新一代Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)在醫(yī)學手術(shù)導航中的應用

羅偉，張慶，李珊珊，魏曉峰

1 長江大學附屬第一醫(yī)院，荊州市第一人民醫(yī)院，荊州市，434000

2 湖北省荊州市中心血站，荊州市，434000

0 引言

隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的手術(shù)操作采用了輔助醫(yī)學手術(shù)導航系統(tǒng)，不僅為醫(yī)生手術(shù)提供了參考操作手段，還為病人減輕了手術(shù)的痛苦，有效地避免了許多手術(shù)中因“盲區(qū)”帶來的醫(yī)療風險。我院在2012年先后引進了GE公司的寶石能譜CT、DSA、3.0 T MRI、直線加速器等大型醫(yī)療設備。在開展介入治療、內(nèi)鏡診斷和骨科手術(shù)的計算機輔助手術(shù)和治療中，我們發(fā)現(xiàn)有很多情況下，醫(yī)生在手術(shù)操作中有許多操作“盲區(qū)”，大大地阻礙了醫(yī)生的操作，嚴重地影響了手術(shù)操作的準確性，影響了手術(shù)的效果，給醫(yī)生們帶來一些麻煩[1]。通過我們的觀察和研究，解決好手術(shù)導航中的輔助技術(shù)問題是重中之重，尤其是在在體內(nèi)提供實時定位和引導，如心導管、活檢穿刺針、粒子放療針、消融針等工具的引導，選擇一種合適的技術(shù)來彌補其不足顯得尤為重要。自2011年以來，我院成立了專門的研究小組，對這一技術(shù)的產(chǎn)品選型進行了大量的對比研究，發(fā)現(xiàn)采用NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)可以有效地解決核心定位問題，全面提升手術(shù)的精準度，降低手術(shù)風險，避免了手術(shù)中的誤操作和延誤過多時間。

1 新一代NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)

Aurora電磁定位系統(tǒng)具有無視線遮擋、精度高、抗金屬干擾和易于集成等特點，已成功應用于介入治療、內(nèi)鏡診斷和骨科手術(shù)的計算機輔助手術(shù)和治療中。系統(tǒng)的超小型定位線圈可與多種介入工具結(jié)合，在體內(nèi)提供實時定位和引導，如心導管、活檢穿刺針、粒子放療針、消融針等工具的引導。隨著計算機輔助手術(shù)和治療技術(shù)在臨床的進一步推廣，Aurora電磁定位技術(shù)的應用前景非常廣闊，可在遮擋的情況下進行精確實時的空間三維測量。系統(tǒng)采用微小傳感器線圈跟蹤測量醫(yī)用級別金屬器件的技術(shù)，在市場上開創(chuàng)了其它跟蹤系統(tǒng)無法涉及的創(chuàng)新應用。通過Aurora高級的電磁跟蹤技術(shù)，系統(tǒng)可為特定科研應用定制精確、可信賴的測量技術(shù)。

1.1 系統(tǒng)的組成部分

系統(tǒng)由磁場發(fā)生器、系統(tǒng)控制器、工具聯(lián)結(jié)器和定位線圈組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。主要技術(shù)指標包括：(1) 測量范圍90 cm×60 cm；(2) RMS測量精度可達0.7 mm；(3)小型5D 定位線圈0.55 mm (直徑)×8 mm(長度)；(4) 小型6D 定位線圈1.8 mm (直徑)×8 mm(長度)；(5) 抗金屬對測量的影響；(6) 可同時跟蹤8個定位線圈；(7) 定位工具開發(fā)軟件；(8)API開發(fā)界面，方便用戶進行系統(tǒng)集成和二次開發(fā)。

圖1 NDI Aurora系統(tǒng)組成框圖Fig.1 NDI Aurora system block diagram

其中，磁場發(fā)生器生成電磁場，傳感器線圈主要功能是感應磁場發(fā)生器生成電磁場，可以將傳感器線圈嵌入到特定的工具中。傳感器接口單元主要是SIUs系統(tǒng)控制接收單元SCU。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對發(fā)射天線分時發(fā)送信號，把接收天線感應到的信號采集到計算機進行匯總，通過優(yōu)化的算法進行信號重建序列，從而計算出天線當前所處的具體位置。

