基于CT的主動紅外線光學導航系統精確度影響因素分析

劉亞軍，趙經緯，范明星，呂艷偉，田偉

(北京積水潭醫院，北京100035)

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基于CT的主動紅外線光學導航系統精確度影響因素分析

劉亞軍，趙經緯，范明星，呂艷偉，田偉

(北京積水潭醫院，北京100035)

摘要：目的探討常見臨床因素對基于CT的主動紅外線光學導航系統精確度的影響。方法將模擬人腰椎(L1～L5)的Sawbone模型骨俯臥位固定，于同一椎體模型(本實驗選用L2)表面的不同位置緊密嵌入4個鈦合金標記點(簡稱鈦點)，完成點對點注冊過程。采用導航軟件記錄每個節段位于棘突及雙側橫突3個鈦點的臨床精度，觀察手術床狀態(升高或降低、頭高位或頭低位、左傾位或右傾位)、攝像頭與示蹤器的距離(100、125、150、175 cm)以及無影燈照射對該導航系統精確度的影響(臨床精度數值越大，表明精確度越差)。結果與初始位置比較，手術床升高或降低、頭高位、右傾位時臨床精度均升高，P均<0.05；頭低位、左傾位時臨床精度均無明顯變化，P均>0.05。手術床狀態改變后恢復初始位置，其臨床精度與初始位置比較，P>0.05。攝像頭與示蹤器的距離對配準用椎體L2的臨床精度無明顯影響(P均>0.05)。L1、L3、L4、L5的臨床精度隨著攝像頭與示蹤器距離的增大而升高，多組間比較P均<0.01。與關閉無影燈比較，開啟無影燈后L1和L5的臨床精度均升高，P均<0.05；L2、L3、L4的臨床精度無明顯變化，P均>0.05。結論手術床狀態改變、攝像頭與示蹤器的距離過遠以及無影燈的開啟均會影響主動紅外線光學導航系統的精確度。

關鍵詞：計算機輔助骨科手術；脊柱；主動紅外線光學導航系統；精確度

計算機輔助導航手術已廣泛用于脊柱外科手術，與傳統手術方法相比，計算機輔助手術在精確度方面具有一定優勢。Gelalis等[1]研究表明，3D導航輔助下螺釘置入術的精確度和安全性優于透視導航操作和徒手操作。Shin等[2]研究表明，導航引導下椎弓根釘置入的精確度優于徒手置釘，因而置釘安全性顯著提高。然而根據我們的臨床經驗，在導航使用過程中，獲得和維持理想的精確度并不容易，受多種臨床因素的影響。2014年5～8月，本研究分析了基于CT的主動紅外線光學導航系統精確度的影響因素。現報告如下。

1材料與方法

1.1材料主動紅外線光學導航系統(來自Stryker?)。模擬人腰椎骨(L1～L5)的Sawbone?模型骨(泡沫材料，包括皮質層和多孔的松質層)。

1.2初始臨床精度觀察將腰椎模型俯臥位固定于可透X線的碳素手術床上，患者示蹤器緊密固定于L1棘突。導航攝像頭放置于模型頭側，距離示蹤器150 cm(此距離為手術常用距離)，且在設備支持距離范圍內。該基于CT的主動紅外線光學導航系統使用未壓縮Dicom格式的術前CT圖像。圖像傳輸完成后，在同一椎體模型(本實驗選用L2)表面的不同位置緊密嵌入4個小的鈦合金標記點(簡稱鈦點)，完成點對點注冊過程。前述點配準注冊完成后，開始測量每個節段位于棘突及雙側橫突的3個鈦點的臨床精度(因模型骨鈦點脫落，L2為2個)。在導航軟件的設計界面，記錄目標鈦點在CT圖像中的坐標，即圖像坐標；在導航軟件的導航界面，采用預先注冊的指點器測量目標鈦點的坐標，即導航坐標。圖像坐標與導航坐標的距離為導航的臨床精度。臨床精度數值越大，表明精確度越差。

1.3精確度影響因素觀察①手術床狀態：相對于初始位置，將手術床升高或降低10 cm、頭高位或頭低位(傾斜角度5°)、左傾位或右傾位(傾斜角度15°)，重復測量3次。②攝像頭與示蹤器的距離：相對于初始位置，將攝像頭與示蹤器的距離分別調整為100、125、150、175 cm。每個距離測量前，均進行點配準，重復測量3或6次。③無影燈照射。在不重新配準的情況下，采用基于CT的主動紅外線光學導航系統觀察上述改變后的臨床精度，重復測量3或6次。

2結果

2.1手術床狀態對導航精確度的影響見表1。

表1　手術床狀態對導航精確度的影響±s)

注：與初始位置比較，*P<0.05。

2.2攝像頭與示蹤器的距離對各椎體導航精確度的影響攝像頭與示蹤器的距離對配準用椎體L2的臨床精度無明顯影響(P均>0.05)。L1、L3、L4、L5的臨床精度隨著攝像頭與示蹤器距離的增大而升高，多組間比較P均<0.01；攝像頭與示蹤器距離為175 cm時的臨床精度均高于其他距離，P均<0.01。見表2。

表2　攝像頭與示蹤器的距離對各椎體導航

注：與同椎體100 cm比較，*P<0.01；與同椎體125 cm比較，#P<0.01；與同椎體150 cm比較，△P<0.01。

2.3無影燈照射對各椎體導航精確度的影響與關閉無影燈比較，開啟無影燈后L1和L5的臨床精度均升高，P均<0.05；L2、L3、L4的臨床精度無明顯變化，P均>0.05。見表3。

