī)、高頻電刀等設(shè)備的頻繁使用 使

7、得空間中存在大量多頻J譜電磁波干擾，影響電磁導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和可靠性。日1斗電碟諫導(dǎo)軌Figure 1-4 Elettrc)mignetic navigntloj光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)90年代出現(xiàn)了光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，HeilBrun等人利用三目和雙目機(jī)器視覺原理, 使用普通光或紅外光成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間定位，這種定位儀的精度較高，應(yīng)用靈 活方便，但易受術(shù)中物體的遮擋、周圍光線及金屬物體鏡面反射的影響。光學(xué) 導(dǎo)航系統(tǒng)是目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的主流方法，分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，它們 都以CCD攝像機(jī)作為傳感器。主動(dòng)式光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)在手術(shù)器械上安裝幾個(gè)紅 外發(fā)光二極管，它們發(fā)出的紅外光被攝像機(jī)采集。被動(dòng)式光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)是在攝 像

8、機(jī)周圍安裝紅外光源，在手術(shù)器械上安裝幾個(gè)紅外反光小球，由反光球反射 的紅外光被攝像機(jī)采集。聶1-1客料孚粧來捉比軟Id Conip.irMm (?! ii vi ic!y of技晁施銘電揪手釆器械商代響昔做干撫現(xiàn)帑電穗宣伍黑桂劇需呦脈柚小幷廿無段和棄宜反殆揚(yáng)做干猶無懇舟謎進(jìn)檔&爭(zhēng)術(shù)器娠史無方便值聆有電誅慢”曲生感劉不址尢魚發(fā)栽追曹手術(shù)導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)1. 術(shù)中配準(zhǔn)病人實(shí)體和病灶部位三維重建后的數(shù)據(jù)，利用跟蹤定位系統(tǒng)定 位手術(shù)器械，可實(shí)時(shí)顯示手術(shù)器械相對(duì)于病灶部位的位置。從而可以觀察到病 灶部位內(nèi)部或者軟組織覆蓋下的結(jié)構(gòu)。這使得手術(shù)可以做到微創(chuàng)，減短術(shù)后的 康復(fù)期。2. 手術(shù)導(dǎo)航儀可以全程記錄手術(shù)過程

9、及術(shù)中各種數(shù)據(jù)，可用于術(shù)后分析。3. 可以借助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)執(zhí)行異地手術(shù)，使得更多患者能享受到專家級(jí)的 手術(shù)治療。4. 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)促使了手術(shù)方式的革新，如內(nèi)窺鏡手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)和遠(yuǎn)程 手術(shù)等。手術(shù)導(dǎo)航的現(xiàn)狀和前景自1990年，美敦力公司推出全球第一臺(tái)紅外手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)Stealthstation以來，導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用迅速發(fā)展。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)最早應(yīng)用于神經(jīng)外科領(lǐng)域，近 年來，隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，其臨床范圍已逐步擴(kuò)展到功能神經(jīng)外科、脊 柱外科（骨科）、耳鼻喉科、整形外科等。如神經(jīng)外科顱內(nèi)腫瘤的切除（特別是肉 眼難以分辨或血管豐富的小病灶、腦深部的病灶、以及腦內(nèi)邊界不清的病灶如 大型膠質(zhì)瘤等），功能神經(jīng)

10、外科立體定向活檢與運(yùn)動(dòng)性疾病的治療（如帕金森氏疾?。怪饪棋F弓根釘植入、畸形矯正、頸椎手術(shù)、與最新開發(fā)的經(jīng)皮穿刺、 關(guān)節(jié)置換等復(fù)雜的骨科手術(shù)，耳鼻喉科包括前顱底、側(cè)顱底、骨瘤切除、幼兒 鼻腔鼻竇等所有耳鼻喉科手術(shù)，整形外科頜面手術(shù)、口腔植入手術(shù)等。當(dāng)前國內(nèi)醫(yī)院使用的大多是國外導(dǎo)航系統(tǒng)，價(jià)格比較昂貴，醫(yī)患雙方負(fù)擔(dān) 較重，極大地限制了使用范圍。因此，手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)在國內(nèi)普及率還相對(duì)較低， 地區(qū)分布主要集中在東部沿海省份的大型神經(jīng)外科中心，相當(dāng)一部分醫(yī)院的外 科醫(yī)生對(duì)手術(shù)導(dǎo)航的概念及優(yōu)勢(shì)仍不了解。另外，引進(jìn)手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備操作比較 復(fù)雜，改變了外科醫(yī)師業(yè)已習(xí)慣的手術(shù)流程，對(duì)操作醫(yī)師的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技巧、