2 Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的醫(yī)學應用范圍

Aurora電磁定位系統(tǒng)可以廣泛地應用在醫(yī)學科學研究、神經(jīng)外科和放射腫瘤學治療及手術(shù)輔助、介入放射學、脊柱外科手術(shù)操作、心臟病近距離放射療法、腹腔鏡和內(nèi)窺鏡操作、定制手術(shù)工具植入針、引導鋼絲、醫(yī)學仿真手術(shù)等。

該定位感應器線圈可以使我們很好地應用手術(shù)工具，通過測量它們的5D及6D數(shù)據(jù)進行精確定位，如探針、內(nèi)窺鏡、導管、骨螺釘、導絲等。

3 電磁跟蹤技術(shù)在醫(yī)學手術(shù)導航中的應用

醫(yī)學手術(shù)導航系統(tǒng)主要是指將病人術(shù)前或術(shù)中影像數(shù)據(jù)和手術(shù)床上病人解剖結(jié)構(gòu)準確對應，手術(shù)中跟蹤手術(shù)器械并將手術(shù)器械的位置在病人影像上以虛擬探針的形式實時更新顯示，使醫(yī)生對手術(shù)器械相對病人解剖結(jié)構(gòu)的位置一目了然，使外科手術(shù)更快速、更精確、更安全。利用可靠的電磁跟蹤技術(shù)可以更加高效快捷地實現(xiàn)這一目的。我院按照NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的二次開發(fā)接口（SDK API）的要求，結(jié)合5DOF工具和6DOF工具設計出適應器械使用的跟蹤信號采集系統(tǒng)軟件模塊系統(tǒng)，開展了一系列實驗和臨床應用。

3.1 介入手術(shù)中的應用

在介入科，一般采用DSA下實時觀察，且設備存在一定的輻射量，醫(yī)生在手術(shù)盲區(qū)出現(xiàn)時往往會反復尋找手術(shù)的對象點或位置，大大增加了手術(shù)的難度和時間。我院采用Aurora系統(tǒng)的微型5DOF定位線圈0.55 mm×8 mm，可與導管和導絲結(jié)合，使用起來十分方便，只要在導管和導絲的前端安裝上該系統(tǒng)的微型定位感應器，便可以讓導管前端的情況，一覽無余地顯示在計算機顯示器上，為介入手術(shù)提供更加準確實時的圖像信息，有效地豐富了手術(shù)中的直觀感受。

3.2 內(nèi)窺鏡檢查中的應用

將NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的探針與內(nèi)窺鏡安裝在一起，通過內(nèi)窺鏡的導管及導絲，系統(tǒng)的界面上可以實時得到前端在人體的體內(nèi)的實時形態(tài)[2-3]?？梢灾笇c鏡的操作，提高成功率，減少并發(fā)癥的發(fā)生，減輕病人的痛苦；還可以指導ERCP導絲的插入，提高ERCP的成功率。同時可以指導膽道、胰管支架的放置等操作，為醫(yī)生實際操作時提供了參考，避免了因為角度和背光問題，出現(xiàn)的操作“盲區(qū)”。

3.3 腫瘤放療中的標志增強應用

由于NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)具有6DOCF定位線圈，它呈圓柱形狀，6自由度的傳感器線圈的尺寸為1.8 mm×9 mm，可以與細小工具整合，同時提供線形定位器可及時使用，促進了與器械的無縫融合和易于分解的優(yōu)點。配合TPS系統(tǒng)，切實地提高TPS的運行效率，為物理師提供了新的標志物，對于鎖定腫瘤組織，快速標識出腫瘤的具體位置，突出顯示坐標，準確治療和保護正常組織具有深遠的意義。在我院使用1年多，受到了臨床及醫(yī)技科室的一致好評。

