计算机辅助外科手术的应用

1.3　计算机辅助外科手术

1.3.1　计算机辅助外科手术简介

科学技术的进步很快应用到医学领域，为人类的生命健康提供了有力的保障。1895年，德国人伦琴（W.Rontgen）发现X射线，开创了用X射线进行医学诊断的放射学——X射线摄影术（X-Ray RadiograPhy），也开创了工程技术和医学相结合的纪元。1967—1970年间，第1台临床用的计算机断层扫描（ComPuted TomograPhy，CT）由英国人豪斯菲特（Hounsfield）研制成功，在20世纪的放射成像领域具有划时代的意义。1980年，第1代商用磁共振成像设备（Magnetic Resonance Imaging，MRI）由达·马丁（Raymond Da Madian）等人研制成功，为医学诊断做出了又一巨大贡献。数字血管减影（Digital Subtraction Angiogra-Phy，DSA）、正电子发射断层扫描（Positron Emission TomograPhy，PET）、计算机断层扫描及血管造影（ComPuted TomograPhy AngiograPhy，CTA）、磁共振成像及血管造影（Magnetic Resonance Imaging AngiograPhy，MRA）等医学诊断设备进一步推动了临床医学的发展。随着计算机技术、图像处理技术、精密机器人技术等的进展，出现了一个新的领域：计算机辅助外科手术（ComPuter-Assisted Surgery，CAS）。它利用X线装置，CT，MRI，DSA，CTA，MRA，PET等提供的图像信息，先进的立体定位系统（Stereotactic Localization）和精密医用机器人（Medical Robot，MR）进行配准（Registration）、定位，辅助外科医生进行各种手术干预。CAS已应用于神经外科、整形外科、脊椎手术、牙科等领域。它对于提高肿瘤定位精度、减小手术损伤、设计植入器官、引导手术进行及提高手术成功率等具有十分重要的意义。

1.3.2　计算机辅助外科手术的方法

CAS是一项多学科尖端技术的结晶，它集中了计算机学科、数学、机械学、外科、内科及生物医学工程学等领域的科学家和工程技术人员，旨在帮助医生合理地、定量地利用CT/ MRI/DSA/PET/CTA/MRA等多模图像数据、定位系统和医用机器人进行配准、定位，制订手术计划，实现手术模拟，进行外科手术干预。

1）CAS的目标

CAS利用众多的先进成像设备（如CT，MRI，DSA，PET，CTA，MRA等），精密的定位系统和医用机器人等，它的目的在于：

①获取多模图像数据，提高诊断价值。CT图像对于骨组织等具有高的分辨率，MRI图像包含丰富的软组织及功能器官的信息，DSA是检查动静脉畸形（Arteriovenous Malformations，AVMs）、血管瘤等最有效的工具。将同一组织的这几种信息融合（Fusion），能更好地反应组织器官的功能、位置、形态等特征。

②多模图像配准、定位。配准的目的是在术前图像的基础上对手术器械定位。首先建立术中坐标系与定位传感器的联系和术前坐标系与术前图像的联系。然后估计术中坐标系与术前坐标系的转换方式。更一般地讲，术中将利用所有多模信息，要求所有的相关参考系统得到配准。

③制订手术方案，选择最佳手术路径，进行手术模拟。这一步对于减少手术损伤、提高肿瘤定位精度和手术成功率是非常重要的。

④在术中图像的监视下，利用一定的导航系统，执行预定的手术方案。在没有计算机辅助手术干预的情况下，医生必须在大脑里将来自不同参照系统的几何信息匹配起来。这些不同参照系统主要是获取术前图像和术中图像的医学设备。计算机辅助外科手术将完成这一复杂的匹配工作，并在医生的参与下执行手术计划。

