手术导航的新进展和应用前景

固医疗器腻信息　２ＯＯＺ年第ａ卷尊３期　Ｖ　Ｎ　３　Ｊ…２ｕ　一　●文章编号１００６－６５８６（２００２）０３・００２１－０３　手术导航的新进展和应用前景　周振环陈思平陶笃纯　－要　介绍手术导航的意义、基本原理．关键技术及在临床上的使用价值；报道手术导航技术在定位工具　图像处理　技术　导航的精度、导航的实时性等方面的晟新进展；讨论它在神经外科，脊柱外科、耳鼻喉科　整形外科　放　射外科等临床和教学培训中的应用前景；指出了手术导航所面临的挑战和发展方向。　关键硼　手术导航立体定向抻经，｝科　中圈分类号．Ｒ８１　５　２　文献标识码：Ａ　Ｒｅｃｅｎｔ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｕｒｇｅｒｙ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ＺＨＯＵ　Ｚｈｅｎ・ｈｕａｎ，ＣＨＥＮＳｉ．ｐｉｎｇ。ＴＡＯ　Ｄｕ—ｃｈｕｎ　●　Ｔｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ。ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ。ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｐｒａｔｉｃａｌ　ｕｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｒｇｅｒｙ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｌｉｎｉｃ　Ｔｏ　ｒｅｐｏｒｔ　ｒｅｃｅｎｔ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ　ｉｎ　Ｉｏｃａｆｉｚａｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅｓｉｍａｇｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｇ　，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．Ｔｏ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄｉｎ　．ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅｒｙ，ｓｐｉｎｅｓｕｒｇｅｒｙ。Ｅ．Ｎ．Ｔ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ．ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃｓ　ｒａｄｉｏｓｕｒｇｅｒｙ。ｅｔ　ａｌ　ｅｎｄ　ａｌｓｏ　ｔｏ　ｄｅ　ｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｓｕｒｇｅｒｙ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｆａｃｅｄ　ｗｉｔｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｕｒｇｅｒｙ　ｎａｖＪｃｊａｔｌｏｒｌ，Ｓｔｅｒｅｏｆ￣ａｘｙ，Ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅｒｙ，Ｓｕｒｖｅｙ　手术导航是从有框架立体定向手术演变发展起来的它　利用卫星导航的原理实现了无框架立体定向．