手術(shù)機器人導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)原理

13/13手術(shù)機器人導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)原理手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是一個集醫(yī)學(xué)、影像學(xué)、計算機視覺、機器人技術(shù)、空間定位技術(shù)、虛擬現(xiàn)實交互、定制化制造于一體的多學(xué)科交叉系統(tǒng)，被越來越多地應(yīng)用于神經(jīng)外科、骨科、耳鼻喉科等手術(shù)中，輔助醫(yī)生精準(zhǔn)操作，提高手術(shù)的安全準(zhǔn)確性。

背景

近年來，外科手術(shù)趨向于微創(chuàng)化，在帶來創(chuàng)口小、失血少和恢復(fù)快等便利的同時，也縮小了醫(yī)生的視野，不利于直接觀察。借助醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，雖然可幫助術(shù)前診斷疾病、術(shù)中判斷操作以及術(shù)后評估療效。但目前，醫(yī)學(xué)影像多采用二維圖像，欠缺直觀性，嚴(yán)重依賴醫(yī)生的經(jīng)驗進行判斷。另外，部分手術(shù)的病灶組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需頻繁探查，一些隱藏較深的病灶甚至需要醫(yī)生憑技巧進行盲操作，這都極大的影響了外科手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。

因此，類似于汽車導(dǎo)航，外科手術(shù)同樣需要導(dǎo)航系統(tǒng)。借助導(dǎo)航系統(tǒng)，醫(yī)生可以清晰直觀的判斷病灶位置，設(shè)定“目的地”；導(dǎo)航系統(tǒng)同時也會生成手術(shù)路徑，輔助醫(yī)生操作手術(shù)器械，明確當(dāng)前位置和下一步應(yīng)“左轉(zhuǎn)”還是“直行”。

手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是一項多學(xué)科交叉的前沿科技。醫(yī)生可直接觀察病灶三維影像、規(guī)劃手術(shù)、根據(jù)引導(dǎo)操作、接受充分訓(xùn)練，有效降低手術(shù)的不確定性，有利于手術(shù)快速準(zhǔn)確的實施。

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展大致可分為三個階段：

第一階段，框架立體定向儀。病人在局部麻醉后，在患處附近安裝立體框架，并帶著框架去做CT等影像檢查，通過二維影像定位病灶，依靠框架引導(dǎo)找到手術(shù)靶點。該方法結(jié)構(gòu)笨重，不便操作，不能實時反饋手術(shù)器械的位置。

第二階段，無框架機械臂定位。利用機械臂的運動控制將手術(shù)器械固定到指定位置和方向，穩(wěn)定性提高。但是，機械臂在安裝和制造過程中存在誤差，定位精度較低，引用范圍受局限。

第三階段，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。結(jié)合了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和立體定位技術(shù)，系統(tǒng)通過三維重建直觀定位病灶位置和規(guī)劃手術(shù)路徑。通過空間定位技術(shù)實時反饋手術(shù)器械位置，精度得到有效提升，并在顯示屏或增強現(xiàn)實設(shè)備中顯示，輔助醫(yī)生操作。

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成

手術(shù)導(dǎo)航，是以超聲、X射線、CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助計算機、精密儀器和圖像處理而發(fā)展起來的一種可視化圖像引導(dǎo)手術(shù)技術(shù)?？赏ㄟ^三維數(shù)字化患者病灶組織，實時追蹤手術(shù)器械位置，實現(xiàn)外科手術(shù)可視化和自動化，從而輔助醫(yī)生或機器人更快速、準(zhǔn)確和安全地完成手術(shù)任務(wù)。

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)通常需完成四項主要工作：

第一，三維模型重建。術(shù)前使用MRI、CT等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進行三維模型重建，得到患者病灶的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，方便醫(yī)生判斷病灶位置和熟悉周邊組織結(jié)構(gòu)。三維模型也被用于后續(xù)的手術(shù)規(guī)劃和術(shù)中引導(dǎo)，是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

第二，手術(shù)規(guī)劃與模擬。通過三維模型，判斷病灶位置及其周邊組織特征，建立手術(shù)路徑并制定手術(shù)方案，用于術(shù)中引導(dǎo)醫(yī)生或機器人操作。另外，醫(yī)生也可使用計算機進行模擬手術(shù)，減小失誤率。

第三，術(shù)中校準(zhǔn)與引導(dǎo)。術(shù)中病人、器官、組織均會發(fā)生變形和移動，需及時校準(zhǔn)三維模型和手術(shù)路徑，以保證手術(shù)的準(zhǔn)確性。同時，需為醫(yī)生提供術(shù)區(qū)三維模型和手術(shù)路徑圖像，以保障視野、減少探查和引導(dǎo)操作。

第四，空間定位。通過醫(yī)學(xué)影像、電磁和光學(xué)技術(shù)可測量術(shù)區(qū)組織和手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài)，從而在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中準(zhǔn)確顯示相對位置，可輔助醫(yī)生沿規(guī)劃路徑操作，也可對機器人進行伺服閉環(huán)控制。

根據(jù)上述工作內(nèi)容，可將手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為四個子系統(tǒng)：

