基于圖像的外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)

1、By Andy G本文圖片及資料均來自互聯(lián)網(wǎng)公開資料，如有版權(quán)問題，請(qǐng)聯(lián)絡(luò)作者刪除導(dǎo)航的背景和意義國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀常用的導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航的發(fā)展與展望常規(guī)外科手術(shù)難以滿足現(xiàn)代精細(xì)手術(shù)的需求現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)技術(shù)的迅速發(fā)展 計(jì)算機(jī)輔助外科CAS(Computer Assisted Surgery) 計(jì)算機(jī)輔助外科是研究和開發(fā)一種人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)，通過合理、定量的利用CT/MRI/PET多模數(shù)據(jù)和導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)行外科手術(shù)計(jì)劃、干預(yù)和評(píng)價(jià)?；趫D像的外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)IGS(Image Guided Surgery) 基于圖像的導(dǎo)航主要利用各種醫(yī)學(xué)圖像信息為手術(shù)器械導(dǎo)航，目

2、的是最大可能地為外科醫(yī)生提供手術(shù)部位附近的信息，在二維的醫(yī)學(xué)圖像與實(shí)際部位之間架一座橋梁。 圖1 基于圖像的外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)外科手術(shù)創(chuàng)傷減少 手術(shù)時(shí)間縮短 手術(shù)質(zhì)量提高 10,000 自自2002年起年起,到到2006年年,接近一萬(wàn)例的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)接近一萬(wàn)例的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)法國(guó)PRAXIM導(dǎo)航系統(tǒng)的手術(shù)數(shù)量美國(guó)：蛇牌術(shù)中主動(dòng)紅外導(dǎo)航系統(tǒng)在髖、膝關(guān)節(jié)的應(yīng)用德國(guó)：博醫(yī)來（BrainLab)開源軟件光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)。瑞士：基于熒光透鏡的導(dǎo)航Medvision系統(tǒng)。法國(guó)： BoneMorphing骨重建技術(shù)，超小移動(dòng)工作站日本：IOT系統(tǒng)應(yīng)用于神經(jīng)外科。超小移動(dòng)工作站清華大學(xué) 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)輔助定向神經(jīng)外科手

3、術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué)和海軍總醫(yī)院 機(jī)器人輔助損傷神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)。北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué) 開展了醫(yī)療機(jī)器人的研究。北京中西集團(tuán) BJ38-ASA-620立體定向手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)安科公司 ASA-610手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。 名稱：ASA-630V骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng) 型號(hào)：ASA-630V骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng) 校準(zhǔn)靶可配接多個(gè)廠家的C形臂X光機(jī) NDI POLARIS高精度光學(xué)定位系統(tǒng)定位精度高 系列化可跟蹤手術(shù)器械 系統(tǒng)可自動(dòng)校正圖像形變 快速進(jìn)行系統(tǒng)的自動(dòng)注冊(cè) 簡(jiǎn)單快速的工作流程，對(duì)手術(shù)進(jìn)程干擾小 直觀的系統(tǒng)擺位功能 豐富的軟件測(cè)量工具滿足醫(yī)生的各種需求 完善的計(jì)劃功能方便各種手術(shù)方案的模擬 圖

4、像捕獲及中文報(bào)告便于會(huì)診、論文發(fā)表和資料存檔 精巧的機(jī)箱設(shè)計(jì)減少手術(shù)室占地面積 神經(jīng)外科 骨科 脊椎手術(shù) 腹腔鏡手術(shù) 整形外科 耳鼻咽喉科 放射治療 工作原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)醫(yī)生手持手術(shù)器械對(duì)患者的手術(shù)目標(biāo)實(shí)施操作。手術(shù)器械的空間立體定位及瞄準(zhǔn)過程均在跟蹤器的實(shí)時(shí)控制之下，而且跟蹤器能夠精確地給出術(shù)中解剖部位。通過術(shù)前與術(shù)中醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)以及術(shù)中醫(yī)學(xué)圖像與患者、手術(shù)器械之間的配準(zhǔn)關(guān)系，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，控制手術(shù)器械達(dá)到要求的部位，從而實(shí)施相應(yīng)的手術(shù)操作。圖2 導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖外科醫(yī)生綜合圖像定位系統(tǒng)患者醫(yī)學(xué)圖像手術(shù)器械顯示建模操縱采集監(jiān)視跟蹤融合配準(zhǔn)三維 顯示 圖3 導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 手術(shù)

5、室C型臂機(jī)進(jìn)行三維掃描,獲得病人病區(qū)資料術(shù)中導(dǎo)航光學(xué)追蹤手術(shù)中對(duì)標(biāo)志點(diǎn)追蹤,確定術(shù)中的即時(shí)位置,包括:骨的位置,工具位置.目的 1)制定最佳手術(shù)計(jì)劃 2)手術(shù)預(yù)演實(shí)現(xiàn)過程 1)獲取多模圖像信息（CT，MRI） 2) 建立數(shù)學(xué)模型 3) 三維圖像顯示 4) 制定手術(shù)方案 5)進(jìn)行手術(shù)模擬三維重建技術(shù)術(shù)前模擬術(shù)前模擬( (髖臼杯的安放位置髖臼杯的安放位置), ), 左上左上, ,左下左下, ,右下圖是模型右下圖是模型三個(gè)剖面圖三個(gè)剖面圖, ,右上為髖臼窩底部觸點(diǎn)雷達(dá)圖右上為髖臼窩底部觸點(diǎn)雷達(dá)圖( (紅色紅色) )病人腦部病灶的三維表面模型（圖中線條表示三方向觀測(cè)的病人腦部病灶的三維表面模型（圖中線