3討論

文獻報道，測量導航輔助手術精確度的方法主要有兩種。第一種是在理想的實驗室條件下測量導航系統精確度[3]，該方法的測量條件與臨床條件有較大差異，不能準確反映臨床實際情況[4]。第二種是通過術后CT結果，在導航輔助椎弓根釘置入術后，評價椎弓根釘與椎弓根的位置關系，間接反映精確度[5～8]。但是，椎弓根釘的精確度不僅與導航精確度有關，還與置釘過程中開路器、螺釘和椎弓根的相互作用密切相關。因而，該方法不適合進行不同設備的精確度比較，同時也無法提供量化的精確度數據。

表3　無影燈照射對各椎體導航精確度的

注：與同椎體無影燈開時比較，*P<0.05。

圖像坐標是鈦點在CT圖像中的位置，導航坐標是鈦點在導航系統“眼”中的位置，可通過用指點器指示鈦點獲得。假設導航系統是絕對精確的，那么當指點器尖端接觸鈦點時，導航坐標應與圖像坐標重合，此時軟件導航界面的圖像應顯示指點器尖端與鈦點重合。然而，現實導航系統并不絕對精確，導航界面圖像上指點器尖端與鈦點并不重合。因此，本研究將導航界面圖像顯示的指點器尖端與鈦點之間的距離，即圖像坐標與導航坐標的距離視為臨床精度。因此，臨床精度數值越大，表明導航的精確度越差。

術前CT掃描體位與術中體位可能不同，因此基于CT的導航系統精確度可能受此影響。本研究結果顯示，與初始位置的臨床精度比較，手術床升高、降低、頭高位、右傾位的臨床精度均明顯升高，而頭低位、左傾位以及手術床狀態改變后恢復初始位置時的臨床精度均無明顯變化。說明當手術床姿態改變(等效于攝像頭姿態改變)時，該導航系統精確度可能變差。因此，對于該導航系統，當點配準完成后，手術床和攝像頭均不應進行移動，否則術者應復核系統精確度或重新配準，以保證理想的精確度。

本研究中，L1、L3、L4、L5的臨床精度隨著攝像頭與示蹤器距離的增大而升高，以100 cm時數值最小、精確度最佳，175 cm時數值最大、精確度最差。說明在本實驗條件下，攝像頭與示蹤器的理想距離為100 cm，術前設備準備時應盡量滿足。但是，在此距離下攝像頭的可視范圍相對有限，可能影響手術操作，需權衡距離與可視范圍。本研究結果顯示，開啟無影燈后L1和L5的臨床精度均顯著升高，L2、L3、L4的臨床精度則無明顯變化，說明開啟無影燈可能會使導航系統精確度變差。可能的原因是本研究中無影燈緊鄰攝像頭放置，無影燈發出的強光中不可避免地包含紅外光成分，此成分可能干擾系統的正常紅外信號；當無影燈緊鄰攝像頭時，示蹤器上紅外發射器表面的保護玻璃將外來紅外光鏡面反射至攝像頭，干擾并導致攝像頭“失明”。

綜上所述，手術床狀態改變、攝像頭與示蹤器的距離過遠以及無影燈的開啟均會影響基于CT的主動紅外線光學導航系統的精確度，臨床手術時應盡量避免上述因素對導航系統的影響。

參考文獻：

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Factors for clinical accuracy of a CT-based active infrared optical navigation system

LIUYa-jun,ZHAOJing-wei,FANMing-xing,LYUYan-wei,TIANWei

(BeijingJishuitanHospital,Beijing100035,China)

Abstract:ObjectiveTo investigate the clinical factors affecting the accuracy of a CT-based active infrared optical navigation system. MethodsA Sawbone model of human lumbar (L1-L5) was fixed prone on bed. Point registration process was done using small titanium points at different places of L2of the model. Clinical accuracy was calculated by measuring coordinates of titanium points on spinal process and transverse processes using the navigation software. We investigated the clinical accuracy of the navigation system under several different clinical statuses including the clinical status of different postures of the surgical bed, different distances (100, 125, 150 and 175) between the camera and the model, and shadowless lamps. ResultsCompared with the original position, the clinical accuracy may become worse when the bed was elevated, descended, changed to head-high or right-tilt position (all P<0.05). The clinical accuracy was not affected when the patients had head-down position and the left-leaning position (all P>0.05). The clinical accuracy of the registration vertebra (L2) was not affected by changing the distance between the camera and the patient tracer (all P>0.05). For the other vertebrae (L1, L3, L4and L5), the nearer the distance between the camera and the tracer was, the better the clinical accuracy would be (all P<0.01). The clinical accuracy of L1and L5may become worse when we opened the shadowless lamp as compared with that of closing shadowless lamp (all P<0.05), but the clinical accuracy of L2, L3and L4had no obvious changes (all P>0.05). ConclusionThe clinical accuracy of active infrared optical navigation system may be influenced by the changes of the surgical bed, long distances between the camera and the model and opening the shadowless lamps.

Key words:computer-assisted orthopedic surgery; spine; active infrared optical navigation system; accuracy

收稿日期：(2015-09-01)

中圖分類號：R687.3

文獻標志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)48-0012-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.004

通信作者簡介：田偉(1959-)，男，主任醫師，研究方向為智能骨科微創技術及骨科機器人。E-mail: tianweijst@vip.163.com

作者簡介：第一劉亞軍(1975-)，男，副主任醫師，研究方向為骨科計算機輔助技術及機器人。E-mail: drliuyajun@163.com

基金項目：北京市科技新星計劃課題(2007B023)；北京市科技計劃課題(Z131107002213162)；北京市揚帆計劃重點醫學專業發展計劃(ZL2014)。