李雪琦，馬寶秋，張國鵬，朱 霆，盧虹冰

基于圖像的計(jì)算機(jī)輔助軟組織導(dǎo)航技術(shù)

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(dǎo)航技術(shù)和發(fā)展過程，從術(shù)前計(jì)劃、術(shù)中導(dǎo)航和術(shù)后驗(yàn)證3個階段探索了導(dǎo)航技術(shù)的原理、過程，通過系統(tǒng)框架、組成及過程等幾個方面闡述了該技術(shù)的理論及實(shí)現(xiàn)方案，可輔助醫(yī)生進(jìn)行更精確、微創(chuàng)、安全、快速的手術(shù)治療，并拓展了外科手術(shù)的適應(yīng)癥范圍，在臨床上具有廣泛的應(yīng)用前景。

軟組織；圖像導(dǎo)航；計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)

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(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（computer-aided surgery，CAS）技術(shù)是指利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電磁、三維成像等技術(shù)手段，為實(shí)施手術(shù)的醫(yī)生提供直觀的融合有病灶圖像、關(guān)鍵組織或器官位置、各手術(shù)器械定位等信息在內(nèi)的模擬手術(shù)場景的導(dǎo)航圖像，以輔助手術(shù)過程的技術(shù)的總稱。CAS技術(shù)具有增加醫(yī)生對解剖結(jié)構(gòu)的理解、降低周圍組織損傷、減少手術(shù)并發(fā)癥、增加術(shù)中患者安全性等優(yōu)點(diǎn)[1]，可降低手術(shù)的難度、提高臨床醫(yī)生手術(shù)的準(zhǔn)確性，因此近年來在神經(jīng)外科、耳鼻喉科、骨科（脊柱及關(guān)節(jié)）等手術(shù)以及活檢切除、組織消融等介入治療中得到快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用。

由于目前大部分CAS系統(tǒng)均基于剛性解剖結(jié)構(gòu)假設(shè)，而在腹部開放或微創(chuàng)手術(shù)中，由于沒有骨骼的支撐，任何外部壓力均會使腹腔內(nèi)的肝臟、腎臟等軟組織發(fā)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(chǎn)生的軟組織形變很難預(yù)測。這不但降低了術(shù)前圖像在術(shù)中的價值，而且也使傳統(tǒng)的CAS技術(shù)很難對這類手術(shù)提供有效支持，這就強(qiáng)化了對胸腹部導(dǎo)航技術(shù)的迫切需求。

本文將通過對相關(guān)文獻(xiàn)的回顧及討論，研究探索基于圖像的計(jì)算機(jī)輔助軟組織導(dǎo)航技術(shù)的原理、過程及實(shí)現(xiàn)。按照手術(shù)實(shí)施的過程，我們將軟組織導(dǎo)航的流程分為術(shù)前計(jì)劃、術(shù)中導(dǎo)航和術(shù)后驗(yàn)證3個階段，并在下面各節(jié)分別闡述。

2 術(shù)前計(jì)劃

術(shù)前計(jì)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(tǒng)的CAS過程基本相同，目的是得到解剖結(jié)構(gòu)的三維分布，常用成像設(shè)備包括CT、螺旋CT或MRI。對于CT圖像的切片厚度，文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)的三維成像。為了提高導(dǎo)航的精度，在成像前需在患者身上放置一定數(shù)目的標(biāo)示物，通過對標(biāo)示物位置的識別，實(shí)現(xiàn)對成像空間和定位系統(tǒng)的注冊和配準(zhǔn)，用于術(shù)中導(dǎo)航。

（2）病灶感興趣區(qū)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(qū)域及周圍的重要組織結(jié)構(gòu)，通過三維重建可以得到相應(yīng)ROI區(qū)域的三維模型，以便對病情進(jìn)行分析。

（3）制定手術(shù)計(jì)劃。針對患者情況，制定詳細(xì)的手術(shù)實(shí)施方案。如果需要，醫(yī)生可以通過術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行模擬手術(shù)，以更好地設(shè)計(jì)手術(shù)入路及步驟，為手術(shù)的順利實(shí)施提供基礎(chǔ)。