11、外語水平以及影像學(xué)知識(shí)提出了更高的要求，這也是制約手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用和 推廣的因素之一。借助手術(shù)導(dǎo)航儀，醫(yī)生可進(jìn)行高精度的復(fù)雜手術(shù)操作，大大提高了手術(shù)質(zhì) 量。手術(shù)導(dǎo)航儀在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用上可以實(shí)現(xiàn)有關(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的“漫游”，也可進(jìn)行 介入微創(chuàng)手術(shù)模擬；開展基于導(dǎo)航的外科手術(shù)，可以提高手術(shù)的安全性和成功 率；可為各種手術(shù)預(yù)期結(jié)果做出虛擬模型，預(yù)先展示手術(shù)結(jié)果；對(duì)復(fù)雜疑難的 手術(shù)，可在賦有病人影像資料的虛擬人體上反復(fù)探究各種不同手術(shù)入路所遇到 的問題，提高術(shù)前準(zhǔn)備工作的質(zhì)量。此外，還可為疾病診斷和新醫(yī)療手段的開 發(fā)提供參考，促進(jìn)形成新一代醫(yī)療高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。因此，外科手術(shù)導(dǎo)航儀具有 廣闊的應(yīng)用前景。手術(shù)器械的

12、高精度重建算法傳統(tǒng)手術(shù)器械利用標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，然后利用標(biāo)志點(diǎn)的位置求得手術(shù)器械 的姿態(tài)，利用工作點(diǎn)與標(biāo)志點(diǎn)的關(guān)系求得工作點(diǎn)位置。本文在此方法的基礎(chǔ)上 引入了手術(shù)器械三維重建環(huán)節(jié)，利用手術(shù)器械自身的結(jié)構(gòu)信息對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的位置 進(jìn)行矯正，得到更高精度的標(biāo)志點(diǎn)位置信息。傳統(tǒng)手術(shù)器械利用標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，然后利用標(biāo)志點(diǎn)的位置求得手術(shù)器械 的姿態(tài)，利用工作點(diǎn)與標(biāo)志點(diǎn)的關(guān)系求得工作點(diǎn)位置。但由于光線變化，環(huán)境 影響，地面震動(dòng)，攝像機(jī)采集時(shí)的舍入誤差，攝像機(jī)的標(biāo)定誤差，投影中心點(diǎn) 與實(shí)際球心的不重合以及一些不可控噪聲的影響下，標(biāo)志點(diǎn)的重建結(jié)果會(huì)有誤 差。本文在此方法的基礎(chǔ)上 引入了手術(shù)器械三維重建環(huán)節(jié)：在進(jìn)行手術(shù)

13、器械識(shí) 別后，利用手術(shù)器械自身結(jié)構(gòu)信息作為標(biāo)志點(diǎn)投影方程的約束重建同一個(gè)手術(shù) 器械的所有標(biāo)志點(diǎn) ，以期得到更準(zhǔn)確的重建結(jié)果。2、 基于 MRI 術(shù)中成像的神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)影像導(dǎo)引下的外科手術(shù) ( IGS) 是借助于醫(yī)學(xué)影像提供的信息 , 通過手術(shù)過程 的可視化提高手術(shù)質(zhì)量的一種新的技術(shù)手段。手術(shù)精細(xì)程度和腦內(nèi)功能結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，|GS的目標(biāo)就是增加在介入或者手 術(shù)過程中的可視化 , 使介入或者外科手術(shù)更為精確 , 在更為干凈地切除病灶的同 時(shí), 最大限度地保護(hù)正常組織。影像導(dǎo)引下的外科手術(shù)可以減少對(duì)病人不必要 的傷害, 加快病人傷口痊愈的速度 , 減少手術(shù)室被占有的時(shí)間 , 減少病人

14、的等待 時(shí)間和住院時(shí)間 , 具有很多優(yōu)點(diǎn)。無縫連接是指所有的影像在三維空間內(nèi)沒有重疊和遺漏 , 尤其在手術(shù)的區(qū)J域內(nèi) , 不能因?yàn)閳D像處理而形成新的畸變、重疊和遺漏。J整個(gè)手術(shù)包括手術(shù)治療計(jì)劃 (計(jì)算機(jī)模擬 )、影像導(dǎo)引的手術(shù)、手術(shù)結(jié)果的評(píng) 價(jià)等步驟。手術(shù)前除了要盡可能地采集解剖學(xué)信息外 , 還要采集人腦認(rèn)知功能的信息、J 神經(jīng)纖維束走向的信息、腦內(nèi)代謝和血流方面的信息等。把這些信息準(zhǔn)確定位 在解剖學(xué)結(jié)構(gòu)上 , 以便讓醫(yī)生可以有效地區(qū)分正常組織和病理組織 , 保護(hù)好病人 腦內(nèi)的神經(jīng)節(jié)和神經(jīng)纖維束通路。病人進(jìn)入手術(shù)室之后 , 手術(shù)過程中的關(guān)鍵技術(shù)主要是導(dǎo)航和定位。導(dǎo)航是 要顯示患者的病灶部位及其與相鄰組織的關(guān)系 , 同時(shí)要顯示手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)的情J況, 如果能夠標(biāo)記病灶被切割的情況就更好。導(dǎo)航和定位的方法很多 ,核心是軟JJ硬件的精確度 , 要求滿足 1mm 以下的