外科手術(shù)導(dǎo)航相關(guān)研究

1、實(shí)檢一外科乎術(shù)番械及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(wú)論是術(shù)前規(guī)劃還是術(shù)中決定手術(shù)進(jìn)程都依賴(lài)于醫(yī)生的經(jīng) 驗(yàn)。然而，術(shù)前對(duì)病灶部位沒(méi)有準(zhǔn)確的三維結(jié)構(gòu)描述，術(shù)中僅能見(jiàn)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(kāi)口 大，術(shù)后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。隨著數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、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 利用訃算機(jī)技術(shù)模擬和指導(dǎo)手術(shù)所涉及的各個(gè)過(guò)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，

2、手術(shù)微創(chuàng)、 快速、安全等優(yōu)點(diǎn)。乎術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(Surgical Navigation System, SNS)是 CAS 的一個(gè)應(yīng)用， 它將病人術(shù)憶影像數(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)工實(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)、1881年，Zernov制成了腦測(cè)量?jī)x并應(yīng)用于臨床，完成了人類(lèi)最早的立體定向手術(shù)。1908年，Horsley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

3、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(wú)框架定向 手術(shù)系統(tǒng)的觀(guān)念一出現(xiàn)，就迅速激起了設(shè)計(jì)制造無(wú)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)主要山三維電磁數(shù)字 化儀、三維磁源、磁場(chǎng)感應(yīng)器和計(jì)算機(jī)工作站構(gòu)成。1992年美國(guó)將紅外線(xiàn)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(wú)框架機(jī)械臂定位系統(tǒng)?？蚣苁綑C(jī)械系 統(tǒng)，乂稱(chēng)為框架機(jī)械立體定向

4、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?？谇埃锌蚣芰Ⅲw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，乂出現(xiàn)了無(wú)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)和訃算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合來(lái) 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。機(jī)械臂上有多個(gè)關(guān)節(jié)，手術(shù)中計(jì)算機(jī)通過(guò)測(cè)量關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái) 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(lèi)系統(tǒng)一般山超聲波發(fā)射器、接收器、手 術(shù)器械和計(jì)算機(jī)組成

5、。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。釆用陣列接收器，通過(guò)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0. 4mm。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。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(xiàn)圈定義空間的一個(gè)方向，探測(cè)器線(xiàn)圈檢測(cè)山磁場(chǎng)發(fā)生器

6、發(fā)射并通過(guò)空氣或軟組織的低頻磁場(chǎng)，山各發(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)U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(méi)有光路遮擋問(wèn)題。缺點(diǎn) 貝腳內(nèi)客7實(shí)笛一外科芋術(shù)泰械及其使用是它對(duì)金屬物體很敬感，特別是對(duì)手術(shù)區(qū)域中的鐵磁性?xún)x器。山于手術(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，使得空間中存在大量多頻譜電磁波干 擾，影響電磁導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和可黑性。圖14電戲波字航Figure 1-4 Electromagnetic navigation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LI和雙機(jī)器

7、視覺(jué)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、周圉光線(xiàn)及金屬物體鏡面反射的影響。光學(xué)導(dǎo)航 系統(tǒng)是LI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)器械上安裝兒個(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)是在攝像機(jī)周圉安 裝紅外光源，在手術(shù)器械上安裝兒個(gè)紅外反光小球，由反光球反射的紅外光被攝 像機(jī)采集。Figure 15 Optical navigation上述各種導(dǎo)航定位方法的比較如表1-1所示表1|各種導(dǎo)航系統(tǒng)比較Table 1 1 Com

8、parison of a variety of navigation systems定伎方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)技術(shù)成熟白由運(yùn)動(dòng)有限機(jī)械疋位法不會(huì)被阻扌當(dāng)系統(tǒng)體積大史換手術(shù)器械商便無(wú)法跟蹤移動(dòng)物體超聲定伎法價(jià)格便宜 核準(zhǔn)方便易受環(huán)境影響 捕度差 存在干撫現(xiàn)象電越定伎法價(jià)格便宜無(wú)遞檔桂測(cè)器的體積小工作范囲小易受鐵礙性物質(zhì)干擾光羊 老手術(shù)器誡不受妨礙稈景光線(xiàn)和其它反射場(chǎng)體千擾 價(jià)格高光點(diǎn)會(huì)被遮抄功手術(shù)器械更換方便位 王帶有電源線(xiàn)，醫(yī)生感到不便法動(dòng)跟蹤多個(gè)目標(biāo)光點(diǎn)會(huì)被遮檔手術(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

9、以觀(guān)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(guò)程及術(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(zhuān)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(lái)，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(lái)，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

10、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)外科立體定向活檢與運(yùn)動(dòng)性疾病的治療（如 貝腳內(nèi)客7實(shí)檢一外科乎術(shù)番械及帕金森氏疾?。?，脊柱外科錐弓根釘植入、畸形矯正、頸椎手術(shù)、與最新開(kāi)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(guó)內(nèi)醫(yī)院使用的大多是國(guó)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(guó)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，

11、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)師的訃算機(jī)應(yīng)用技巧、外語(yǔ)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(kāi)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)朵疑難的手術(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(wèn)題，

12、提 高術(shù)前準(zhǔn)備丄作的質(zhì)量。此外，還可為疾病診斷和新醫(yī)療手段的開(kāi)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。但山于光線(xiàn)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)

13、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)器械二維用妲環(huán)節(jié)：在進(jìn)行手術(shù)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 的所冇標(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(guò)手術(shù)過(guò) 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，IGS的LI標(biāo)就是增加在介入或者手 術(shù)過(guò)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

14、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，減少病人的等 待時(shí)間和住院時(shí)間，具有很多優(yōu)點(diǎn)。無(wú)縫連接是指所有的影像在三維空間內(nèi)沒(méi)有重疊和遺漏，尤其在手術(shù)的區(qū) 域內(nèi)，不能因?yàn)閳D像處理而形成新的畸變、重疊和遺漏。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、 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(guò)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)的悄況, 如果能夠標(biāo)記病灶被切割的惜況就更好。導(dǎo)航和定位的方法很多，核心是軟硬件 的精確度，要求滿(mǎn)足1