⑤对于很难触及或手术医生无法用肉眼看到的组织器官，以及对医务人员来说较危险的动作，如在感染或放射情况下，精确复杂的计算机辅助手术干预将是十分必要和重要的。

2）CAS的处理过程

图1.3所示为CAS处理过程，主要分3大部分：

图1.3　CAS处理过程

1—CT，MRI，DSA，PET图像获取；2—参考坐标系统；3—立体定位系统；4—数学模型建立；5—数据获取及数学模型建立；6—术前图像配准；7—术前三维显示；8—手术方案制订；9—术前手术模拟；10—术前图像处理及显示；11—术中数据获取；12—术中图像显示；13—术中配准定位；14—术中人工控制；15—术中导航系统；16—机器人手术干预；17—手术中图像处理及手术导航

①通过CT，MRI，DSA，PET，CTA，MRA等获取人体组织器官的各种图像信息，并根据这些设备的参照系统、人体组织、器官的特性及立体定位系统建立数学模型。

②将CT，MRI，DSA，PET，CTA，MRA等的图像进行分割、重建等处理，结合立体定位系统进行配准。同时提供各种显示方式：表面显示、体显示、任意剖面显示。然后根据手术部位、手术器官、手术路径等制订最佳手术方案，并进行手术模拟。

③在手术中仍要不断获取术中数据，进行术中显示和术中配准，以外科医生的人工控制为中心，根据手术的进程，控制术中导航系统，利用精密机械手或机器人进行手术干预。

3）CAS的技术难点

在CAS中，几何立体定位是大家关注的难点，也是关键之所在，在硬件上主要指立体定位装置，在软件上主要指配准技术。

（1）立体定位方法（Stereotactic Localization Method）

早期的立体定位采用立体定位框架，这种方法需在病人头颅外骨板钻孔打钉，加固定头架，给病人造成痛苦，影响一定区域的外科手术的执行，操作繁琐费时，精度有限。近10年来，无架立体定位技术取得了很大的发展，出现了光学立体定位法、机械手立体定位法、超声波立体定位法、电磁立体定位法等；同时在精度、可靠性、使用方便性、多功能等方面都有提高。下面分别介绍各种定位方法：

①光学定位法是最精确的定位方法 它又分为无源光学定位法和有源光学定位法。无源光学定位系统利用几个摄像机对目标进行观察，并对至少两幅图像上的相同目标点进行配准，然后重建这些点的三维坐标和目标的三维形状。被观察的目标本身不发射光线，是无源的。这种系统典型的最好精度为1mm，可达的立体范围为1m³。它主要受限于视频图像的分辨率和校正问题；同时周围光线和金属物体可在摄像机视野中产生伪像，引起错误数据并使处理变得复杂，降低处理速度。为了提高无源系统的鲁棒性和速度，可采用有源目标。典型的方法是在目标物体上安装一组小的红外二极管。二极管发射的一组光点在图像上的相对关系和相对位置可提高处理系统的鲁棒性，减小算法的复杂性，降低处理时间。有源光学定位系统的分辨率可达0.5　mm。

②机械手定位系统 机械手定位系统属于无源定位的一种，它至少有6个自由度，且在每个关节均有编码。与机械手相连的手术器械的位置和旋转能够通过机械手的几何模型和关节编码器的瞬时值实时计算出来。机械手定位系统的分辨率一般为2～3mm，要想在较大的工作范围内获得较高的分辨率，必须要有更精密的、刚性更好的机械结构，系统也将更庞大笨重。

③超声波定位法 超声波定位法是基于测量超声波的传播时间来进行的。设系统中有N个超声波接收器（N≥3）和M个超声波发射单元。对于一个给定的发射器，超声波在发射器和每个接收器间的传播时间可通过同步技术获得。设超声波在空气中的传播速度是已知的且为常数。在接收器组和发射器之间的长度L₁，L₂，…，L_N可通过计算得到。如果接受器的相对位置已知，发射器的三维坐标可认为是以各发射器为中心、以各接收器到发射器的距离为半径的球的交叉。目标物体上的N个发射器（至少3个）的坐标可完全确定该目标物体上任何空间点的坐标。超声波定位法的主要问题在于温度对超声波的影响、空气位移、空气非均匀性以及发射器的大尺寸等。系统的绝对精度一般为5　mm。

