正颌外科手术导航系统实现

精品文档正颌外科手术导航系统实现正颌外科手术导航系统除了相应的软件模块之外，还需要一定的硬件支撑才能将导航技术引入到正颌外科手术领域，针对正颌外科开展手术导航。本文第三章到第六章中我们给出了针对每个关键技术的解决方案，同时基于VC+和VTK完成了算法和功能的实现，因此本章对软件部分的具体实现不做赘述。本章首先介绍了导航系统硬件配置，并完成了与正颌外科手术相关的手术工具的设计，为正颌外科手术导航提供了硬件支撑。然后取医学实验用成年男性头颅模型1例进行了手术导航实验，验证手术导航系统的手术精度，为3D OsteoSim&Nav手术导航系统的临床应用迈出坚实的一步。7.1 导航系统硬件配置与大多数基于光学跟踪的手术导航系统相似，3D OsteoSim&Nav手术导航系统的主要硬件配置包括如下几部分：7.1.1 高性能图形工作站综合权衡性价比，我们选用了DELL AW-PRECISION 450DT 高性能工作站，主要配置为：CPU：Intel XeonTM处理器，1.80GHz；内存：1GB；显卡：nVidia QuaoroFX 500 VGA/DVI图形卡，显存为128MB；硬盘：SCIS，70G，7200RPM；操作系统：选用主流操作系统Windows XP Pro，主要因为其有着丰富的应用软件和开发包支持，便于开发工作的进行。7.1.2 活动工作台根据手术导航系统的需要，自行设计并制作了活动工作台，用于固定和支撑三维光学立体定位设备（摄像头和控制箱等）以及安放图形工作站主机和显示器等。该工作台被设计为可以任意推动并可随时自锁固定，以保证摄像头能处于最佳追踪范围内，并保证不防碍医护人员的视野和手术操作。7.1.3 三维光学立体定位设备本文采用加拿大NDI公司的Polaris光学立体定位跟踪仪。Polaris立体定位系统的核心设备是位置传感器(Position Sensor/Localizer)和探测工具（Sensing Tool）。位置传感器是由一组装有红外线滤波片的CCD 摄像头构成的，摄像头周围有一圈红外线发射器。摄像头的个数是位置传感器最根本的特性，二摄像头传感器(2-Camera Sensor, 2CS)的CCD 摄像头采用的是二维阵列的CCD 晶片，每一个摄像头在工作时均会产生一幅二维图像，其显示了测量空间中的点状红外能量。该点与相应摄像头中心的连线表示了红外能量在摄像头坐标系中的位置和方向。Polaris立体定位系统通过两个CCD摄像头来追踪安装在工具上的若干特制标记物来最终确定探测工具的空间位置，位置传感器与探测工具之间存在某种能量交换，通过换算可以得到探测工具的空间位置。Polaris立体定位系统同时追踪的最大工具件数为12件（有源的3件，无源的9件），定位精度为0.35mm，追踪范围为211m。该设备通过RS232通讯接口与计算机相连，提供了工具管理及追踪测试软件，同时可通过串口编程对其进行二次开发。图7-1 3D OsteoSim&Nav硬件系统Fig. 7-1 Hardware System of 3D OsteoSim&Nav7.2 相关手术工具设计针对正颌外科手术的需要，我们进行了探测工具设计、手术器械与探测工具接口设计、头部支架设计以及手术器械校准系统的设计。7.2.1 探测工具设计为了用探测工具表征测量目标在位置传感器中的坐标信息，需要将探测工具与测量目标设计成一体，如此便可以通过探测工具的空间位置以及两者之间的坐标变换关系求得测量目标的空间位置。探测工具根据工作原理不同分为有源工具和无源工具，本节从设计的难易、使用的灵活性、定位精度和成本四个方面对这两种工具进行了比较，为手术工具的设计提供依据。u 设计的难易。有源工具需要将一组红外发光二极管集成在刚体上，发光二极管按特定的顺序发射红外光，摄像机接受信号，根据发光二极管的发光顺序和在摄像机敏感元件上的成像位置可以确定发光二极管的空间位置。而无源工具用特征比较明显的标记集成在刚体上，由立体视觉原理来实现目标识别。有源工具的设计不仅需要设计刚性的框架，还需要设计发光二极管的电路，工序复杂，而无源工具只需将无源标记固定在一个设计好的刚性框架上。u 使用的灵活性。有源工具在使用的时候需要将其描述文件固化到追踪系统的控制箱程序中，而无源工具的描述文件可以在追踪系统初始化之前动态加载。有源工具带有连接线，而无源工具不带连接线，从而避免了对手术空间和无菌环境的干扰。所以无源工具的使用更灵活。u 定位精度。