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1、基于图像的外科手术导航系统ByAndyG基于图像的外科手术导航系统1基于图像的外科手术导航系统ByAndyG基于图像的外科手导航的背景和意义国内外发展现状常用的导航系统导航的发展与展望基于图像的外科手术导航系统2导航的背景和意义基于图像的外科手术导航系统2导航系统的背景常规外科手术难以满足现代精细手术的需求现代医学影像技术的发展医用机器人技术的发展计算机辅助外科手术技术的迅速发展 基于图像的外科手术导航系统3导航系统的背景常规外科手术难以满足现代精细手术的需求基于计算机辅助外科CAS(ComputerAssistedSurgery)计算机辅助外科是研究和开发一种人机协作系统，通过合理、定量的利
2、用CT/MRI/PET多模数据和导航系统，进行外科手术计划、干预和评价。基于图像的外科手术导航系统IGS(ImageGuidedSurgery)基于图像的导航主要利用各种医学图像信息为手术器械导航，目的是最大可能地为外科医生提供手术部位附近的信息，在二维的医学图像与实际部位之间架一座桥梁。图1基于图像的外科手术导航系统基于图像的外科手术导航系统4计算机辅助外科CAS(ComputerAssistedS使用导航系统的意义外科手术创伤减少 手术时间缩短 手术质量提高 10,000 自自2002年起年起,到到2006年年,接近一万例的手术经验接近一万例的手术经验法国PRAXIM导航系统的手术数量基于
3、图像的外科手术导航系统5使用导航系统的意义外科手术创伤减少10,000法国P现状国际方面美国：蛇牌术中主动红外导航系统在髋、膝关节的应用德国：博医来（BrainLab)开源软件光学导航系统。瑞士：基于荧光透镜的导航Medvision系统。法国： BoneMorphing骨重建技术，超小移动工作站日本：IOT系统应用于神经外科。超小移动工作站基于图像的外科手术导航系统6现状国际方面美国：蛇牌术中主动红外导航系统在髋、膝关节的应现状国内方面清华大学 基于虚拟现实的计算机辅助定向神经外科手术计划系统。北京航空航天大学和海军总医院 机器人辅助损伤神经外科手术系统。北京理工大学和哈尔滨工业大学 开展了医
4、疗机器人的研究。北京中西集团 BJ38-ASA-620立体定向手术计划系统安科公司 ASA-610手术导航系统。 基于图像的外科手术导航系统7现状国内方面清华大学基于图像的外科手术导航系统7安科骨科手术导航系统名称：ASA-630V骨科手术导航系统型号：ASA-630V骨科手术导航系统校准靶可配接多个厂家的C形臂X光机 NDI POLARIS高精度光学定位系统定位精度高 系列化可跟踪手术器械 系统可自动校正图像形变 快速进行系统的自动注册 简单快速的工作流程，对手术进程干扰小 直观的系统摆位功能 丰富的软件测量工具满足医生的各种需求 完善的计划功能方便各种手术方案的模拟 图像捕获及中文报告便于
5、会诊、论文发表和资料存档 精巧的机箱设计减少手术室占地面积基于图像的外科手术导航系统8安科骨科手术导航系统名称：ASA-630V骨科手术导航系统导航的现状存在的问题n n高昂的费用，手术室空间的需求高昂的费用，手术室空间的需求(C(C臂设备臂设备) )n n医学图像的三维分割的自动化程度和精确度不高医学图像的三维分割的自动化程度和精确度不高n n配准过程没考虑形变组织配准过程没考虑形变组织n n图像的融合很少考虑到非刚体变换图像的融合很少考虑到非刚体变换n n三维重建精确度不高三维重建精确度不高n n图像显示效果离真实环境有差距图像显示效果离真实环境有差距n n空间位置的配准技术不够成熟空间位