④电磁定位系统 在电磁定位系统中，每一个电磁线圈定义一个空间方向，3个线圈确定3个空间方向，然后再根据已知的相对位置关系就可以对目标的空间位置进行定位。A.Kato等人采用了该方法进行立体定位，并应用于神经外科手术中。电磁定位系统的分辨率一般为3mm，但系统磁场对工作空间中任何金属物体都很敏感。

（2）配准技术（Registration）

配准是CAS的另一个技术难点，它包括：

①术前图像（CT/MRI/DSA/PET/CTA/MRA等多模图像）和术中信息（定位器数据、X线投影、超声图像等）的配准。

②几种术前图像（CT/MRI/，CT/DSA，RI/DSA等）的配准。

③3D图像与包含一定模型的解剖信息（如脑地形图）的配准。

④不同图像及信号与手术系统（如机器人等）的配准。

所有的几何配准都可解释为以下的一种通用方式：如果将每一种模式M与参照系统I_m相联系，那么模式M_a与模式M_b之间的配准相当于求I₃→I₃的函数U，即I_m，a的每一点与I_m，b的每一点之间的联系。这种配准将使相似函数S最大化，而函数U由刚体或弹性变换的模型限定。

配准方法主要分为两种，一种是基于外部标记（立体定位框架、硫酸铜标记等），另一种是基于解剖结构。基于外部标记的配准需在病人头部加一定的标记，如病人在术前和术中检查时戴一个固定头架，头架上有一定的形状和标记，在每一个参照系统中利用物体标记，寻找刚体变换的六七个参数（旋转+变换+标尺），以配准这些物体标记。这种方法给病人带来不舒服的感觉，不同部门之间的组织困难，同时还存在不精确和不灵活的问题。基于解剖结构的配准是以解剖结构为参照，在模式M_a和M_b中先进行了分割处理。例如，M_a代表术前脊椎的CT或MRI图像，M_b代表术中光学定位系统。在CT或MRI图像上可分割（Segmentation）出脊椎，从而获得位于脊椎表面的一些点的数据。在手术期间通过光学定位系统获得上述点的信息。配准就是将来自两种模式的同一物体的表面点匹配起来。同样，配准术前的CT图像与术前的MRI图像也是先对同一组织进行分割，然后再进行匹配。

4）CAS中的术前、术中处理方法

基于不同的工具和应用，CAS有不同的术前处理方法和术中处理方法。

（1）术前处理方法(www.chuimin.cn)

术前各个步骤的不同处理方法如表1.7所示。

表1.7　CAS术前处理方法

①校正 它主要是对CT/MRI/DSA等的图像失真进行校正。在成像过程中，存在着成像装置如射线管等引起的几何失真。校正是提高图像配准精度及定位精度的第1步。

②图像获取 多模图像可来自CT，MRI，DSA，CT A，MRA等成像设备。

③图像分割 图像分割是为了下一步进行图像配准。基于不同的标记，有5种不同的分割处理方法。

④多模图像配准 术前进行的是几种不同模式图像的配准。

⑤手术路径分割 这一步是依靠不同的图像信息制订手术路径。

⑥图像显示 图像显示主要有3种方法。表面显示是在CT/MRI等图像上提取解剖结构的边界轮廓线，利用表面重建技术重建其三维表面，然后经透视变换及明暗处理，显示有立体感的图像。任意剖面显示给出定位设备当前位置3个方向上的图像，即与医生观察方向相垂直的剖面图像、与观察方向平行且与定位设备轴向在一个平面上的剖面图像，以及同上述二剖面都垂直的剖面图像。体显示可透明显示器官的内部结构。

