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基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助
立體定向神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)112221
2000.9杭州概述背景計算機圖象與圖形的迅速發(fā)展,為醫(yī)學(xué)圖象處理提供了強有力的工具僅基于CT或MRI圖象進行病例分析、診斷和手術(shù)規(guī)劃,已經(jīng)很難精確完成許多諸如腦神經(jīng)外科等復(fù)雜的外科手術(shù)。一些精細手術(shù)難以用常規(guī)方法完成,利用機器人高技術(shù)可以完成手術(shù)部位的精確定位,實現(xiàn)手術(shù)的最小損傷。立體定向神經(jīng)外科手術(shù)傳統(tǒng)腦神經(jīng)外科手術(shù)需要打開病人顱骨對位于大腦深部的病變無法處理病人康復(fù)時間長被感染的機會增加立體定向腦神經(jīng)外科手術(shù)無需開顱,只要在顱骨上鉆一個小孔定位系統(tǒng)引導(dǎo)下將外科器件引入腦內(nèi)進行手術(shù)病人痛苦減少安全,康復(fù)時間短計算機輔助立體定向手術(shù)系統(tǒng)計算機輔助立體定向神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)集中了多種計算機圖形圖像技術(shù)。包含有二維醫(yī)學(xué)圖象處理、三維體模型和表面模型的重構(gòu)、顯示以及漫游等功能。在計算機中三維模型的引導(dǎo)下利用機械臂進行手術(shù)路徑的導(dǎo)航和手術(shù)操作的支持。通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備,系統(tǒng)同時提供一個虛擬手術(shù)環(huán)境,對醫(yī)生起到培訓(xùn)和教學(xué)的作用。計算機輔助立體定向神經(jīng)外科
手術(shù)系統(tǒng)計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)的特色采用標記點定位,拋棄了框架三維腦部模型顯示和手術(shù)規(guī)劃機械臂導(dǎo)航和手術(shù)支持基于虛擬現(xiàn)實的手術(shù)培訓(xùn)和教學(xué)計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖例系統(tǒng)半自動提取的顱骨輪廓(圖中紅線所示)實際手術(shù)中由醫(yī)生勾勒的病灶輪廓(圖中紅線所示)手術(shù)規(guī)劃通過對模型的多角度觀察,醫(yī)生可以對患者腦部任意位置的狀況有一個清楚的了解。醫(yī)生可以通過系統(tǒng)提供的模型清楚的“觀察”病人的腦組織情況,在模型上進行手術(shù)規(guī)劃和驗證,以確定手術(shù)的具體方案。根據(jù)各種參數(shù)調(diào)整手術(shù)規(guī)劃方案,使穿刺點盡量位于病灶的中心,使規(guī)劃中的穿刺路徑盡量避開重要的組織和神經(jīng),確保患者的安全和手術(shù)的成功。圖例術(shù)前規(guī)劃(圖中紫線為規(guī)劃的穿刺路徑),左上,左下,右上圖是模型三個剖面圖,右下為病灶組織的三維結(jié)構(gòu)(紅色)病人腦部病灶的三維表面模型(圖中黃線為規(guī)劃穿刺路徑)系統(tǒng)模型與患者頭部的映射固定在患者頭部的標記點(紅色箭頭所指)頭部的標記點在CT圖像中的成像(紅色箭頭所指)
系統(tǒng)模型與患者頭部的映射患者頭部的四個標記點建立一個仿射坐標系頭部空間的任意一點的位置M都可以一個仿射坐標(x,y,z)唯一確定模型坐標與患者頭部坐標的映射可以用一個剛體變換矩陣表示。系統(tǒng)模型與患者頭部的映射模型中任意位置與患者頭部位置的映射矩陣及映射公式無動力無自由度機械臂機械臂與患者頭部的校準患者頭部固定后,醫(yī)生操縱機械臂依次接觸患者頭部的標記點得到機械臂坐標與患者頭部坐標的映射矩陣手術(shù)導(dǎo)航和手術(shù)支持模型中的手術(shù)規(guī)劃轉(zhuǎn)化為機械臂坐標機械臂的任何運動映射到模型上,指導(dǎo)機械臂的進一步運動機械臂到達預(yù)定位置,予以鎖定,通過安裝在機械臂上的手術(shù)器械進行手術(shù)利用機械臂上安裝的手術(shù)器械排出患者腦中的囊液基于虛擬顯示的手術(shù)培訓(xùn)建立虛擬手術(shù)環(huán)境的必要性在立體定向手術(shù)中,醫(yī)生不能直接觀察到患者的腦部組織,因此醫(yī)生必須熟練掌握該系統(tǒng)建立虛擬手術(shù)環(huán)境的基本條件虛擬場景,虛擬患者立體顯示設(shè)備空間定位設(shè)備虛擬手術(shù)虛擬病人利用網(wǎng)上共享的醫(yī)療資料和真實患者的掃描數(shù)據(jù)虛擬手術(shù)按照實際手術(shù)操作以機械臂作為空間定位設(shè)備可以在人腦內(nèi)部進行漫游虛擬手術(shù)中的場景顯示虛擬病人腦組織剖面的放大顯示試驗與分
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