3.4 在心臟手術(shù)中應用

NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)特別是在介入手術(shù)操作時，與手術(shù)工具無縫結(jié)合，并能在術(shù)后分離，有很強的復用性。提供的工具界面，可以動態(tài)地顯示探針、導絲等細小手術(shù)工具到達人體心臟的具體三維坐標[3,5]，讓醫(yī)生做到心中有數(shù)，而不是憑借經(jīng)驗在被遮光的狀態(tài)下操作，有效地提高了手術(shù)的成功率，保證了導絲等微小器械的準確運動，不至于刺穿血管或健康組織，保障了病人的生命安全，減輕了病人的手術(shù)痛苦。經(jīng)過準確定位，電腦畫面上會顯示出來。這樣，手術(shù)刀在探針指引下，就能安全地步步逼近腫瘤，確保萬無一失。臨床試驗表明，采用導航技術(shù)后，手術(shù)的定位精度可以從厘米級變?yōu)楹撩准墸瑢Ш骄鹊钠骄敌∮? mm。

3.5 在醫(yī)學科研方面的應用

NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)在醫(yī)學實驗中，可以有效地提供跟蹤定位數(shù)據(jù)，方便了醫(yī)療工作者和醫(yī)學科研工作者能夠反復進行一些器械操作的訓練和嘗試，便于訓練操作，對實驗數(shù)據(jù)可以歸檔統(tǒng)計，有利于科研者進行大量數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計。

4 結(jié)果

通過使用該跟蹤系統(tǒng)，有效地對手術(shù)中需要輔助的位置和角度進行精準的定位和實時的反饋，讓醫(yī)生在手術(shù)中對操作的人體部位或器官，了解地更清楚，手術(shù)操作得更加游刃有余。我們對該定位跟蹤系統(tǒng)做了一系列實驗，在不同的應用下，設定好特定的參考條件，對5DOF工具和6DOF工具精度測量進行了統(tǒng)計分析，如表1、表2所示。

表1 5DOF工具精度測量結(jié)果（mm）Tab.1 5DOF tool precision measurement results (mm)

例如我們采用奧林巴斯內(nèi)窺鏡，該工具是一個直徑15cm半球體，分布40個預知的隨機點，測定位置和角度。

表2 6DOF工具精度測量結(jié)果（mm）Tab.2 6DOF tool precision measurement results (mm)

5 討論

綜上所述，NDI Aurora系統(tǒng)采用尖端電磁技術(shù)，設計為醫(yī)療應用，可在遮擋的情況下進行精確實時的空間三維測量。配合電腦的手術(shù)導航系統(tǒng)，讓精細危險手術(shù)纖毫不差，“命中率”更高。高精度外科手術(shù)導航系統(tǒng)及產(chǎn)品在進一步研發(fā)中，以腦腫瘤切除手術(shù)為例，傳統(tǒng)的開顱手術(shù)方式是先根據(jù)磁共振、CT等影像學資料，判斷腫瘤的確切部位，以此制訂手術(shù)方案。為確保準確性，手術(shù)的切口往往比較大，而醫(yī)生能看到的只是暴露在外的器官表面，如果一不小心損傷了重要的血管、組織，后果不堪設想；如果出于“謹慎”，少切除些腫瘤，又可能帶來嚴重后遺癥。究竟切多大切多深，大多依賴于醫(yī)生的個人經(jīng)驗。有了NDI Aurora系統(tǒng)可在遮擋的情況下進行精確實時的空間三維測量，手術(shù)就變得更加安全了。在手術(shù)的過程中，系統(tǒng)工具屏幕上出現(xiàn)一幅“實時顯現(xiàn)”的腦部結(jié)構(gòu)顯示圖，這一問題就迎刃而解了，避免了傳統(tǒng)算法下的圖像位置畸變問題。準確實時監(jiān)測，避免各種原因造成的手術(shù)部位移位、變形所產(chǎn)生的誤差[5]。

由于傳統(tǒng)技術(shù)如：光學跟蹤技術(shù)、紅外線定位技術(shù)的設備還比較昂貴和復雜，阻礙了定位系統(tǒng)在手術(shù)導航中的廣泛應用。隨著計算機技術(shù)、立體定向技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，NDI 公司生產(chǎn)的Aurora系統(tǒng)在手術(shù)導航中的應用日趨完善，并為手術(shù)向著微創(chuàng)、精準、安全的方向發(fā)展提供了可靠的保證。相信通過大家不懈地努力和不斷地完善，迅速地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，促進手術(shù)導航的規(guī)范化、標準化，為醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展提供強大的動力支持。

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