有源工具的精度比无源的高，有源工具可主动发射红外线，而被动工具是反射摄像机发射过来的红外线，被动工具红外线的行程是主动工具的2倍，由于红外线反射球对光的敏感性，有时手术室灯光会造成系统不能持续看到反射球。而且，反射球是靠表面的涂层反射红外线，沾上血污或部分磨损后也会影响工作。u 成本。包括原始成本和追加成本。原始成本是指第一次制造探测工具时所需的成本，无源工具的原始成本少于有源工具。但是无源标记在手术反复消毒的过程中会受到磨损，会使精度大大降低，需要经常更换，所以追加成本高。如果工具的使用率高，那么有源工具成本结构更合理。综合考虑以上指标，无源工具有灵活性好，设计方便的优点，所以在本采用无源探测工具的设计。光学定位追踪仪是通过追踪无源标记反射回来的红外线来定位无源标记的位置，并根据无源标记的排列识别工具的，为了能够使系统精确的识别，无源标记在刚性框架上的排列有一定的规则： 每个探测工具的被动式标记数目不得少于3个； 每两个小球中心的距离不得小于50mm； 每两个小球之间的距离不得与其它任何两个小球之间的距离相同，并且距离之差不得小于5mm。根据以上规则，我们设计了无源探测工具如图7-2所示。图7-2无源工具Fig. 7-2 Passive Tools7.2.2 接口设计手术器械与探测工具间连接接口的设计原则是在不影响医生手术操作的前提下方便安装与拆卸，并且保证两者间定位准确，即探测工具在手术器械上的安装完成后，探测工具的位置处于固定状态，它相对于手术器械为刚性，不能有任何方向上的位移或旋转发生，否则手术器械的方向标定就失效，从而使得手术导航精度难以保证。图7-3 手术器械与探测工具接口Fig. 7-3 Joint between the surgical instrument and locator 7.2.3 支架的设计在手术过程中，一旦完成术前模型与术中患者空间位置间的配准后，患者的空间位置不能改变，否则配准失效，无法进行准确的手术导航。可是在实际的正颌外科手术过程中，根据不同类型手术的需要，有时必须改变患者头颅的空间位置，才能保证手术的实施，例如对头颅进行一定角度的旋转方便截骨的进行等等。因此，必须在术中实时跟踪患者的空间位置改变，把这个改变实时补偿给配准，才能保证手术导航准确实施。为了符合微创手术的发展趋势，避免在患者头颅部固定空间探测工具对患者造成的侵害，我们设计了一个可以方便安装探测工具的头颅支架，来支撑与固定患者的头颅。该支架以万向头为底座，因此有三个旋转自由度，术中可以根据需要进行任意方向的旋转以满足手术的需要。图7-4 头部支架Fig. 7-4 Head holder7.2.4 手术器械校准系统的设计完成手术器械与探测工具的连接后，必须对对手术器械进行标定，即需要通过定位球的空间位置来确定器械坐标系统的坐标原点，才能在术中实现导航仪对手术器械实时准确的跟踪。理论上手术器械与探测工具间为固定连接，即空间定位球的坐标位置与手术器械坐标原点（如骨锯的锯片顶点）的位置已知，但是由于加工与安装精度问题，手术器械标定必然存在一定的误差，因此必须对这一误差进行测量，并根据需要进行补偿。为了测量手术器械的标定精度，我们设计了手术器械校准系统来测量手术器械的定位精度。校准系统是一个带有三个定位球的已知结构，上面的校准孔的空间位置可以由三个定位球来确定。我们设定校准孔顶点为该校准系统的坐标原点，标定该校准系统。校准系统结构如图所示。NDI导航系统中自带的ToolView软件可以很方便地实现手术器械的校准。完成校准系统与手术器械的标定后，我们可以通过ToolView软件来观察校准系统与手术器械的坐标原点在导航仪的世界坐标系下的位置坐标。我们可以将校准系统坐标系设定为基础坐标，在ToolView软件中观察手术器械坐标原点在校准系统坐标系中的相对位置坐标。将手术器械坐标原点（如骨锯的锯片顶点）放置到校准孔顶点，观察相对坐标位置，该数值即为手术器械的标定误差。图7-5 手术器械精度测试Fig. 7-5 Precision calibration of the surgical instrument7.3 正颌外科手术导航系统软件实现本文中CT数据的三维重建是基于本研究所叶铭博士开发的MedGraphics软件来实现的。MedGraphics是一款被设计用以处理医学影像的通用软件，其编写目的就是为医生和相关工程技术人员提供一套可用以显示及处理医学影像的系统，能够实现在计算机中对人体组织（尤其是骨组织）的三维重建。颅颌面骨组织的三维重建如图7-6所示。图7-6 MedGraphics软件重建颅颌面三维模型Fig. 