3 術(shù)中導(dǎo)航

術(shù)中導(dǎo)航部分主要針對手術(shù)實(shí)施階段，傳統(tǒng)CAS技術(shù)主要包括3個必須的要素[4]：可被跟蹤的手術(shù)器械、可以跟蹤手術(shù)器械的導(dǎo)航定位系統(tǒng)和配準(zhǔn)算法。對于軟組織的術(shù)中導(dǎo)航，為了反映術(shù)中組織結(jié)構(gòu)的運(yùn)動和形變，還必須包括一個要素，即可以獲得術(shù)中患者實(shí)時變化的成像系統(tǒng)。圖1給出了軟組織術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)的主要構(gòu)成，下面對各個構(gòu)成要素分別進(jìn)行分析和討論。

3.1 定位及術(shù)中成像系統(tǒng)

（1）術(shù)中定位系統(tǒng)的選擇。對于CAS技術(shù)，理想的定位設(shè)備應(yīng)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(biāo)）、不被阻擋、魯棒（不受環(huán)境影響）、工作區(qū)域大、可長時無線操作且價格便宜。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的跟蹤技術(shù)包括機(jī)械臂、光纖跟蹤、光學(xué)跟蹤、電磁跟蹤及基于超聲的跟蹤等，已有很多文獻(xiàn)對不同跟蹤技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了綜述。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)及電磁定位裝置得到了廣泛應(yīng)用。與光學(xué)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(nèi)金屬物或電磁場環(huán)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(shí)現(xiàn)對體內(nèi)器械的追蹤，同時采取適當(dāng)措施可使手術(shù)環(huán)境對系統(tǒng)的影響控制在可接受的范圍內(nèi)。因此，對于軟組織手術(shù)導(dǎo)航，由于腹部器官（例如肝臟）多位于人體較深部位，光學(xué)定位易受遮擋，無法深入人體內(nèi)部，電磁定位更具有優(yōu)勢[6-7]。

作者單位：710032 西安 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系（李雪琦、馬寶秋、張國鵬、朱 霆、盧虹冰）

（2）術(shù)中成像系統(tǒng)的選擇。目前術(shù)中成像的手段主要包括：超聲成像、內(nèi)窺鏡攝像成像、動態(tài)X射線成像、CT/MRI成像、混合成像。其中，術(shù)中CT/MRI成像設(shè)備復(fù)雜昂貴且無法實(shí)時成像，在臨床中的應(yīng)用受到技術(shù)及資金的限制。前3種成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時成像，因而對軟組織形變的跟蹤更有優(yōu)勢。但由于這3種成像手段一般得到的是感興趣區(qū)域的二維成像，故很難直接獲得完整的、實(shí)時的人體組織三維成像，因此在軟組織導(dǎo)航方案中需要將術(shù)中導(dǎo)航定位系統(tǒng)與實(shí)時成像系統(tǒng)結(jié)合，在成像探頭上添加定位傳感器，獲得實(shí)時二維圖像的位置信息，并與術(shù)前三維圖像相結(jié)合，利用術(shù)中圖像不斷對術(shù)前圖像及計(jì)劃進(jìn)行校正來反映術(shù)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(shù)中圖像采集方式更為適宜[2]。在微創(chuàng)手術(shù)中，內(nèi)窺鏡成像可以清楚地顯示手術(shù)區(qū)域周圍表面的情況，但由于內(nèi)窺鏡的視場較小，因此可與超聲成像互補(bǔ)，通過混合成像的方式進(jìn)行。在的應(yīng)用中，可采用的組合方式有：超聲+電磁或光學(xué)定位 （用于開放手術(shù)），超聲+電磁+內(nèi)窺鏡（用于微創(chuàng)手術(shù)）[1-3]。

3.2 導(dǎo)航信息的配準(zhǔn)與融合

在導(dǎo)航過程中，只有將術(shù)前成像、術(shù)中成像、手術(shù)器械、患者所處物理空間與定位系統(tǒng)的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，才能為手術(shù)提供更準(zhǔn)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(biāo)系達(dá)到空間位置的一致，即配準(zhǔn)過程；二是對已配準(zhǔn)圖像及位置信息的綜合顯示，即融合過程。