因此被形象地　收稿日期２００２￣０１—２８　作者筒介周振环　深圳安科高技术股份有限公司在站博士后；陈思平先生．研究员。深圳安科高技术股份有限公司总工程　师；陶笃纯先生．研究员．深圳安科高技术股份有限公司总经理ｃ深圳５１８０￣７　【Ａｎｋｅ　Ｈｉｇｈ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５１８０６７）　’企业博士后研究课鼯　２Ｔ　维普资讯 http://www.cqvip.com

一　称为手术导航系统。第一台手术导航系统是在１　９８６年由美　国Ｒｏｂｅ　ｒｔｓ首创　’　他将ｃＴ图像和手术显微镜结台起夹运　用超声定位来引导手术．在临床上获得了的成功　随后　￣￣ｍｅｔｔ　。和Ｒｅｉｎｈａｒｄｔ　对声波系统进行了改进使精度有了～　定的提高．１　９９１年日本的Ｗａｎａｔａｂｅ　’和美国的Ｐｅｌｌ。。相继发　明了遥控关节臂定位系统关节臂不受瞄准线约束在各种　环境中都很可靠但给手术增添了不便。ＨｅｉＩｂｒｕｎ　等人利用　三目和双目机器视觉原理使用普通和红外相机进行立体定　向＝这种定向仪的精度较高但与超声一样．存在着瞄准线　约束问题。Ｋａｔｏ’　设计了一种电磁导向仪．由三维磁场源　磁场探测器三维数字化仪和计算机组成。这种设备的优点　是磁场探测器可以放置在任何地方不足之处是手术室存在　许多金属影响电磁场：近年来导航系统与内窥镜结合已经　变得很实用　把内窥镜所见的手术野与相应的ＣＴ或ＭＲＩ照　片同步地在监视屏上显示出夹外科医生能更加准确地切除　病灶避免健康组织受到损伤　同时虚拟ｌ仿真｝内窥镜　”－研究也正在展开使用虚｝ｃ』内窥镜可以使医生模拟地　进＾　患者的体内　身临其境　地从三维各个角度观察病　灶及其周围组织帮助医生更好地进行诊断和制定手术方　案。此外还有惯性、激光雷达电视等导航方法它们　在应用上的可靠　准确性和实用性等还有待验证　ｌ关手田健处曩　手术导航中的图像处理涉及三维重建图像分割图像　显示图像融合等方面它是组成手术导航系统的软件部分　图像处理技术的水平直接影响着系统的性能　１　１　三维重建　医学图像应用于Ｉｌ卣床已经有１００多年．但应用局哏于二　维和模拟图像。随着计算机技术的发展７ｃ年代在英国出现　了第一台头颅ｃＴ扫描机实现了医学图像信息的断层化和　数字化。Ｂ０年代．随着磁共振成像ＭＲＩ磁共振血管造影术　ＭＲＡ和数字减影血管造影术ＤＳＡ的发展　医学影像真正实　现了计算机三维化重建。９Ｏ年代以后出现了称为正电子发　射计算机断层仪ＰＥＴ圈像ＰＥＴ不仅能精确地显示其形态而　且能够用数据反映出血流　功能及代谢变化。目前ｃＴ或　ＭＲＩ的图像层厚约为１～３ｍｍ一般采用１　ｏ一’５ｍｍ．图像　的分辩率由早期的１　９２×２５６　２５６　ｘ　２５６、４８０×５１　２发展　到现在的５１　２×５１　２、６００　ｘ　６００三维图像重建的精度有了　很大的提高　１　２　图像分割　图像分割包括两部分一是将人体从背景中分离出来　二是将病灶从人体中分离出来　目前对病灶的识别判断主要　还靠人眼这属于影像诊断的范畴识别过程既利用了眼晴　这部远比计算机更加复杂和精Ｉ　的生物识别器　又利用　了医生的先验知识和经验这是当代计算机所望尘莫及的　但计算机在图像处理速度方面远比人要快得多因此利用　图像增强技术提供更清晰的图像夹烘人眼进行识别在人眼　精确识别能力的指导下使用计算机来进行病灶的自动分割　２２．．　