7-6 Reconstruction of Cranio-maxillofacial model based on MedGraphics在此基础上，作者针对颅颌面三维模型进行了网格模型简化、颅颌面结构的可视化、术前立体测量与三维模拟以及术中空间配准、实时导航等软件模块的设计，开发了3D OsteoSim&Nav手术导航系统，系统的软件界面及主要功能如图7-7所示。可视化模块术前模拟模块术中实时导航模块图7-7 3D OsteoSim&Nav手术导航系统界面Fig. 7-7 Interface of 3D OsteoSim&Nav system7.4 正颌外科手术导航实验我们以颅颌面模型为例，基于正颌外科手术导航系统进行了手术实验，对3D OsteoSim&Nav手术导航系统的临床应用进行测试。下面是手术导航实验的过程。1. CT数据的获取 图7-8 LightSpeed CT机 图7-9 头颅螺旋CT扫描Fig. 7-8 LightSpeed CT machine Fig.7-9 Spiral CT scan of the experimental skull取医学实验用成年男性头颅模型1例进行头颅螺旋CT扫描(图7-8，7-9)，硬件及扫描参数为：美国G.E公司生产16层螺旋CT(LightSpeed)，扫描速度0.8s/层，层厚0.625mm，共615层，140kv、250mA。输出数据以标准DICOM 3.0 CT影像数据储存。2. 三维模型重建与网格简化由MedGraphics软件读入CT数据，经图象预处理、图象插值、图象分割等处理后，提取骨组织区域，重建颅颌面的三维表面模型。对三维网格模型进行简化，简化前后的网格模型如图7-10所示。简化前该颅颌面模型具有54714个顶点和109828个三角面片，简化后该模型具有32283个顶点和64646个三角面片，在不影响其视觉效果的前提下，网格减少了40，文件大小由原来的39M减小到17M。 a. 原始模型 b.简化后模型图7-10 简化前后的网格模型Fig.7-10 Mesh model before and after simplification 3. 术前立体测量及手术模拟先确定该患者的硬组织特征点，对其进行三维立体测量，观测其测量值，判断其病态类型，从而制定相应的手术规划，确定截骨类型及截骨线位置，模拟截骨，目测截骨块的术后理想位置，同时进行相关测量，使其恢复正常值。 图7-11 术前模拟Fig.7-11 Pre-operative simulation该患者的主要测量数据如下：SNA角为71.6，SNB角为79.2，面上、面中、面下1/3分别为53.7、51.9、61.0mm。与正常人测量数据比较，判断该患者主要为上颌骨发育不足造成面部畸形。根据测量结果，制定手术计划，确定截骨线位置，模拟截骨后，将截骨块向前移动5mm，此时再测量相关数据：SNA角恢复为81.9，在SNA角正常值82.84.1范围，面中、面下1/3分别为54.5、55.4mm，满足面上、面中、面下1/3高度基本相等的要求。三维测量及模拟过程如图7-11所示。4. 配准标记点的获取与空间配准完成术前模拟后，进入术中手术导航部分。为了完成空间配准，首先要提取配准标记点。三维模型上的配准标记点有操作者交互提取，术中患者空间位置的配准标记点通过定位跟踪系统来采集，如图7-12所示。提取到配准标记点后，由软件自动实现配准算法，得到空间变换矩阵，完成空间配准。 图7-12 术中配准标记点的采集Fig. 7-12 Acquirement of the markers intro-operation5. 实时手术导航图7-13 正颌外科实时手术导航Fig.7-13 Real-time navigation orthognathic surgery术中导航系统实时跟踪手术器械和患者的空间位置，根据空间配准得到的变换矩阵准确地参数化描述手术器械模拟相对于重建模型的空间位置，从而完成图象引导手术导航的实施。实时手术导航过程如图7-13所示，医生根据重建模型引导，在重建模型上实时直观地观测到手术器械相对于患者的空间位置，延伸了医生有限的视觉范围，根据术前手术模拟的截骨位置进行截骨，完成手术导航。6. 精确定位截骨块通过图象引导手术导航系统根据术前模拟结果准确完成截骨后，截骨块和颅骨断开，形成游离的截骨块，需要对其准确定位来完成手术，恢复患者咬合关系和面型。手术实验中由计算机辅助生成的定位板来定位和固定游离截骨块（图7-14），将术前模拟的手术结果在术中准确实