Vol. 4 No.11/ Nov. 2010
图像引导外科的研究概况及进展
罗火灵
摘 要
贾富仓
胡庆茂
图像引导外科是利用医学图像,定位系统和计算机等相关技术实时显示手术器械和目标手术部位三维空间位置和
方向,帮助外科医生精确实施手术的一种技术.在过去二十多年时间中图像引导外科得到了迅猛发展,并逐渐成为临床外 科的一种常规工具.本文介绍图像引导外科的一些基本知识及发展概况,对图像引导外科中的一些关键技术进行比较详细 的阐述.并对图像引导外科技术的未来发展进行了展望. 关键词 图像引导外科;关键技术;进展
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引言
图像引导外科(Image-Guided Surgery, IGS) 杂的骨科手术,耳鼻喉科包括前颅底,侧颅底,骨 瘤切除,幼儿鼻腔鼻窦等所有耳鼻喉科手术,整形 外科颌面手术,口腔植入物手术等. 图像引导外科系统在临床上主要有如下作用: (1) 更好地计划和模拟手术步骤;(2) 提高手术的准 确性;(3) 减少手术创伤,减轻手术痛苦,缩短住院 时间,避免长期卧床,缩短术后康复时间,降低医 疗费用;(4) 使以往不能治疗或治疗困难的疾病得以 治愈;(5) 减少并发症的发生. 针对图像引导外科系统的定量作用,以脊柱外 科为例,有人做过相关研究 [3][4] ,76.1%受访的脊 柱外科医生认为图像引导外科手术能够有效的降低 核辐射;65.7%的认为能够提高骨钉植入的精度; 72.5%的认为图像引导脊柱外科手术对微创外科手术 确实是有效的.调查显示,技术因素,医生的培训 机会以及核辐射是影响脊柱微创手术的关键.绝大 多数的脊柱外科医生相信图像引导脊柱微创手术是 使病人迅速恢复健康,减少住院时间的关键而又有 效的技术. 图像引导外科系统的使用不仅大大拓展了手术 治疗的范围,还使医生能够尝试开展一些以前无法 操作的手术,如以前认为风险极高的颈椎手术.
或手术导航(Surgical Navigation)是近二十几年 迅速发展的微创外科(Minimally Invasive Surgery, MIS)技术之一.图像引导外科系统利用医学影像和 计算机图形图像技术,可在术前对患者多模态图像 数据进行三维重建和可视化,获得三维模型,制定 合理,定量的手术计划,开展术前模拟;在术中利 用三维空间定位系统进行图像和病人物理空间的注 册/配准,把患者的实际体位,手术器械的实时空间 位置映射到患者的三维图像空间,对手术器械在空 间中的位置实时采集并显示,医生通过观察三维图 像中手术器械与病变部位的相对位置关系,对病人 进行精确的手术治疗 [1] .它集中了计算机科学,数 学,机械学,外科,内科及生物医学工程等领域的 成果,把图像图形处理,空间立体定位,精密机械 和外科手术等结合在一起.图像引导外科延伸了外 科医生的视野,更好地发挥了外科医生的主动性和 灵活性,突破了传统外科手术的禁区,更新了外科 手术和外科手术器械的概念.对于提高手术定位精 度,减少手术损伤,优化手术路径及提高手术成功 率等具有十分重要的意义.
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图像引导外科的发展与应用
图像引导外科系统最早应用于神经外科领域[2], 如神经外科颅内肿瘤的切除(特别是肉眼难以分辨或 血管丰富的小病灶,脑深部的病灶,以及脑内边界 不清的病灶如大型胶质瘤等),近年来,随着图像引 导相关技术的不断发展,其临床范围已逐步扩展到 脊柱外科,耳鼻喉科,整形外科,腹部外科,前列 腺外科等,如脊柱外科椎弓根钉植入,畸形矫正, 颈椎手术,与最新开发的经皮穿刺,关节置换等复
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图像引导外科的关键技术
随着医学成像以及计算机技术的发展,图像 引导外科技术也得到了快速的发展,很多图像引 导系统已经商业化,如美国Medtronic [5] 和德国 BrainLAB[6]均推出了适用于神经外科,骨科,脊柱, 创伤外科,耳鼻喉科的图像引导外科系统,图像引 导外科逐渐发展成为外科手术的日常治疗标准.
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图像引导外科的研究概况及进展 典型的利用计算机进行手术导航步骤主要有以下几 个部分[7]: 1. 术前或术中图像的采集(通常是断层图像). 2. 利用定位系统跟踪外科手术器械. 3. 病人解剖结构与术前图像之前的配准/注册. 4. 实时显示外科手术工具与病人解剖结构之间的位置. 5. 外科医生以显示的实时图像为导向完成手术操作. 从以上手术导航的操作步骤可以看出,在用计 算机进行辅助外科手术时,涉及到的关键技术主要 有:成像,定位系统,配准/注册,软件及算法等. 0.1mm~0.25mm左右.但是光学定位系统的不足之 处是它要求跟踪设备与工具之间的光路不被阻挡. 此类产品如加拿大NDI公司的Polaris和Optotrak系 统以及瑞士Atracsys公司的accuTrack系统[9]. (2) 光学视频测量系统 这种系统是利用一个或多个校准过的摄像机获 取一系列视频图像,然后识别该系列视频图像的标记 点(如黑白棋盘格)进行计算定位,它需要所用计算机 系统具备快速计算能力,其定位视场比光学定位系统 相比稍小,精度稍低,可达0.2mm,刷新率较低, 如48Hz.目前市面上采用这种原理的系统有加拿大 Claron Technology Inc.的MicroTracker系统. (3) 电磁定位系统 电磁定位器包含3个磁场发生器,每个磁场发生 器线圈定义一个空间方向,探测器线圈检测通过空气 或软组织的低频磁场,由发生器的相对位置关系可以 确定探测器的空间位置,从而对目标进行定位.其定 位视场较小,精度可达0.5mm.由于探测器与发生 器之间没有光路问题,尤其适合目标点位于病人体内 时的定位要求,如穿刺针,介入导管和腹部外科手术 器械的定位等.但手术区域中的铁磁性材料会干扰 定位磁场,导致定位精度的降低.此类产品有NDI的 Aurora和Ascension的medSAFE系统.

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