基于手術導航的術中快速重建開顱缺損結構的研究

【作 者】王志剛，謝楊潔，楊榮騫

1 廣州艾目易科技有限公司，廣州市，511436

2 華南理工大學 材料科學與工程學院，廣州市，510641

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，手術導航系統已成為外科手術尤其是神經外科手術中常用的輔助醫療設備。手術導航系統的主要功能是通過實時顯示患者的解剖結構與手術工具的相對位置，來解決傳統手術中手術工具在人體內部的視野嚴重受限的問題。在手術導航中，空間注冊是一個關鍵步驟。通過空間注冊可以實現三維圖像空間和實際手術空間的病人解剖結構的匹配，從而可以在導航界面的三維醫學圖像上顯示對應到實際空間病人的解剖結構。標定手術工具以后，導航儀可以識別手術工具并實時追蹤手術工具在手術空間的位置，并且可以將手術工具與患者的相對位置在二維和三維圖像界面中顯示。基于此功能，手術導航可幫助外科醫生準確定位病變區域，提高手術精度，減少術中創傷[1-6]。

由于大腦功能組織結構復雜，大部分手術入路會造成顱骨缺損，在術前計劃中，手術入路會根據病變部位進行設計，因此不同的手術中由于手術入路形成的缺損也會有所不同[7-9]。一些復雜的顱骨缺損，術前不能制作出與實際缺損完全一致的補片。ESSAYED等[10]提出一種顱骨修復的方法，通過在術前制作補片然后在術中根據實際缺損的形狀和大小進行裁剪得到合適大小和形狀的補片，實驗結果表明此方法可以幫助醫生進行更好的補片重建。制作顱骨補片的材料和方式影響著顱骨修復效果，從而對患者的預后產生了影響。在目前常用的方法中，顱骨修復材料多采用容易裁剪固定的高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醚醚酮（PEEK）等，制作方法多采用快速成型的方式[11]。雖然臨床技術在不斷發展，但術后腦脊液的滲漏和傷口感染仍然時有發生。而顱骨缺損重建是影響術后恢復的重要步驟，因此目前關于顱骨修復的研究仍是一個重要的課題。

目前的臨床手術中，大部分的顱骨缺損修補是需要術前制作補片的，因此，術前制作的顱骨補片可能與手術過程中形成的顱骨缺損大小、形狀不一致。而對補片的裁剪通常會造成一定程度的誤差，并且在操作上給外科醫生帶來不便。因此提出一種自動提取顱骨缺損結構的方法，通過手術導航設備采集到的缺損邊緣信息，設計算法從術前掃描的包含完整顱骨的圖像中提取出缺損的結構。并做頭模實驗對方法的精度進行評估。

1 材料和方法

此方法在術中利用導航系統獲取到實際缺損邊緣點的坐標以后，通過自動提取缺損結構的算法將缺損顱骨的三維結構從顱骨中分割出來并進行重建。

1.1 手術導航系統與材料

隨著科學技術的發展，手術導航系統成為外科手術中常用的輔助設備。手術導航系統的主要功能是可視化病人的三維結構，輔助醫生進行手術操作，介紹手術過程中造成的創傷。在導航系統輔助的手術中，需要在術前對病人進行掃描，獲得醫學圖像序列。手術開始以后，通過空間注冊步驟，可以將病人的手術空間的解剖結構與圖像空間三維重建的結構進行匹配。從而在導航界面上可以顯示與手術空間目標位置相對應的位置，解決目標位置視野受限的問題。在對手術工具進行標定以后，導航系統可以識別手術工具并對其進行實時跟蹤，確定手術工具與病人解剖結構的相對位置，并在導航界面上顯示出來，從而輔助醫生減少手術過程中給病人帶來的損傷（圖1）。

圖1 實驗場景示意圖Fig.1 Experimental scene diagram

顱骨修復中常用的修復材料包括鈦網（Ti）、自體骨與高分子材料（如聚醚醚酮，即PEEK）等。考慮到材料的生物相容性、穩定性以及可在術中進行裁剪等特點，顱骨修復方法中使用的材料為PEEK材料。PEEK 是一種流行的合成熱塑性高分子有機材料，其彈性模量比金屬更接近于骨，具有良好的生物相容性、抗輻射性、穩定性和無偽影，由于耐高溫滅菌性，可在術中對其操作后再消毒。采用快速成型的方式將PEEK材料加工成顱骨補片，并在術中對補片進行個性化裁剪從而獲得與實際缺損結構一致的補片用于顱骨修復。

1.2 方法

1.2.1 方法操作流程

提取顱骨缺損結構的操作流程如圖2所示。通過空間注冊可以得到手術空間與圖像空間之間的變換矩陣。在使用導航系統對手術工具進行標定后，可以使用手術工具確定手術空間病灶區域并按照術前規劃的手術路徑進行手術入路操作。

圖2 提取顱骨缺損結構的操作流程Fig.2 The procedure of extracting skull defect structure

在顱骨缺損形成以后，使用手術工具沿著顱骨缺損邊緣進行描畫（如圖2(a)所示）：手術工具尖端沿著實際缺損邊緣進行描畫，導航系統實時跟蹤手術工具的位置，結合空間注冊的結果，計算手術工具尖端在圖像空間的坐標并記錄下來。自動重建算法可以通過采集到的圖像空間顱骨缺損邊緣坐標和三維的圖像數據將缺損結構從圖像中分割重建出來。重建完成以后可以進行補片的制作和植入。