6、置的配准技术不够成熟n n实时导航技术不够完善实时导航技术不够完善基于图像的外科手术导航系统9导航的现状存在的问题基于图像的外科手术导航系统9导航应用的领域 神经外科 骨科 脊椎手术 腹腔镜手术 整形外科 耳鼻咽喉科 放射治疗 基于图像的外科手术导航系统10导航应用的领域神经外科基于图像的外科手术导航系统10导航的技术结构工作原理系统结构功能实现关键技术基于图像的外科手术导航系统11导航的技术结构工作原理基于图像的外科手术导航系统11工作原理医生手持手术器械对患者的手术目标实施操作。手术器械的空间立体定位及瞄准过程均在跟踪器的实时控制之下，而且跟踪器能够精确地给出术中解剖部位。通过术前与术中医
7、学图像配准以及术中医学图像与患者、手术器械之间的配准关系，经过相应的坐标转换，控制手术器械达到要求的部位，从而实施相应的手术操作。基于图像的外科手术导航系统12工作原理医生手持手术器械对患者的手术目标实施操作。基于图像的图2导航系统原理图基于图像的外科手术导航系统13图2导航系统原理图基于图像的外科手术导航系统13系统结构外科医生综合图像定位系统患者医学图像手术器械图3导航系统结构图基于图像的外科手术导航系统14系统结构外科医生综合图像定位系统患者医手图3导航系统导航设备的组成手术室C型臂机进行三维扫描,获得病人病区资料术中导航光学追踪手术中对标志点追踪,确定术中的即时位置,包括:骨的位置,工
8、具位置.基于图像的外科手术导航系统15导航设备的组成基于图像的外科手术导航系统15术前模拟目的 1)制定最佳手术计划 2)手术预演实现过程 1)获取多模图像信息（CT，MRI） 2) 建立数学模型 3) 三维图像显示 4) 制定手术方案 5)进行手术模拟三维重建技术基于图像的外科手术导航系统16术前模拟目的三维重建技术基于图像的外科手术导航系统16术前模拟术前模拟(髋臼杯的安放位置髋臼杯的安放位置), 左上左上,左下左下,右下图是模型三右下图是模型三个剖面图个剖面图,右上为髋臼窝底部触点雷达图右上为髋臼窝底部触点雷达图(红色红色)基于图像的外科手术导航系统17术前模拟(髋臼杯的安放位置),左上
9、,左下,右下图是模型三个颅内穿刺术前模拟病人脑部病灶的三维表面模型（图中线条表示三方向观测的穿病人脑部病灶的三维表面模型（图中线条表示三方向观测的穿刺路径）刺路径）基于图像的外科手术导航系统18颅内穿刺术前模拟病人脑部病灶的三维表面模型（图中线条表示三方术中导航目的 1）辅助执行手术方案 2）进行手术干预实现过程 1）获取术中数据 (图像数据、定位坐标、组织器官的位置) 2）术前与术中医学图像之间配准 3) 配准手术器械与患者的空间位置 4) 术中医学图像与手术器械之间的配准 5) 跟踪器实时跟踪手术器械 6) 医生开始手术基于图像的外科手术导航系统19术中导航目的基于图像的外科手术导航系统1
10、9关键技术 医学图像处理 空间定位技术 系统配准技术 实时导航技术 基于图像的外科手术导航系统20关键技术基于图像的外科手术导航系统20医学图像处理图像分割图像配准图像融合图像三维重建图像显示基于图像的外科手术导航系统21医学图像处理图像分割基于图像的外科手术导航系统21图像分割图像分割 图像分割就是把图像中具有特殊涵义的不同区域分开来，比如对图 像中的病灶和关键组织进行分割。 常用的分割方法 1)阈值分割法 2)边缘检测法 3)区域跟踪法 4)纹理分析法基于图像的外科手术导航系统22图像分割图像分割基于图像的外科手术导航系统22系统半自动提取的颅骨轮系统半自动提取的颅骨轮廓廓(图中红线所示图
11、中红线所示)实际手术中由医生勾勒的实际手术中由医生勾勒的病灶轮廓病灶轮廓(图中红线所示图中红线所示)基于图像的外科手术导航系统23系统半自动提取的颅骨轮廓(图中红线所示)实际手术中由医生勾勒图像配准图像配准 指对于一幅医学图像寻求一种或一系列空间变换，使它与另一幅医学 图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两幅匹配图像上有相同的空间位置。 配准方法 1)基于图像外部特征的配准方法 2) 基于图像内部特征的配准方法基于图像的外科手术导航系统24图像配准图像配准基于图像的外科手术导航系统24描绘骨表面点云与术前影像配比完成表面注册基于图像的外科手术导航系统25描绘骨表面点