●

醫(yī)學(xué)影像的三維模型重建系統(tǒng)

●

手術(shù)路徑規(guī)劃與模擬系統(tǒng)

●

術(shù)中模型校準(zhǔn)與可視化引導(dǎo)系統(tǒng)

●

空間定位系統(tǒng)

醫(yī)學(xué)影像的三維模型重建

目前，醫(yī)生主要通過觀察超聲、X光、CT和MRI等二維圖像進行診斷。但是，二維圖像無法直觀展現(xiàn)病灶區(qū)域的立體解剖結(jié)構(gòu)，需醫(yī)生依靠經(jīng)驗進行推斷；同時，圖像存在走樣、噪音、偽影等問題，影響醫(yī)生準(zhǔn)確判斷病情。

三維模型重建是對客觀物體在計算機中建立相同的三維虛擬模型。在手術(shù)前，可將患者的CT、MRI等二維醫(yī)學(xué)影像原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維模型重建系統(tǒng)，形成患者檢查部位的三維可視化數(shù)字模型。重建的三維模型可直觀顯示病灶區(qū)域的血管、神經(jīng)、骨質(zhì)等組織結(jié)構(gòu)，并可任意旋轉(zhuǎn)、縮放和測量，用于精準(zhǔn)定位病灶位置，明確病灶與周圍組織的空間毗鄰關(guān)系，有效輔助醫(yī)生進行準(zhǔn)確診斷。

三維模型重建除用于輔助診斷，還可用于術(shù)前的手術(shù)路徑設(shè)計和風(fēng)險評估，術(shù)中的模型校準(zhǔn)，術(shù)后的效果評估；另外，還可用于模擬手術(shù)操作，讓醫(yī)生得到充分訓(xùn)練，更清晰地掌握手術(shù)過程，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性

根據(jù)成像原理，三維模型重建可分為三類：基于CT影像、MRI影像和超聲影像的三維重建。

（一）基于CT影像的三維重建

CT（ComputedTomography），全稱為計算機斷層掃描，是用X射線束對人體某部一定厚度的層面進行掃描。常規(guī)CT掃描可以理解為把人體切成一個個薄片，是多層的X射線掃描。薄片厚度可以是0.5-1厘米，越薄精確度越高。

在此基礎(chǔ)上發(fā)展形成了螺旋CT（SpitalCT）和錐形束CT（ConeBeamCT，CBCT）。前者在掃描時，X射線呈螺旋形，可獲得連續(xù)層面的信息，避免了常規(guī)CT掃描時遺漏小病灶的弊端。后者利用三維錐形束X線進行掃描，對于牙齒根管系統(tǒng)、下頜骨等細(xì)微硬組織的成像質(zhì)量好，但對軟組織成像清晰度較差。

另外，隨著C形和O形臂X光機的推出，可從不同角度對器官進行二維成像，獲得的多幅照片也可進行三維重建，為術(shù)中三維模型重建提供新方法。

基于CT影像的三維重建對頭頸部、胸部、冠狀動脈等大血管、骨骼系統(tǒng)疾病的診斷價值較高。但是，CT掃描輻射劑量較普通X射線檢查大，故懷孕婦女不能做CT檢查。

（二）基于MRI影像的三維重建

MRI（MagneticResonanceImaging），全稱為磁共振成像，是利用磁共振現(xiàn)象從人體中獲得電磁信號，并重建出人體信息。MRI不會產(chǎn)生輻射，可以得到任何方向的斷層圖像。

基于MRI圖像的三維重建對軟組織滑膜、血管、神經(jīng)、肌肉、肌腱、韌帶、和透明軟骨的分辨率高，在腦部檢查中有著不可替代的作用。但是，MRI掃描用時較長，并且會產(chǎn)生巨大磁場，所以裝有心臟起搏器等金屬設(shè)備的患者不能做MRI檢查；監(jiān)護儀器和搶救器材也無法帶入MRI檢查室，限制了危重病人的檢查。

（三）基于超聲影像的三維重建

超聲成像（Ultrasonography）使用超聲波穿透人體，當(dāng)聲波遇到人體組織時會產(chǎn)生反射波，通過計算反射波成像。三維超聲系統(tǒng)可使用一體化的容積探頭，同時產(chǎn)生多個超聲斷層圖像，通過軟件計算即可重建三維模型。

相較于CT和MRI，超聲成像成本低，無強磁場和電離輻射，在診斷用功率范圍內(nèi)對人體無傷害，可經(jīng)常性反復(fù)使用。另外，超聲成像刷新速率高，可提供實時動態(tài)影像。目前，三維超聲多用于心臟、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)以及產(chǎn)科檢查，但對腸道等含氣較多的器官診斷準(zhǔn)確率會降低。

（四）相關(guān)技術(shù)

