外科手术导航系统课件.ppt

1、第五章外科手术导航系统5.1 概述 神经系统疾病病灶位于脑内深部、周围重要解剖结构、血管神经包绕。手术需开颅，使患者脑组织暴露出来。精确度高、难度大。病灶组织的位置和大小的判断完全凭医生对二维图象的理解，医生的主观经验起决定作用。无法处理大脑深部的病变。立体定向脑外科手术：在颅骨钻一小孔，在定位系统引导下将探针引如脑内，对病灶点进行活检、放疗、切除等操作背景：背景：计算机图象与图形的迅速发展，为医学图象处理提供了强有力的工具 探测技术的发展医生可以获得越来越多的患者的医疗数据，但仅基于CT或MRI图象进行病例分析、诊断和手术规划，已经很难精确完成许多诸如脑神经外科等复杂的外科手术。一些精细手术

2、难以用常规方法完成，利用机器人可以完成手术部位的精确定位，实现手术的最小损伤。起源与发展起源与发展 1906年，英国伦敦皇家医院的DR.Clarke和Horsely利用脑三维定向仪成功地进行了动物脑定向技术。1986年Stanford医学院的Dr.Roberts最早将立体导航系统用于临床。1988年美国Kwoh用PUMA260机器人为52岁老人脑活检。IBM东京研究所开发CLIPSS系统。包括图像分割、三维重构、可视化、手术模拟及放疗模拟和神经外科手术规划等功能。德国CAS系统为颅底外科手术制定规划和术后治疗提供帮助。5.2 立体定向神经外科手术 传统脑神经外科手术传统脑神经外科手术 需要打开

3、病人颅骨需要打开病人颅骨对位于大脑深部的病变无法处理对位于大脑深部的病变无法处理 病人康复时间长病人康复时间长 被感染的机会增加被感染的机会增加 立体定向脑神经外科手术立体定向脑神经外科手术 无需开颅，只要在颅骨上钻一个小孔无需开颅，只要在颅骨上钻一个小孔 定位系统引导下将外科器件引入脑内进行手术定位系统引导下将外科器件引入脑内进行手术 病人痛苦减少病人痛苦减少 安全，康复时间短安全，康复时间短5.2 立体定向神经外科手术（续）定向手术成功的条件定向手术成功的条件 准确识别组织和病灶准确识别组织和病灶 确定正确的穿刺路径确定正确的穿刺路径和穿刺点和穿刺点 在患者头部精确定位在患者头部精确定位

4、传统框架立体定向脑传统框架立体定向脑神经外科手术神经外科手术 在扫描图像中规划在扫描图像中规划 通过框架定位通过框架定位5.2 计算机辅助立体定向手术系统 计算机辅助手术系统的特色计算机辅助手术系统的特色 采用标记点定位采用标记点定位,抛弃了框架抛弃了框架 三维脑部模型显示和手术规划三维脑部模型显示和手术规划 机械臂导航和手术支持机械臂导航和手术支持 基于虚拟现实的手术培训和教学基于虚拟现实的手术培训和教学计算机辅助立体定向手术系统 计算机辅助立体定向神经外科手术系统集中了计算机辅助立体定向神经外科手术系统集中了多种计算机图形图像技术。多种计算机图形图像技术。包含有二维医学图象处理、三维体模型

5、和表面包含有二维医学图象处理、三维体模型和表面模型的重构、显示以及漫游等功能。模型的重构、显示以及漫游等功能。在计算机中三维模型的引导下利用机械臂进行在计算机中三维模型的引导下利用机械臂进行手术路径的导航和手术操作的支持。手术路径的导航和手术操作的支持。通过虚拟现实设备，系统同时提供一个虚拟手通过虚拟现实设备，系统同时提供一个虚拟手术环境，对医生起到培训和教学的作用。术环境，对医生起到培训和教学的作用。计算机辅助神经外科手术系统的结构计算机辅助神经外科手术系统的结构计算机辅助神经外科手术系统是综合了多种技术的多功能手术支持平台，包括五大部分：扫描数据处理 三维数据可视化 手术规划及导航 手术支

6、持 虚拟现实计算机辅助神经外科手术系统的组成计算机辅助神经外科手术系统的组成 可移动的计算机图形工作站。底座固定在手术室天花板上的智能机械臂，以及与之相连的手术显微镜、内窥镜。一套分别安装在机械臂底座、手术头架和显微镜上的红外线信号发射与接收系统。以上三部分用同轴电缆相连CT/MRI数据病灶轮廓构勒脑部体模型和表面模型三维可视化显示与交互操作手术规划手术导航和支持培训和手术模拟病人机械臂计算机辅助立体定向神经外科手术系统结构图脑部模型的重构和可视化显示 采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病灶采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病灶组织和重要组织轮廓组织和重要组织轮廓 由轮廓线重构病灶和其他组织的表面

7、模型由轮廓线重构病灶和其他组织的表面模型 使用体模型和面模型混合绘制脑部三维模使用体模型和面模型混合绘制脑部三维模型型 提供多角度提供多角度,多深度和任意剖面的显示多深度和任意剖面的显示图 例系统半自动提取的颅骨轮系统半自动提取的颅骨轮廓廓(图中红线所示图中红线所示)实际手术中由医生勾勒的实际手术中由医生勾勒的病灶轮廓病灶轮廓(图中红线所示图中红线所示)5.3 术前规划 通过对模型的多角度观察，医生可以对患者脑通过对模型的多角度观察，医生可以对患者脑部任意位置的状况有一个清楚的了解。部任意位置的状况有一个清楚的了解。医生可以通过系统提供的模型清楚的医生可以通过系统提供的模型清楚的“观察观察”病