1.2.2 自動重建缺損結構的算法

自動重建缺損結構的算法的過程，如圖3所示。本算法的輸入數據為采用導航系統記錄到的缺損邊緣的點集坐標P和根據顱骨灰度范圍從三維重建圖像中分割出的顱骨結構中所有三維點的點集坐標S（如圖3(a)所示）。其中根據顱骨部分灰度值，從三維重建的醫學圖像中分割出顱骨點顯示為標記1。手術工具尖端沿缺損邊緣跟蹤時所記錄的圖像空間缺損邊緣點集顯示為標記2。

圖3 算法過程圖Fig.3 Chart of algorithm process

在獲取到輸入點集P和點集S后，對點集P和點集S進行旋轉和投影操作得到二維點集Pp和Sp，并從點集Pp中提取其最外層輪廓（如圖3(b)），并判斷點集Sp中哪些點在該輪廓內部，這些點對應的三維點（記為點集K）如圖3(c)中標記3所示。我們把判斷一個點是否在輪廓線的方法叫做射線法：從這個點向左畫一條水平線l，然后計算l與邊界的交點個數c。如果c值為奇數，則認為該點在邊界上或者邊界內；如果它是偶數，那么這個點在邊界外。圖3(d)顯示了提取到的點集K與記錄的缺損邊緣之間的位置關系。為了從點集K中獲取顱骨缺損，我們找到了P的最小包圍盒并將其進行二值化，然后計算出最小包圍盒中的連通域。在這些連通域中，質心距離記錄的缺損邊緣點P的質心最近的連通域即目標連通域（見圖3(e)中標記4點集）。所求的缺損點集及其在顱骨中的位置，如圖3(f)標記5所示。

2 實驗

2.1 實驗材料選擇

本實驗中使用的頭顱模型是按照真實人體顱骨大小形狀進行制作的（如圖1中所示頭模）。為了模擬真實的手術，根據手術入路的不同在模型上設計了兩種不同的缺損，這兩個缺損與現實手術中的顱骨缺損相似。圖1中的模型上標注“3”號的缺損通常可以在手術中用自體骨修復，不需要重建。我們需要重建的缺損為上眼眶缺損（編號為“1”）和后顱底缺損（編號為“2”）。

2.2 實驗結果與分析

為了評價顱骨缺損的建模方法，我們在顱骨缺損出現后對顱骨模型進行了重建。為了比較真實缺損與計算缺損模型的吻合情況，將缺損形成前掃描的顱骨圖像與缺損形成后掃描的顱骨圖像進行匹配，使顱骨缺損與計算出的缺損模型在同一圖像坐標系中。在匹配兩個空間后，我們可以計算出導航系統記錄的缺損邊緣點與真實缺損邊緣之間的最近距離的平均值。表1為兩種不同缺損位置的距離平均值和標準偏差的五組數據。結果表明，右上眼眶實際缺損邊緣與模型缺損邊緣的平均距離為0.424 mm，后顱底缺損邊緣與模型缺損邊緣的平均距離為0.377 mm，精度滿足臨床要求。

表1 記錄的缺損邊緣點與求得的缺損結構邊緣的距離Tab.1 The distance between the recorded defect edge points and the extracted defect structure edge

圖4顯示了從完整的顱骨圖像中分割重建出來的缺損與缺損形成后的頭模匹配過后的相對位置關系。其中標記6為用自動重建缺損結構的算法求取的缺損結構，圖中的頭模顱骨是缺損形成后掃描的圖像通過與完整的頭模圖像進行匹配過后的位置。

圖4 重建提取到的缺損結構和術后掃描的頭模圖像Fig.4 Reconstruction of the extracted defect structure and postoperatively scanned head model image

3 討論

手術導航系統通過三維重建醫學圖像，可以直觀地把病灶的位置、大小和周圍毗鄰重要的神經、血管和組織結構等顯示出來，為外科手術提供精確的病人解剖結構的定位。提出的方法根據手術導航系統獲取到的準確的缺損邊緣信息，通過自動重建算法將顱骨的缺損結構從術前完整結構的三維圖像中提取出來。通過頭模實驗驗證方法的可行性和精確度。由于重建的缺損結構是從顱骨中分割出來的，因此不僅輪廓與實際缺損吻合，而且重建出來的結構與實際缺損的結構一致。分別模擬人體上眼眶缺損和后顱底缺損進行五組實驗，實驗結果顯示提取到的缺損結構與實際缺損邊緣吻合良好，其精度滿足臨床精度要求。未來隨著科學技術的發展，制作補片的時間縮短到允許在術中進行補片的制作。本方法可有效地應用在臨床上，不僅可以術前手動分割出補片結構進行補片制作，減少術中醫生進行手動裁剪的繁復操作，還可以避免因為手動裁剪補片帶來的誤差，確保術中重建的補片結構與實際缺損一致，從而提高顱骨修復效果，降低術后并發癥的產生。