骨科手术导航机器人系统

​骨科手术导航机器人的应用-脊柱

脊柱手术是一类风险较大且病例较多的外科手术,在手术导航技术问世之前,医生在手术中主要是依靠病人术前CT断层图像或术中X射线透视获得病人的解剖信息。虽然这些方法对手术起到了一定的辅助指导作用,但是,医生需要通过这些影像在自己头脑中构建人体器官的三维形态与手术过程,手术质量很大程度上依赖于医生的临床经验,而对术中操作是否正确缺少科学依据。并且,应用术中X射线透视会使医生与病人受到较大剂量的辐射,增加了手术的时间和感染的风险。手术导航技术正是为解决上述问题而产生的,它以医学影像数据为基础,通过建立虚拟现实空间,结合三维可视化技术模拟手术中的关键步骤,借助空间定位仪跟踪手术器械相对于病变组织的位置关系,并将其实时反映在病人术前或术中的影像上,从而实现对手术的引导。该技术在提高手术定位精度,减少手术损伤,降低手术失误率方面等有重要的临床应用价值,也成为计算机辅助治疗领域里的重要研究内容。

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基于X射线透视图像的导航、对X射线透视图像进行了预处理,提高了图像的清晰度。然后对X射线成像系统的标定算法进行改进,提出一种适用于C型臂X射线透视系统的在线标定技术,同时对影像增强器引起的图像失真进行了校正。该技术解决了图像变形对导航精度的不利影响,减少了术前的准备环节,提高了C型臂X射线机应用灵活性。

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基于CT图像的三维导航、基于CT图像的三维手术导航中,本文主要解决了图像三维重建与空间配准速度较慢的问题。首先通过应用基于纹理映射的体绘制方法加快了CT图像三维重建速度,然后提出应用点配准与迭代最近点配准结合的方法进行CT图像空间到病人空间的配准,并对迭代最近点算法进行了改进,通过构造最小外接球树进行最近点寻找的方法,提高了配准精度与效率。

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基于3D/2D配准的微创导航完成导航实现术前CT数据与术中数据的匹配，通过将CT图像(3D)与X射线透视图像(2D)的配准,解决了传统手术导航中的开放式配准与微创手术相矛盾的问题,实现了微创条件下的手术导航。在配准的步骤中,本文提出一种适用于脊柱微创手术导航的3D/2D分步式配准方法。首先应用点特征、面特征进行快速粗配准,对配准误差进行限制,然后采用一种基于图像梯度特征的配准算法进行精配准,这种算法是根据CT图像梯度在成像平面的投影强度构造最优化函数,能获得较稳定的局部极值,减小了X射线图像对配准精度的影响,提高了系统的稳定性。

另外,由于该算法只对形成图像边缘的光线进行追踪,因此配准速度得到了大幅提升。通过以脊柱标本为模型的导航实验,本文分别对三类导航系统的注册误差,定位误差,准备时间等指标进行了测试,并与国外同类产品进行了对照。结果表明本文建立的手术导航系统达到了临床应用的标准。本文最后分别从硬件与软件两个方面对手术导航进行了系统集成,形成了能够应用于临床的脊柱外科手术导航系统。