或许是一种更快、更准确的病灶分割途径。　１　３图像显示　手术计划和引导中的三维可视化是将患者病情传递给医　生的有效手段．它不只是静态地三维图像　而是要能实时地　显示病灶及其周围组织的空间关系、手术工具　实际创伤等　形态改变。使医生具有ｘ射线透视能力　既能看到创口表　面又能看到该视点的内部结构利用透明显示技术还可以　去掉遮挡这就是图像的增强现实技术。　１　４图像融合　图像融合是将多模态图像融合到一幅图像中．为的是使　～幅图像中含有多幅图像的有用信息　倒如ＣＴ、ＭＲＩ图像　比较清晰但只能显示人体的解剖结构．ＰＥＴ图像既能显示　解剖结构又　Ｅ显示局部的生理和生化变化．而肿瘤代谢的　变化常早于解剖形悫的变化　把ＰＥＴ图像与ｃＴ或ＭＲＩ等图　像融合在一起可以得到台有病灶清晰解剖位置和其生化代　谢状态两种信息的一幅图像使医生的诊断更加准确和可　靠大大降低了误谚率　２关手导航盼鞲堰　导航的精度是手术导航设备的最主要的性能指标．他主　要取决观察棒的精度受遥感器注册方法匹配算法和图　像数据等因素的影响。　２　１遥感器　遥感器种类有超声电磁、激光可见光和红外的　目　前用的最多的是光学传感器尤其是红外传感器精度有了　很大地提高。　２　２注册方法　第一是图像的窗宽和窗位：窗宽和窗位是调整扫描机的　重要参数用来压缩扫描照片或监视器上的数据。例如扫描　机可采集到４０９６不同强度信号可是监视屏仅能显示２５６不　同强度信号　因此进行压缩是必要的　窗宽大虽可获得更多　的信号但其区别相近信号之间的差别的能力却降低窗宽　小正好相反。窗位指采样区域的部．当窗位高和窗宽小　时．仅显示高信号的结构低强度信号者不显示，第二是注　册标志由于病人头部的移动或安装头架时拉扯头皮　都会　使头上的标志发生移动．导致注册失准　２　３匹配算法　导航系统的基本要求是要找出手术现场坐标系与圈像坐　标系之间的关系　确定这两个坐标系之间的变换矩阵。确定　坐标变换关系最少要有四个非共面的点　实际中经常使用　８—１　２标志点点数越多定位就越精确。误差的太小还与　计算方法有关．例如当２个很小的数相减速时可能会带来　非常大的误差　２　４图像数据　主要包括．ＭＲＩ或ｃＴ图像的质量　扫描时病人的微小活　动会使相辱『ｊ序列图像之间出现不一致，病人病情的发展　脑肿胀等颅内疾病经ｃＴ或ＭＲＩ扫描后很短时间内病情又　有了新的发展　照片层厚，ｃＴ和ＭＲＩ断层摄片太厚必将　维普资讯 http://www.cqvip.com

巾国医疗嚣积信息　～　，　Ｖ　Ｎ　２ｇ＂３２　影响重建图像的准确性。用薄分层片可减少这种误差．但是　需要扫描时间长些。　空间．给手术带来了不便．最后ＭＲ对骨性结构的显影不理　想：因此．移动ＣＴ比术间ＭＲ更加廉价实用和方便。　９０年代以来．国外各学者报告的观察棒注册前精度．数　字鄯比较接近。Ｌｅｇｇｅｔｔ　ｌ　１　ｇ９１）报告的精度是２～３ｍｍ　ＯＩ　Ｊｖｉｅｒ　【１　９９４）报告的是３ｍｍ　Ｚｉｎｒｅｉｃｈ（］９９３）的实验结果是１～　２ｍｍ　Ｄｒａｋｅ（］９９４）是１　５ｍｍ。国内第合制造台手术导航系统诞　手术导航的数字化实时化　智能化是未来发展的方　生于１　９９９年．是由美国ＡＮＡＬＯＧＩＣ公司与浑圳安科公司联　它注册前精度达到０　３５ｍｍ左右　向导航系统的自动认知模式将会进一步提高手术的实用性　和效率。倒如．采用电磁定位以避免瞄准线约束，使用激光　扫描来代替标志点配准。图像处理能识别出靶结构的容积．　