基于圖像的計算機輔助軟組織導航技術

李雪琦，馬寶秋，張國鵬，朱 霆，盧虹冰

基于圖像的計算機輔助軟組織導航技術

李雪琦，馬寶秋，張國鵬，朱 霆，盧虹冰

介紹了基于圖像的軟組織導航技術和發展過程，從術前計劃、術中導航和術后驗證3個階段探索了導航技術的原理、過程，通過系統框架、組成及過程等幾個方面闡述了該技術的理論及實現方案，可輔助醫生進行更精確、微創、安全、快速的手術治療，并拓展了外科手術的適應癥范圍，在臨床上具有廣泛的應用前景。

軟組織；圖像導航；計算機輔助手術

AbstractThe technique and developing progress on image-based soft tissue navigation for computer aided surgery are introduced.The principle and process of image-based soft tissue navigation are expounded in the three stages of preoperation,intraoperation and postoperation.Through analyses of the framework,composition and process,the theory and realization are proposed and discussed.The technique of image-based soft tissue navigation can extend the indications of surgery,which can make surgery more accurate,minimally invasive,safer and faster.The technique will show wide prospects in the future.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（2）：125-126]

Key wordssoft tissue;image guided navigation;CAS

1 引言

計算機輔助手術（computer-aided surgery，CAS）技術是指利用現代計算機、光學、電磁、三維成像等技術手段，為實施手術的醫生提供直觀的融合有病灶圖像、關鍵組織或器官位置、各手術器械定位等信息在內的模擬手術場景的導航圖像，以輔助手術過程的技術的總稱。CAS技術具有增加醫生對解剖結構的理解、降低周圍組織損傷、減少手術并發癥、增加術中患者安全性等優點[1]，可降低手術的難度、提高臨床醫生手術的準確性，因此近年來在神經外科、耳鼻喉科、骨科（脊柱及關節）等手術以及活檢切除、組織消融等介入治療中得到快速發展及廣泛應用。

由于目前大部分CAS系統均基于剛性解剖結構假設，而在腹部開放或微創手術中，由于沒有骨骼的支撐，任何外部壓力均會使腹腔內的肝臟、腎臟等軟組織發生形變，甚至血壓的變化都會影響像肝臟這樣的軟組織的外形[2]，加上呼吸的影響，產生的軟組織形變很難預測。這不但降低了術前圖像在術中的價值，而且也使傳統的CAS技術很難對這類手術提供有效支持，這就強化了對胸腹部導航技術的迫切需求。

本文將通過對相關文獻的回顧及討論，研究探索基于圖像的計算機輔助軟組織導航技術的原理、過程及實現。按照手術實施的過程，我們將軟組織導航的流程分為術前計劃、術中導航和術后驗證3個階段，并在下面各節分別闡述。

2 術前計劃

術前計劃主要完成以下基本工作：

（1）患者三維圖像的獲取。此部分和傳統的CAS過程基本相同，目的是得到解剖結構的三維分布，常用成像設備包括CT、螺旋CT或MRI。對于CT圖像的切片厚度，文獻中報道一般為1～2 mm。鑒于MRI較高的軟組織分辨力，更適用于腹部解剖結構的三維成像。為了提高導航的精度，在成像前需在患者身上放置一定數目的標示物，通過對標示物位置的識別，實現對成像空間和定位系統的注冊和配準，用于術中導航。

（2）病灶感興趣區域（ROI）的劃分。利用圖像處理工具及算法，從患者的掃描圖像中劃分出病灶區域及周圍的重要組織結構，通過三維重建可以得到相應ROI區域的三維模型，以便對病情進行分析。

（3）制定手術計劃。針對患者情況，制定詳細的手術實施方案。如果需要，醫生可以通過術前計劃系統進行模擬手術，以更好地設計手術入路及步驟，為手術的順利實施提供基礎。

3 術中導航

術中導航部分主要針對手術實施階段，傳統CAS技術主要包括3個必須的要素[4]：可被跟蹤的手術器械、可以跟蹤手術器械的導航定位系統和配準算法。對于軟組織的術中導航，為了反映術中組織結構的運動和形變，還必須包括一個要素，即可以獲得術中患者實時變化的成像系統。圖1給出了軟組織術中導航系統的主要構成，下面對各個構成要素分別進行分析和討論。

3.1 定位及術中成像系統

（1）術中定位系統的選擇。對于CAS技術，理想的定位設備應具有以下屬性：小型、完全（可6個自由度定位）、精確（分辨率<1 mm 及 0.1°）、快速（更新率>1 000 Hz，等待時間<1 ms）、并行（可同時跟蹤多個目標）、不被阻擋、魯棒（不受環境影響）、工作區域大、可長時無線操作且價格便宜。醫學領域常用的跟蹤技術包括機械臂、光纖跟蹤、光學跟蹤、電磁跟蹤及基于超聲的跟蹤等，已有很多文獻對不同跟蹤技術的特點進行了綜述。近年來，隨著技術的發展，光學及電磁定位裝置得到了廣泛應用。與光學定位的高分辨率（<0.1 mm）相比，電磁定位的精度約為1 mm和0.5°，且易受工作范圍內金屬物或電磁場環境的影響。由于電磁定位不受遮擋物的影響，且傳感器體積小，可實現對體內器械的追蹤，同時采取適當措施可使手術環境對系統的影響控制在可接受的范圍內。因此，對于軟組織手術導航，由于腹部器官（例如肝臟）多位于人體較深部位，光學定位易受遮擋，無法深入人體內部，電磁定位更具有優勢[6-7]。