（1）配準(zhǔn)過程：圖像配準(zhǔn)就是通過尋找一種（或一系列）空間變換，使2幅圖像的對應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上的完全一致。在軟組織導(dǎo)航手術(shù)中，在采用單一導(dǎo)航方式和單一術(shù)中成像方式的情況下，需要進(jìn)行以下3個配準(zhǔn)過程：①術(shù)前圖像坐標(biāo)與手術(shù)患者空間的配準(zhǔn)；②術(shù)中圖像坐標(biāo)與術(shù)前圖像坐標(biāo)的配準(zhǔn)；③手術(shù)器械位置及坐標(biāo)與術(shù)前圖像的配準(zhǔn)。具體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2 術(shù)前、術(shù)中圖像與手術(shù)器械的配準(zhǔn)過程

為了提高導(dǎo)航的準(zhǔn)確度，在術(shù)前需要先完成上述配準(zhǔn)過程，再進(jìn)一步開展手術(shù)，因此稱為術(shù)前配準(zhǔn)。在手術(shù)過程中，由于間隔一段時間后或軟組織發(fā)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(shù)中圖像與術(shù)前圖像進(jìn)行多次配準(zhǔn)，即為術(shù)中配準(zhǔn)；當(dāng)然，術(shù)中配準(zhǔn)的時間應(yīng)越短越好，一般應(yīng)控制在1 min以內(nèi)。當(dāng)患者移動或醫(yī)生認(rèn)為需要校正圖像時，重復(fù)以上術(shù)中配準(zhǔn)的過程進(jìn)行重新校正，再繼續(xù)進(jìn)行手術(shù)。如果需要，術(shù)中也可以通過患者身上的標(biāo)示物進(jìn)行定位系統(tǒng)與術(shù)前圖像或計(jì)劃的再配準(zhǔn)[7]。

（2）融合過程：術(shù)中軟組織導(dǎo)航需要將多種圖像及信息進(jìn)行融合并綜合顯示，包括術(shù)前圖像、感興趣區(qū)域的三維模型、手術(shù)器械位置信息、術(shù)中圖像及位置信息與術(shù)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(shù)后驗(yàn)證及展望

術(shù)后驗(yàn)證的目標(biāo)是綜合術(shù)前計(jì)劃階段和術(shù)中導(dǎo)航階段的信息和結(jié)果，根據(jù)患者術(shù)后的恢復(fù)情況進(jìn)行手術(shù)效果的分析、驗(yàn)證和綜合評價，并對患者的愈后進(jìn)行評估，為患者的下一步治療做好準(zhǔn)備。術(shù)后驗(yàn)證對于評價手術(shù)方案、改進(jìn)手術(shù)效果、對術(shù)中導(dǎo)航過程進(jìn)行修改和完善具有重要作用。

隨著計(jì)算機(jī)及成像技術(shù)的發(fā)展，基于圖像的軟組織導(dǎo)航技術(shù)近年來得到了廣泛關(guān)注。目前，該項(xiàng)技術(shù)仍處于探索階段，還有許多值得研究和完善的領(lǐng)域。目前軟組織導(dǎo)航技術(shù)主要應(yīng)用在肝臟手術(shù)中，在子宮肌瘤的消融治療、前列腺、腎切除手術(shù)中亦有報道。該技術(shù)的深入研究將為醫(yī)生提供適用于軟組織手術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助醫(yī)生進(jìn)行更為精確、微創(chuàng)、安全、快速的手術(shù)治療。同時，還可拓展外科手術(shù)的適應(yīng)證范圍，使以往的手術(shù)禁區(qū)在導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助下成為適應(yīng)證，擴(kuò)大微創(chuàng)/介入治療的適用范圍，因而具有廣泛的應(yīng)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(yī)學(xué)工程方面的研究工作，E-mail：tyjlxq@fmmu.edu.cn。

盧虹冰，E-mail：luhb@fmmu.edu.cn