３掌闻糟组甥移位与实时导肮　４来栗发晨方向　清晰地勾画其边缘．而且能将ＣＴ、ＭＲＩ　血管造影和ＰＥＴ等　多模三维图像融合在起．利用消隐或透明等显示技术，形　在手术过程中由于脱水剂应用脑脊液引流或软组织　成一幅含有解剖结构和生理功能信息的四维【或）图　切除可引起颅内解剖结构移位或变形．这种情况有时会变得　像　导航的设备根据不同的需要可能是多种多样如超声　非常严重脑中的某些组织可能会发生］Ｏ～２０ｍｍ偏移并　激光显微镜内窥镜等．也可能是几种工具的结合导航　且很难　Ｒ踪。患者脑部的实际图像已经在手术过程中发生了　的精度和灵活性大大提高。不仅可以用来手术而且可以用　变化．而导航系统仍采用术前扫描的蛋像进行导航从而使　来模拟演练和教学培训。导航系统的应用范围也不再局跟于　导航系统不再准确。为此人们想了许多办法来解决这个难　神经外科　脊柱外科相信很快会扩展到耳鼻喉科　整形外　题其中一些方法有这样或那样的局限很难应用于ｌ缶床　科放射外科等越来越多的手术中成为医院中必备的公用　倒如有人试图利用大脑皮层记号进行　Ｒ踪部分补偿此移　手术辅助设备。　动．但结果并不理想。因为这样做是侵人性的．并且记号不　能可靠地固定很早就有人提出术问ＭＲＩ扫描这种方法但　５蛰考文献　价格昂贵且对许多手术任务不合适＝目前比较看好的有三种　方法已显示出其潜在的希望。　５　１　Ｒｏｂｅｒｔｓ　ＤＷ　Ｓｔｅｃｈｂｅｈｎ　ＪＷ　Ｈａｔｃｈ　ＪＦ　ｅ，ｔ　ａｌ　Ａ　ｆｒａｍｅｌｅｓｓ　第一种方法是用激光扫描定位．　Ｒ踪大脑皮层表面测　ｓ，ｔｒｅｅｏ，ｔａｘｉｃ　ｉｎ，ｔｅｇｒａ，ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅ　ｒｉｚｅｄ，ｔｏｍｏｇ　ｒａｐｈｉｃ　ｉｍ　量外科手术中大脑蛆织移动的过程．修正图像引导手术：使　ａｇｉｎｇ　ａｎｄ，ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　Ｊ　ＮｅＪｒｏｓｕｒｇ　１　９８６．　用这个系统可以对预先计算的三维ｃＴ或ＭＲＩ图像定义的脑　６５　５４５－－５４９　内区域在手术中准确识别。当功能ＭＲ图像活动映射到从术　５　２　Ｂａｒｎｅｔｔ　ＧＨ　Ｋｏｒｍｏｓ　ＤＷ　Ｓ，ｔｅｉｎｅｒ　ＣＰ．ｅｔ　ａｌ　Ｉｎ，ｔｒａｏｐｅｒａ，ｔｉｖｅ　前图像导出的皮层表面表示时效果更佳。跟踪术前皮层结　Ｉｏｃａｌｉｚａｔｉｃ￣ｕｓｉｎｇ　ａｎ　ａｒｍｌｅｓｓ　ｆｒａｍｅｌｅｓｓ　ｓｔｅｒｅｏ，ｔａｏ，ｔｉｃ　ｗａｎｄ　构的位移并将此位移回映到术前图像中去功能活动区可　Ｊ　Ｎｅｕｒｏｓｕ－－ｒｇｅｒｙ］９９３　７８．５１Ｏ－５１　４　以正确地放置在皮层表面。　５　３　Ｒｅｉｎｈａｒｄ，ｔ　ＨＦ　Ｈｏｒｓ，ｔｍａｎ　ＧＡ　Ｇｒａ，ｔｚｌ　０　Ｓｏｎｉｃ　ｓｔｅｒｅｏｍｅ，ｔ　ｒｙ　ｉｎ　第二种方法是术间超声威像与术前ｃＴ或ＭＲＩ结台修　ｍｉｃｒｏｓｕｒｇｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐｓｅａｔｅｄ　ｂｒａｉｎ　ｔｕｍｏｒｓ　正脑组织移动带来的影响　由于超声可以做到实时成像　最　ａｎｄ　ｖａｘｏｕｌａｒ　ｍａｌｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ　Ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅｒｙ　１　９９３．