8、人的脑组织情况，在模型上进行手术规划和病人的脑组织情况，在模型上进行手术规划和验证，以确定手术的具体方案。验证，以确定手术的具体方案。根据各种参数调整手术规划方案，使穿刺点尽根据各种参数调整手术规划方案，使穿刺点尽量位于病灶的中心量位于病灶的中心,使规划中的穿刺路径尽量使规划中的穿刺路径尽量避开重要的组织和神经，确保患者的安全和手避开重要的组织和神经，确保患者的安全和手术的成功。术的成功。术前规划术前规划(图中紫线为规划的穿刺路径图中紫线为规划的穿刺路径),),左上左上,左下左下,右右上图是模型三个剖面图上图是模型三个剖面图,右下为病灶组织的三维结构右下为病灶组织的三维结构(红色红色)病人脑部

9、病灶的三维表面模型病人脑部病灶的三维表面模型(图中黄线为规划穿刺路径图中黄线为规划穿刺路径)5.4 基于标记点的手术校准 完成模型到患者的头部正确的映射，必须实现完成模型到患者的头部正确的映射，必须实现两个条件两个条件:在患者的头部建立一个参照坐标系在患者的头部建立一个参照坐标系 可以在这个坐标系中精确的定位可以在这个坐标系中精确的定位 系统采用标记点建立患者头部的参照坐标系系统采用标记点建立患者头部的参照坐标系 克服了框架结构的缺点克服了框架结构的缺点 需要辅助的定位设备需要辅助的定位设备系统模型与患者头部的映射固定在患者头部的标记点固定在患者头部的标记点(红色箭头所指红色箭头所指)头部的标

10、记点在头部的标记点在CTCT图像中图像中的成像的成像(红色箭头所指红色箭头所指)系统模型与患者头部的映射 患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标系患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标系头部空间的任意一点的位置头部空间的任意一点的位置M都可以一个仿射坐标都可以一个仿射坐标（x，y，z）唯一确定唯一确定 模型坐标与患者头部坐标的映射可以用一个变模型坐标与患者头部坐标的映射可以用一个变换矩阵表示。换矩阵表示。321MMzMMyMMxMMoooo系统模型与患者头部的映射患模模患pTppTpzzzzzzzyyyyyyyxxxxxxxToomomomoomomomoomomom111321321321110

11、00 模型中任意位置与患者头部位置的映射矩模型中任意位置与患者头部位置的映射矩阵及映射公式阵及映射公式机械臂与患者头部的校准 无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航工无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航工具具 机械臂任何动作都是在其自己独立的坐标系中机械臂任何动作都是在其自己独立的坐标系中完成和计算的完成和计算的 要精确定位，必须得到机械臂坐标与患者头部要精确定位，必须得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射关系坐标的映射关系无动力无自由度机械臂机械臂与患者头部的校准 患者头部固定后，医生操纵机械臂依次接触患患者头部固定后，医生操纵机械臂依次接触患者头部的标记点者头部的标记点 得到机械臂坐标与患者

12、头部坐标的映射矩阵得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射矩阵机模模机机患患机pTTppTTppTppTp1211121225.5 手术导航和手术支持 模型中的手术规划转化为机械臂坐标模型中的手术规划转化为机械臂坐标 机械臂的任何运动映射到模型上，指导机械臂机械臂的任何运动映射到模型上，指导机械臂的进一步运动的进一步运动 机械臂到达预定位置，予以锁定，通过安装在机械臂到达预定位置，予以锁定，通过安装在机械臂上的手术器械进行手术机械臂上的手术器械进行手术机械臂在模型中的映射机械臂在模型中的映射(图中黄线为机械图中黄线为机械臂前臂的中轴臂前臂的中轴,紫线为规划穿刺路径紫线为规划穿刺路径)利用机械臂上安装

13、的手术器械排出患者脑利用机械臂上安装的手术器械排出患者脑中的囊液中的囊液基于虚拟显示的手术培训 建立虚拟手术环境的必要性建立虚拟手术环境的必要性在立体定向手术中，医生不能直接观察到患者的脑在立体定向手术中，医生不能直接观察到患者的脑部组织，因此医生必须熟练掌握该系统部组织，因此医生必须熟练掌握该系统 建立虚拟手术环境的基本条件建立虚拟手术环境的基本条件 虚拟场景，虚拟患者虚拟场景，虚拟患者 立体显示设备立体显示设备 空间定位设备空间定位设备虚 拟 手 术 虚拟病人虚拟病人 利用网上共享的医疗资料和真实患者的扫描数据利用网上共享的医疗资料和真实患者的扫描数据 虚拟手术虚拟手术 按照实际手术操作按照实际手术操作 以机械臂作为空间定位设备以机械臂作为空间定位设备 可以在人脑内部进行漫游可以在人脑内部进行漫游虚虚 拟拟 手手 术术 场场 景景虚虚 拟拟 手手 术术 试试 验验虚拟手术中的场景显示虚拟手术中的场景显示虚拟病人脑组织剖面的放大显示虚拟病人脑组织剖面的放大显示试 验 与 分 析 系统误差小于系统误差小于3.0 mm 误差产生的原因误差产生的原因 机械误差机械误差 扫描数据的误差扫描数据的误差 图像处理的误差图像处理的误差 使用该系统，已经成功了进行了使用该系统，已经成功了进行了100多例立体多例立体定向脑外科手术定向脑外科手术