12、云与术前影像配比完成表面注册基于图像的外科手术导图像融合图像融合 指将不同图像之间经过空间配准和叠加后，再做必要的交换和处理，使其在空间位置和空间坐标上达到匹配，产生一种新的图像来显示原图像所包含的信息。融合分类 1)数据融合 2)显示融合实现过程 1) 图像的转换 2) 图像的配准 3) 图像信息综合基于图像的外科手术导航系统26图像融合图像融合基于图像的外科手术导航系统26术前图像的融合基于图像的外科手术导航系统27术前图像的融合基于图像的外科手术导航系统27术中图象的融合（装配）通过空间坐标的变换，医生的临床经验和导航技术的结合使得假体被安放到最适合的位置基于图像的外科手术导航系统28术
13、中图象的融合（装配）通过空间坐标的变换，医生的临床经验和导空间定位技术空间定位 通过设备实时测出手术器械的空间位置和姿态，以便在计算机中得到实时显示。典型定位设备的分类 1) 超声定位设备 2) 机械定位设备 3) 磁定位设备 4) 光学定位设备基于图像的外科手术导航系统29空间定位技术空间定位基于图像的外科手术导航系统29术中空间定位对工具的定位原理对工具的定位原理定位标志球和手术工具适配器定位标志球和手术工具适配器 是导航系统提供的针对各科手术的专用工具，在手术时，使用这个适配器将手术工具注册到导航工作站； 适配器可以与各种受偶数器械连接，通过上面的定位标志球，使工作站迅速的测量、注册和识
14、别手术工具。 这样普通的手术器械在安装上工具适配器后就可以变成手术中的导航工具。基于图像的外科手术导航系统30术中空间定位对工具的定位原理基于图像的外科手术导航系统30器械的配准手术器械在模型中的映射手术器械在模型中的映射(图中图中黄线为机械臂前臂的中轴黄线为机械臂前臂的中轴,紫线紫线为规划穿刺路径为规划穿刺路径)在工具上加上适配器基于图像的外科手术导航系统31器械的配准手术器械在模型中的映射(图中黄线为机械臂前臂的中轴系统配准技术术前与术中医学图像之间配准配准手术器械与患者的空间位置术中医学图像与手术器械之间的配准基于图像的外科手术导航系统32系统配准技术术前与术中医学图像之间配准基于图像的
15、外科手术导航配准手术器械与患者的空间位置术中医学图像与手术器械之间的配准REFloc工具上的感应点红外发射环红外摄像头定坐标点基于图像的外科手术导航系统33配准手术器械与患者的空间位置REFloc工具上的感应点红外实时导航技术实时导航 手术医生可以依靠实时的定位及预设方案的引导开始手术，实施相应的操作。基于图像的外科手术导航系统34实时导航技术实时导航基于图像的外科手术导航系统34截骨线的对正是膝关节手术的关键基于图像的外科手术导航系统35截骨线的对正是膝关节手术的关键基于图像的外科手术导航系统35截骨的位置和角度基于图像的外科手术导航系统36截骨的位置和角度基于图像的外科手术导航系统36调整
16、假体的安放位置（例：单髁置换）基于图像的外科手术导航系统37调整假体的安放位置（例：单髁置换）基于图像的外科手术导航系统研究展望n n医学图像的三维自动分割医学图像的三维自动分割n n全自动医学图像配准全自动医学图像配准n n全自动医学图像融合全自动医学图像融合n n体绘制与面绘制的结合体绘制与面绘制的结合n n提高导航的实时性、可靠性、精确度提高导航的实时性、可靠性、精确度n n导航系统的小型化、去除放射伤害。导航系统的小型化、去除放射伤害。基于图像的外科手术导航系统38研究展望医学图像的三维自动分割基于图像的外科手术导航系统38与器械厂商的结合厂商的工具和产品需要与导航设备注册目前大的关节厂商很多同时做导航系统卖导航系统,提供已注册的假体和工具一台系统,占领一个关节据点非影象学导航,可以便携,但精度需要提高很多导航设备都可以与不同C臂机结合提高假体植入质量基于图像的外科手术导航系统39与器械厂商的结合厂商的工具和产品需要与导航设备注册基于图像的Thankyou!基于图像的外科手术导航系统40基于图像的外科手术导航系统40