３２　５１—５７　新一代的超声成像装置能够使颅内血管可视化和重建３Ｄ体　５　４　Ｗａ，ｔａｎａｂｅ　Ｅ　１－Ｗａｔａｎａｂｅ　ＳＭａｎａｋａ　Ｓｅｔ　ａｌ　Ｎｅｗ　ｅｑｕｉｐ　．．数据．表明术问超声图像与术前像结合应用于临床的可行　ｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ＣＴ　ｇｕｉｄｅｄ　ｓ，ｔｒｅｅｏｔａｘｉｃ　ｓｕｒｇｅｒｙ　Ｓｕｒｇ　Ｎｅｕｒｏｌ　性。为此必须解决以下问题超声和术前图像中相似结构的　１　９８７２７　５４３　．匹配策略．超声和术前图像间标志点的位移量的测量。　５　５　ＰｅＩＩ　ＭＦ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ　ａｎｄ　ｆｒａｍｅｌｅｓｓ　ｓ，ｔｅｒｅｏ，ｔａｘｙ　ｉｎ　第三种方法术间ＣＴ它应用于术前Ｃ１－重建的三维图像　Ａｕｓ，ｔｒａｌｉａ　Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ａｒｍ　ｓｙｓ，ｔｅｍ　Ｉｎ　Ｔａｍａｋｉ　Ｎ　Ｅｈａｒａ　求问ｃＴ即手术室ｃＴ　现在发展成为可移动ＣＴ　１　９７８年Ｓｈａｌｉｔ　Ｋ　Ｃｏｍｐｕ，ｔｅｒａｓ　ｓｉｓｔｅｄ　ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅｒｙ　Ｔｏｋｙｏ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｄａｇ　第一次在肿瘤切除手术中使用ＣＴ检查肿瘤组织残余取　１　９９７］］－２２　得了良好的临床效果。随后Ｋｖｏｓｈｉｍａ｛１　９Ｂ７年）与Ｂｕｌｌｅｔ　５　６　Ｈｅｉｌｂｒｕｎ　ＭＰ　ＭＣ　Ｄｏｎａｌｄ　ＰＷｉｋｅ－Ｃｅ，ｔ　ａｌ　Ｓｔｒｅｅｏ＇ｔａｃｔｉｃ　．．｛１　９９８年｝等人分别将移动ＣＴ应用于脊柱外科和神经外科　Ｉｏｃａｌｉｚａｔｉｍ　ａｎｄ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｍａｃｈｉｅｎ　ｖｉｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　充分显示了移动ＣＴ在临床上的使用价值＝２００１年我国第　Ｓｔｅｒｅｏｔａｃ，ｔ　Ｆｕｎｃｔ　ＮｅＪｒｏｓｕｒｇｅｒｙ１　９９２．．５８　９４—９８　代移动式手术Ｃ　Ｔ由深圳安科公司研制成功　它采用　５　７　Ｋａｔｏ　Ａ　Ｙｏ￣ｑｉｍｉｎｅ　Ｔｅｔ　ａｌ　Ｃ。ｒ　ｐｕ【ｅｒ　ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｅ￣ｙ　，ＡＮＡＴＯＭ全身螺旋ＣＴ最新机型可与导航系统联合使用　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｆｒａｍｅｌｅｓｓ　ａｎｄ　ａｒｍｌｅｓｓ　ｎａｖｉｇａ，ｔｉｏｎ　ｓｙｓ　进行术中实时导航也可以单独使用。　ｔｅｒｎ（ＣＮＳ　ｎａｖｉｇａｔｏｒ｝Ｎｏ　Ｓｈｉｎｅｉ　Ｇｅｋａ　１　９９１　１　９　ｃ　２）：１　３７　虽然术间ＭＲ比ＣＴ的图像清晰但有许多客观因素　５　８罗述谦世界医疗器械　２０００，６（８）：１　４－１　８　它的推广ＭＲ价格昂贵　般的病人难以接受．它要求手　５　９朱辉世界医疗器械２０００．６（８｝：３Ｏ　３４　术麻醉等金属器械必须是防磁的　手求室也必须是专用　日　的这在一般的医院是难以做到的它了手术者的操作　２３