机械臂定位外科手术辅助导航系统

　　1　引　　言

　　目前,内窥镜技术已广泛应用于外科手术中,利用该技术,可使医生观察到手术部位的情况,提高手术的成功率。但由于内窥镜的视场非常小,它提供的只是局部的细节图像,而不能提示该局部在人体中的具体位置,其位置要由医生根据经验来判断,这大大增加了对手术医生的技术要求,同时也阻碍了内窥镜技术的推广。为降低手术难度,提高手术的精确性和可靠性,医院迫切需要一种能够提示手术器械与人体相对位置关系的外科手术辅助装置。这种装置称为外科手术辅助导航系统[1]。

　　外科手术计算机辅助导航系统即利用计算机图形图像技术对放射影像学(CT,MR,DSA,PET等)资料进行处理,重建二维或三维的医学图像模型,帮助手术医师在术前对预行的手术操作进行虚拟演示,以更好地规划手术入路。同时,在经典立体定向外科手术的基础上,结合各种空间定位技术,在医师的双眼、手术工具及患者的头部之间建立一个实时的环路,突破现有手术器械和辅助设备的制约,实现手术过程中器械位置的实时或准实时显示。

　　导航系统一般包括图像处理计算机及相关软件、头部定位设备和联系患者与影像的空间定位设备[2]三部分,基中空间定位技术是实现导航系统的关键。最简单的手术导航系统仅由头部定位框架和有标志点的影像所组成,只能用于术前计划。进一步的发展是有臂系统,即用数字化机械臂作为空间定位设备,不仅能用于术前规划,还可用于术中导航,这类产品中最具代表性的是加拿大ISG Technology公司的观察棒(ViewingWand)[3]。该类产品由于机械臂的使用给手术医师带来了不便。更进一步的系统成为自由漂浮系统即无臂系统,这类系统在患者和影像之间没有机械臂相连,而是用光学[4]、电磁感应等方法来联系患者和影像,追踪并记录手术器械的位置。这是目前使用最多的一类产品,如美国Visualization Technology公司的InstaTrak导航系统[5]利用电磁跟踪实现空间定位。而SurgicalNavigation Technologies公司的LandMarx导航系统[6]和Neurological Surgery公司的Stealth Station导航系统[7],则利用光学(即摄像机)方法实现空间定位。

　　目前最新的手术导航系统是机器人手术显微镜,即机器人根据术前制定的方案自动调整手术显微镜的位置,利用机器人做手术。目前市场上的该类产品有两种:Zeiss公司的MKM[8]和Elekta公司的Surgis-cope[9],两者的共同特点都是利用光学方法实现定位,且在患者与影像之间是双向实时联系。

　　总之,目前在国外手术辅助导航技术已经相当成熟。而国内有关方面的研究主要集中在医疗图像的处理与识别方面,对于影像导航系统的相关研究还刚刚起步。目前只有深圳的安科公司和北京航空航天大学等单位分别在光学手术辅助导航系统[10]和医疗外科机器人[11]等方面开展了工作。