6、條表示三方向觀測(cè)的穿刺路徑）穿刺路徑）目的 1）輔助執(zhí)行手術(shù)方案 2）進(jìn)行手術(shù)干預(yù)實(shí)現(xiàn)過程 1）獲取術(shù)中數(shù)據(jù) (圖像數(shù)據(jù)、定位坐標(biāo)、組織器官的位置) 2）術(shù)前與術(shù)中醫(yī)學(xué)圖像之間配準(zhǔn) 3) 配準(zhǔn)手術(shù)器械與患者的空間位置 4) 術(shù)中醫(yī)學(xué)圖像與手術(shù)器械之間的配準(zhǔn) 5) 跟蹤器實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)器械 6) 醫(yī)生開始手術(shù) 醫(yī)學(xué)圖像處理 空間定位技術(shù) 系統(tǒng)配準(zhǔn)技術(shù) 實(shí)時(shí)導(dǎo)航技術(shù) 圖像分割圖像配準(zhǔn)圖像融合圖像三維重建圖像顯示圖像分割 圖像分割就是把圖像中具有特殊涵義的不同區(qū)域分開來，比如對(duì)圖 像中的病灶和關(guān)鍵組織進(jìn)行分割。 常用的分割方法 1)閾值分割法 2)邊緣檢測(cè)法 3)區(qū)域跟蹤法 4)紋理分析法系統(tǒng)半自動(dòng)提

7、取的顱骨輪系統(tǒng)半自動(dòng)提取的顱骨輪廓廓( (圖中紅線所示圖中紅線所示) )實(shí)際手術(shù)中由醫(yī)生勾勒的實(shí)際手術(shù)中由醫(yī)生勾勒的病灶輪廓病灶輪廓( (圖中紅線所示圖中紅線所示) )圖像配準(zhǔn) 指對(duì)于一幅醫(yī)學(xué)圖像尋求一種或一系列空間變換，使它與另一幅醫(yī)學(xué) 圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間上的一致。這種一致是指人體上的同一解剖點(diǎn)在兩幅匹配圖像上有相同的空間位置。 配準(zhǔn)方法 1)基于圖像外部特征的配準(zhǔn)方法 2) 基于圖像內(nèi)部特征的配準(zhǔn)方法描繪骨表面點(diǎn)云與術(shù)前影像配比完成表面注冊(cè)圖像融合 指將不同圖像之間經(jīng)過空間配準(zhǔn)和疊加后，再做必要的交換和處理，使其在空間位置和空間坐標(biāo)上達(dá)到匹配，產(chǎn)生一種新的圖像來顯示原圖像所包含的信息。

8、融合分類 1)數(shù)據(jù)融合 2)顯示融合實(shí)現(xiàn)過程 1) 圖像的轉(zhuǎn)換 2) 圖像的配準(zhǔn) 3) 圖像信息綜合通過空間坐標(biāo)的變換，醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)和導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合使得假體被安放到最適合的位置空間定位 通過設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)出手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài)，以便在計(jì)算機(jī)中得到實(shí)時(shí)顯示。典型定位設(shè)備的分類 1) 超聲定位設(shè)備 2) 機(jī)械定位設(shè)備 3) 磁定位設(shè)備 4) 光學(xué)定位設(shè)備對(duì)工具的定位原理對(duì)工具的定位原理定位標(biāo)志球和手術(shù)工具適配器定位標(biāo)志球和手術(shù)工具適配器 是導(dǎo)航系統(tǒng)提供的針對(duì)各科手術(shù)的專用工具，在手術(shù)時(shí)，使用這個(gè)適配器將手術(shù)工具注冊(cè)到導(dǎo)航工作站； 適配器可以與各種受偶數(shù)器械連接，通過上面的定位標(biāo)志球，使工作站迅速的測(cè)量、注冊(cè)和識(shí)別手術(shù)工具。 這樣普通的手術(shù)器械在安裝上工具適配器后就可以變成手術(shù)中的導(dǎo)航工具。手術(shù)器械在模型中的映射手術(shù)器械在模型中的映射( (圖中圖中黃線為機(jī)械臂前臂的中軸黃線為機(jī)械臂前臂的中軸, ,紫線紫線為規(guī)劃穿刺路徑為規(guī)劃穿刺路徑) )在工具上加上適配器術(shù)前與術(shù)中醫(yī)學(xué)圖像之間配準(zhǔn)配準(zhǔn)手術(shù)器械與患者的空間位置術(shù)中醫(yī)學(xué)圖像與手術(shù)器械之間的配準(zhǔn)配準(zhǔn)手術(shù)器械與患者的空間位置術(shù)中醫(yī)學(xué)圖像與手術(shù)器械之間的配準(zhǔn)REF loc工具上的感應(yīng)點(diǎn)紅外發(fā)射環(huán)紅外攝像頭定坐標(biāo)點(diǎn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航 手術(shù)醫(yī)生可以依靠實(shí)時(shí)的定位及預(yù)設(shè)方案的引導(dǎo)開始手術(shù)，實(shí)施相應(yīng)的操作。截骨線的對(duì)正是