基于图像的外科手术导航系统

清华大学 基于虚拟现实的计算机辅助定向神经外科手术计划系统。 北京航空航天大学和海军总医院 机器人辅助损伤神经外科手术系统。 北京理工大学和哈尔滨工业大学 开展了医疗机器人的研究。 北京中西集团 BJ38-ASA-620立体定向手术计划系统 安科公司 ASA-610手术导航系统。
名称：ASA-630V骨科 手术导航系统 型号：ASA-630V骨科 手术导航系统
校准靶可配接多个厂家的C形臂X光机 NDI POLARIS高精度光学定位系统定位精度高 系列化可跟踪手术器械 系统可自动校正图像形变 快速进行系统的自动注册 简单快速的工作流程，对手术进程干扰小 直观的系统摆位功能 丰富的软件测量工具满足医生的各种需求 完善的计划功能方便各种手术方案的模拟 图像捕获及中文报告便于会诊、论文发表和资料存档 精巧的机箱设计减少手术室占地面积
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法国PRAXIM导航系统的手术数量


目的
1)制定最佳手术计划 2)手术预演

实现过程
1)获取多模图像信息（CT，MRI） 2) 建立数学模型 三维重建技术 3) 三维图像显示 4) 制定手术方案 5)进行手术模拟
术前模拟(髋臼杯的安放位置), 左上,左下,右下图是模型 三个剖面图,右上为髋臼窝底部触点雷达图(红色)
病人脑部病灶的三维表面模型（图中线条表示三方向观测的 穿刺路径）
存在的问题
Байду номын сангаас


高昂的费用，手术室空间的需求(C臂设备) 医学图像的三维分割的自动化程度和精确度不高 配准过程没考虑形变组织 图像的融合很少考虑到非刚体变换 三维重建精确度不高 图像显示效果离真实环境有差距 空间位置的配准技术不够成熟 实时导航技术不够完善

计算机辅助外科 CAS(Computer Assisted Surgery) 计算机辅助外科是研究和开发 一种人机协作系统，通过合理、 定量的利用CT/MRI/PET多模 数据和导航系统，进行外科手 术计划、干预和评价。 基于图像的外科手术导航系统 IGS(Image Guided Surgery) 基于图像的导航主要利用各种 医学图像信息为手术器械导航， 目的是最大可能地为外科医生 提供手术部位附近的信息，在 二维的医学图像与实际部位之 间架一座桥梁。

图像融合
指将不同图像之间经过空间配准和叠加后，再做必要的交换和处理， 使其在空间位置和空间坐标上达到匹配，产生一种新的图像来显示 原图像所包含的信息。

融合分类
1)数据融合 2)显示融合

实现过程
1) 图像的转换 2) 图像的配准 3) 图像信息综合
通过空间坐标的 变换，医生的临 床经验和导航技 术的结合使得假 体被安放到最适 合的位置
定坐标点
工具上的感应点

实时导航 手术医生可以依靠实时的定位及预设方案的引导 开始手术，实施相应的操作。
截骨线的对正是膝关节手术的关键
截骨的位置和角度
调整假体的安放位置（例：单髁置换）

医学图像的三维自动分割 全自动医学图像配准 全自动医学图像融合 体绘制与面绘制的结合 提高导航的实时性、可靠性、精确度 导航系统的小型化、去除放射伤害。


厂商的工具和产品需要与导航设备注册 目前大的关节厂商很多同时做导航系统 卖导航系统,提供已注册的假体和工具 一台系统,占领一个关节据点 非影象学导航,可以便携,但精度需要提高 很多导航设备都可以与不同C臂机结合 提高假体植入质量
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空间定位
通过设备实时测出手术器械的空间位置和姿态，以便在计算机中得到 实时显示。

典型定位设备的分类
1) 超声定位设备 2) 机械定位设备 3) 磁定位设备 4) 光学定位设备
对工具的定位原理 定位标志球和手术工具适配器 是导航系统提供的针对各科手术的专用工具，在 手术时，使用这个适配器将手术工具注册到导航 工作站； 适配器可以与各种受偶数器械连接，通过上面的 定位标志球，使工作站迅速的测量、注册和识别 手术工具。 这样普通的手术器械在安装上工具适配器后就可 以变成手术中的导航工具。
Jan-06


美国：蛇牌术中主动红外导航系统在髋、膝关节的应用 德国：博医来（BrainLab)开源软件光学导航系统。 瑞士：基于荧光透镜的导航Medvision系统。
法国： BoneMorphing®骨重建技术，超小移动工作站

日本：IOT系统应用于神经外科。
超小移动工作站






图像配准
指对于一幅医学图像寻求一种或一系列空间变换，使它与另一幅医 学 图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解 剖点在两幅匹配图像上有相同的空间位置。

配准方法
1)基于图像外部特征的配准方法 2) 基于图像内部特征的配准方法
描绘骨表面点云
与 术 前 影 像 配 比
完成表面注册

目的
1）辅助执行手术方案 2）进行手术干预

实现过程
1）获取术中数据 (图像数据、定位坐标、组织器官的位置) 2）术前与术中医学图像之间配准 3) 配准手术器械与患者的空间位置 4) 术中医学图像与手术器械之间的配准 5) 跟踪器实时跟踪手术器械 6) 医生开始手术
医学图像处理 空间定位技术 系统配准技术 实时导航技术

图1 基于图像的外科手术导航系统

外科手术创伤减少 手术时间缩短 手术质量提高
10,000
自2002年起,到2006年,接近一万例的手术经验
Number of surgeries using Surgetics Stations
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
By Andy G
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导航的背景和意义 国内外发展现状 常用的导航系统 导航的发展与展望

常规外科手术难以满足现代精细手术的需求 现代医学影像技术的发展 医用机器人技术的发展 计算机辅助外科手术技术的迅速发展

神经外科 骨科 脊椎手术 腹腔镜手术 整形外科 耳鼻咽喉科 放射治疗

工作原理 系统结构 功能实现 关键技术

医生手持手术器械对患者的手术目标实施操作。
手术器械的空间立体定位及瞄准过程均在跟踪器 的实时控制之下，而且跟踪器能够精确地给出术 中解剖部位。 通过术前与术中医学图像配准以及术中医学图像 与患者、手术器械之间的配准关系，经过相应的 坐标转换，控制手术器械达到要求的部位，从而 实施相应的手术操作。

图2 导航系统原理图
外科医生
显示建模 三维 显示 操纵
综合图像 医 学 图 像 手 术 器 械
融合 配准
定位系统
监视
跟踪
采集
患者 图3 导航系统结构图
手术室C型臂机 进行三维扫描, 获得病人病区资料 术中导航光学追踪 手术中对标志点追踪,确定 术中的即时位置,包括: 骨的位置,工具位置.

图像分割 图像配准 图像融合 图像三维重建 图像显示

图像分割
图像分割就是把图像中具有特殊涵义的不同区域分开来，比如对图 像中的病灶和关键组织进行分割。

常用的分割方法
1)阈值分割法 2)边缘检测法 3)区域跟踪法 4)纹理分析法
系统半自动提取的颅骨轮 廓(图中红线所示)
实际手术中由医生勾勒的 病灶轮廓(图中红线所示)

在工具上加上适配器
手术器械在模型中的映射(图中 黄线为机械臂前臂的中轴,紫线 为规划穿刺路径)

术前与术中医学图像之间配准
配准手术器械与患者的空间位置 术中医学图像与手术器械之间的配准



配准手术器械与患者的空间位置 红外发射环 术中医学图像与手术器械之间的配准 REF loc
红外摄像头