作者單位：710032 西安 第四軍醫大學生物醫學工程系（李雪琦、馬寶秋、張國鵬、朱 霆、盧虹冰）

（2）術中成像系統的選擇。目前術中成像的手段主要包括：超聲成像、內窺鏡攝像成像、動態X射線成像、CT/MRI成像、混合成像。其中，術中CT/MRI成像設備復雜昂貴且無法實時成像，在臨床中的應用受到技術及資金的限制。前3種成像技術可實現實時成像，因而對軟組織形變的跟蹤更有優勢。但由于這3種成像手段一般得到的是感興趣區域的二維成像，故很難直接獲得完整的、實時的人體組織三維成像，因此在軟組織導航方案中需要將術中導航定位系統與實時成像系統結合，在成像探頭上添加定位傳感器，獲得實時二維圖像的位置信息，并與術前三維圖像相結合，利用術中圖像不斷對術前圖像及計劃進行校正來反映術中人體軟組織的三維形變?？紤]到X線的輻射影響，超聲成像作為軟組織的術中圖像采集方式更為適宜[2]。在微創手術中，內窺鏡成像可以清楚地顯示手術區域周圍表面的情況，但由于內窺鏡的視場較小，因此可與超聲成像互補，通過混合成像的方式進行。在的應用中，可采用的組合方式有：超聲+電磁或光學定位 （用于開放手術），超聲+電磁+內窺鏡（用于微創手術）[1-3]。

3.2 導航信息的配準與融合

在導航過程中，只有將術前成像、術中成像、手術器械、患者所處物理空間與定位系統的坐標進行統一，才能為手術提供更準確的定位信息。此過程主要分為2步：一是使這些影像及信息的坐標系達到空間位置的一致，即配準過程；二是對已配準圖像及位置信息的綜合顯示，即融合過程。

（1）配準過程：圖像配準就是通過尋找一種（或一系列）空間變換，使2幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結構上的完全一致。在軟組織導航手術中，在采用單一導航方式和單一術中成像方式的情況下，需要進行以下3個配準過程：①術前圖像坐標與手術患者空間的配準；②術中圖像坐標與術前圖像坐標的配準；③手術器械位置及坐標與術前圖像的配準。具體實現方案如圖2所示。

圖2 術前、術中圖像與手術器械的配準過程

為了提高導航的準確度，在術前需要先完成上述配準過程，再進一步開展手術，因此稱為術前配準。在手術過程中，由于間隔一段時間后或軟組織發生變形會引起定位誤差，為了得到軟組織器官的正確反映，需要對術中圖像與術前圖像進行多次配準，即為術中配準；當然，術中配準的時間應越短越好，一般應控制在1 min以內。當患者移動或醫生認為需要校正圖像時，重復以上術中配準的過程進行重新校正，再繼續進行手術。如果需要，術中也可以通過患者身上的標示物進行定位系統與術前圖像或計劃的再配準[7]。

（2）融合過程：術中軟組織導航需要將多種圖像及信息進行融合并綜合顯示，包括術前圖像、感興趣區域的三維模型、手術器械位置信息、術中圖像及位置信息與術前圖像或模型的融合等，因此對融合效果及可視化算法的速度要求較高。

4 術后驗證及展望

術后驗證的目標是綜合術前計劃階段和術中導航階段的信息和結果，根據患者術后的恢復情況進行手術效果的分析、驗證和綜合評價，并對患者的愈后進行評估，為患者的下一步治療做好準備。術后驗證對于評價手術方案、改進手術效果、對術中導航過程進行修改和完善具有重要作用。

隨著計算機及成像技術的發展，基于圖像的軟組織導航技術近年來得到了廣泛關注。目前，該項技術仍處于探索階段，還有許多值得研究和完善的領域。目前軟組織導航技術主要應用在肝臟手術中，在子宮肌瘤的消融治療、前列腺、腎切除手術中亦有報道。該技術的深入研究將為醫生提供適用于軟組織手術的導航系統，輔助醫生進行更為精確、微創、安全、快速的手術治療。同時，還可拓展外科手術的適應證范圍，使以往的手術禁區在導航系統的輔助下成為適應證，擴大微創/介入治療的適用范圍，因而具有廣泛的應用前景。

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（收稿：2010-09-30 修回：2010-11-24）

Image-based Soft Tissue Navigation for Computer Aided Surgery

LI Xue-qi,MA Bao-qiu,ZHANG Guo-peng,ZHU Ting,LU Hong-bing
(Faculty of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

TP391.7

B

1003-8868（2011）02-0125-02

李雪琦（1970-），女，山東寧津人，碩士，講師，主要從事生物醫學工程方面的研究工作，E-mail：tyjlxq@fmmu.edu.cn。

盧虹冰，E-mail：luhb@fmmu.edu.cn