基于醫(yī)學(xué)影像的三維重建技術(shù)主要涵蓋圖像分割和三維重建兩部分內(nèi)容。

1.圖像分割（ImageSegmentation）

圖像分割是一個根據(jù)區(qū)域的相似性與特征把圖像分割成若干區(qū)域的過程。醫(yī)學(xué)圖像分割的目的就是把感興趣的區(qū)域提取并顯示出來，并使其盡可能地接近解剖結(jié)果，為臨床診療和病理學(xué)研究提供可靠的依據(jù)。典型的圖像分割方法包括：閾值法、邊緣檢測法、區(qū)域法、聚類法和與特定理論結(jié)合的算法。

2.三維重建（3DReconstruction）

醫(yī)學(xué)的三維模型重建是對三維空間數(shù)據(jù)場的可視化，?；趦深愃惴ㄩ_展：

面繪制算法（SurfaceRendering）

面繪制算法首先需在三維空間數(shù)據(jù)場中構(gòu)造出曲面、多邊形平面等幾何圖元，然后再用計算機圖形學(xué)技術(shù)實現(xiàn)畫面繪制。面繪制算法發(fā)展已經(jīng)比較成熟，主要可以分為基于輪廓線和基于體素兩類方法。

體繪制算法（VolumeRendering）

體繪制算法不構(gòu)造幾何圖元，在為每個體素賦予顏色和阻光度，并考慮其對光線的透射、發(fā)射和反射作用后，直接由三維空間數(shù)據(jù)場生成屏幕顯示的二維圖像，可分為投射、消隱、渲染和合成四個步驟。由于體繪制技術(shù)沒有構(gòu)造中間幾何曲面或?qū)嶓w，因此只適用于可視化顯示，無法將其轉(zhuǎn)化為實體模型。

手術(shù)路徑規(guī)劃與模擬系統(tǒng)

根據(jù)患者病灶處的影像，醫(yī)生結(jié)合病理學(xué)和解剖學(xué)知識和經(jīng)驗進行手術(shù)規(guī)劃，包括手術(shù)方法、手術(shù)流程、手術(shù)切口和路徑等，形成手術(shù)方案。使用傳統(tǒng)二維斷層圖像，嚴(yán)重依賴醫(yī)生經(jīng)驗判斷病灶位置和評估手術(shù)風(fēng)險，對手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性存在一定制約。

通過三維模型重建，可為醫(yī)生提供更直觀、更精準(zhǔn)的病灶位置、空間解剖結(jié)構(gòu)、形態(tài)和容積等信息，醫(yī)生可任意旋轉(zhuǎn)、剖切和測量三維模型，獲得更多信息，作為手術(shù)規(guī)劃的重要參考。

完成手術(shù)規(guī)劃后，一方面，將手術(shù)方案輸入計算機，在軟件中建立虛擬手術(shù)環(huán)境并模擬手術(shù)過程，更精確的修正切除范圍、切除路徑、切口位置等。這樣可預(yù)知手術(shù)的要點與難點、明確規(guī)避的血管與神經(jīng)、評估術(shù)后的效果，提高手術(shù)的預(yù)見性，減少術(shù)中的探查時間，提高手術(shù)準(zhǔn)確性。

另一方面，將手術(shù)規(guī)劃輸入人機交互的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，醫(yī)生通過操作桿控制虛擬環(huán)境中的手術(shù)器械，完成探查、切除和縫合等手術(shù)流程，可用于手術(shù)的訓(xùn)練與教學(xué)，對完善手術(shù)方案、降低失誤率和提高安全性有重要意義。

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，VR）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種可使用戶沉浸其中的交互式三維動態(tài)視景和行為系統(tǒng)仿真環(huán)境。通過患者的三維模型重建和虛擬手術(shù)環(huán)境，醫(yī)生通過交互設(shè)備即可在虛擬環(huán)境中開展與實際手術(shù)非常接近的模擬手術(shù)，達到訓(xùn)練和教學(xué)目的。

瑞士巴塞爾大學(xué)（UniversityofBasel）研發(fā)出的SpectoVive系統(tǒng)，可三維重建病灶模型，加快渲染速度以使VR佩戴者不會眩暈（至少180幀/秒，即單眼90幀/秒）。手術(shù)醫(yī)生可在虛擬環(huán)境中直接觀測實時3D影像，制定合理的手術(shù)方案。另外，該系統(tǒng)還可進行流體陰影渲染（例如血液和組織液），創(chuàng)建更逼真的環(huán)境。醫(yī)生可在VR環(huán)境中隨意放大和多角度查看骨骼模型，同時對比常規(guī)CT圖像，制訂手術(shù)計劃。

（二）觸覺（HapticFeedback）

可在VR交互裝置上安裝觸覺反饋，以模擬VR環(huán)境中手術(shù)器械觸碰不同組織時的觸感，例如對不同介質(zhì)穿刺時所遇阻力不同，使模擬更準(zhǔn)確，給使用者更逼真的感受。

英國的FundamentalVR公司在建立膝關(guān)節(jié)手術(shù)虛擬手術(shù)環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過操作桿為使用者提供觸覺反饋。操作桿的末端裝有一直觸筆，移動觸筆時虛擬場景中的注射器也隨之移動，在針頭觸及肌肉、脂肪、骨膜、骨頭和關(guān)節(jié)囊時，機械臂會為使用者帶來不同的阻力。該系統(tǒng)可讓