（2）术中处理方法

术中各个步骤的不同处理方法如表1.8所示。

表1.8　术中处理方法

①术中数据获取 术中数据提供手术器械和组织器官的空间位置、形态特征，便于正确掌握手术。

②术前图像中参考结构的定义 这一步和下一步的参考结构的定义是为了确定坐标变换的参数，为术前图像和术中坐标系统配准做准备。

③术中坐标系统中参考结构的定义。

④术中坐标系统和术前坐标系统的配准。

⑤图像引导手术干预。

1.3.3　计算机辅助外科手术的进展和方向

1）CAS的主要进展

近10年来，CAS在美国、法国、瑞典、德国等发达国家取得了一定的进展，并有一部分应用于临床中，取得了较好的效果。

1996年Reinhardt等人及1987年Watanabe分别提出了将实时定位装置和图像数据相联系的方法。这是首次采用机械手的实时定位方法。它利用一只装有角度传感器的机械手指向大脑的三维组织结构，并将计算出的机械手尖端位置与CT图片相关联，指导手术进行。

1987年，Kall等人研制了基于CT/MRI/DSA上的计算机辅助外科手术CAS系统。

1987年，法国的Grenoble University HosPital利用机器人进行了立体定位外科手术。该系统结合CT和MRI的信息指导机器人到达目标点。该系统的组成为：一台VAX11/780计算机、一台Thomson CGRMagniscan 5000核磁共振成像设备、一台用于重建损伤和进行图像处理的数字处理设备VINIX、一台由AT计算机控制的机器人AID Universal。1995年，他们又报道了一种基于CT/MRI上的CAS系统。

1988年，Kelly等人开发了一套机器人辅助神经外科手术的系统：Mayo Clinic System。该系统将CT和MRI结合，通过对肿瘤的三维重建来对目标进行计算，外科手术器械由机器人引导，并在图像引导下切除损伤。在1988年进行了226例肿瘤切除手术。Kelly利用CT/MRI信息进行三维重建和图像引导，利用机器人进行手术干预具有一定的开创意义。

1990年，德国的Ludwig Adams等人报道了一种基于CT图像的CAS系统。

1991年，加拿大ISG公司向市场推出了观察棒（Viewing Wand）。该系统是基于CT图像和机械手进行手术干预的。在常规应用中，该系统的典型精度为2～3mm；在无框架立体定位活检中，精度可达1mm。在发达国家，Viewing Wand已获较为广泛的临床应用，它对于组织活检、手术引导、肿瘤的定位和切除等具有重要的意义。

1991年，Galloway等人开发了一套基于CT图像的CAS系统。

1994年，Sandem等人研制了基于CT图像和机械手定位的CAS系统。

1995年，Maurer等人研制了基于CT/MRI的CAS系统。

1995年，C.W.Burckhadt等人开发了一套基于CT图像的机器人控制的立体定位神经外科手术系统。该系统执行手术时，探头尖端到目标点的绝对偏移为0.3mm。

1996年，W.Zylka，H.A.Wischman等人推出了一套CT/MRI引导的CAS系统。

2）CAS的研究方向

经过各国科学家和工程技术人员的努力，CAS已经在图像配准、定位及医用机器人等方面取得较大的进展。随着计算机技术、图像处理技术、精密机械技术等的不断发展，CAS将会有长足的进展。

①多模图像信息的综合、配准。目前主要利用CT/MRI图像进行配准和定位，随着CT/MRI/DSA/PET/CTA/MRA等多模图像配准高精度的立体定位系统的发展，以及计算机视觉、模式识别、激光技术等的发展，光学立体定位系统将以其精度高、处理灵活方便等特点受到青睐。

②医用机器人将在手术中扮演越来越重要的角色。目前的医用机器人只是辅助外科医生完成一些非常简单的任务，随着精密机械技术、自动控制技术的发展，医用机器人将完成越来越复杂的操作。

③虚拟现实技术（Virtual Reality）将使医生在手术之前对颅内肿瘤的位置、大小等有全面的了解，并能给医生提供身临其境的手术模拟。

④PACS（Picture Archive and Communication System）技术将和CAS结合，推动远程医疗的进展。