手术导航的系统组成

         不同的导航系统有不同的殴备，但其中基本的设备是一致酌。由图7-3可知， 在医用机器人与计算机导航系统中，一般而言，根据导航系统的功能要求，导航系统 应包括以下五大部分：图像的采集和处理单元、定位信息获取单元、人机交互与显示单元、配准与空间变换单元、机器人定位与手术操作单元。其中前两者属系统的原始 信息输入部分，经配准与空间变换单元进行计算，通过人机交互进行手术规划并显示，终可通过机器人实现系统输出。

         （一）多模图像的采集和处理设备

         影像医学在近年来获得了突b猛进的发展，成像技术不断变化创新。这些科学技术的进步，推动了影像诊断学的发展，也推动了影像导航外科的发展。在外科微创手 术中引人多模医学图像，为更准确地进行手术导航提供了非常丰富的数据信息。 根据不同手术环境以及手术适应证的要求，可采用的图像信息包括CT、MRI等术前医学图像，以及X线、超声、内窥镜等术中影像，能够提供病变部位的直观信息。

         以下是常用的几种医学图像。

         (l)计算机X线断层摄影。

         CT利用X线束对人体的某一部分按一定厚度的层面进 行扫描。因为人体各种组织的疏密程度不同，所以探测器接收到的射线强度存在差异。 将所检测的有穿透差异的射线信号转变为数字信息后由计算机进行处理，输出显示为断面图像。CT的图像质量、精度高，对骨骼组织±L有较好的显示效果。目前C设备大量用于外科的诊断和导航。但设备体积较大，价格较贵，且不便没于手术室内进行 术中导航。

         (2)核磁共振成像。

         由于氢原子的原子核如同是一个微型磁铁，因此人体内不同 物质、组织或器官彼此之问所含的氢原子核密度皆不相同。MRI通过测量特定磁场中 人体内氢原子核的磁矩变化并转换成电流信号，形成不同物质、组织或器官的灰阶影像对比分布图。MRI同样是断层切面影像，分辨率高、信息量大，对于软组织的显示效果好。与CT类似，设备体积较大，价格昂贵，不便设于手术室内进行术中导航。

         (3)X线透视。

         X射线可以清晰地再现人体骨骼的状况，非常适用于骨科手术。在骨科中通常采用C臂，其发射端与接收端相对，通过调整C臂位置和转动角度，可针 对不同手术需要采集人体各部位在不同体位的幽像。C臂可以近乎实时地苒现手术状 况，而且移动方便，成本相对较低，是骨科微创手术导航系统的图像采集工具。

         (4)超声成像。

         超声图像多适用于液体结构或为液体结构所环绕脏器的成像。超声设备尺寸小，可以进行实时采集，采集方便，价格便宜，对人体伤害小，可以清晰 直观地再现组织结构和裘I酊形态。但从口前研究来看，图像的精度还不是很高。 另外根据手术部位以及适应证的不同，还可以使用PET、DSA等医学图像。

         （二）定位系统

         定位技术是导航的关键，可提供手术部位与手术器械的相对位簧关系，解决手术过程中手术目标的位置测量、空间映射、手术干预和定位精度等问题。在骨科微创手 术中，包含三种坐标系：手术夺间坐标系、图像坐标系和导航工具坐标系。定位系统 的功能就是将这三种坐标系映射起来，确定手术区域中目标点和手术器械的空间位置。 其精度剥于手术导航的精度影响很大，直接关系到导航手术的成败。 
         随着科技的不断发展，很多高新技术被引入导航外科领域，根据所用定位方法的不同，现有导航定位方法主要是光学定位法、机械定位法、超声定位法和电磁定位法。 而临床中为常用的是光电定位方式，这也是日前精确度高的方法。机械定位则是 早引入外科导航领域的方法，早期多采用数宇机械臂，尽管占用手术空间，医生操作不够自如，但仍因其良好的稳定性和精确性而得到广泛应用。随着计算机与机电控 制技术在医学领域的发展，机械定位方式已得到进一步发展，可帮助医生完成部分手术操作。超声波定位和电磁定位一般由超声或磁场发射器和接受器组成，根据接收信息的强度和相位计算出空间位置和方向。实际应用中为弥补各自不足，可采用组合定位法。

         1．光学定位法
         光学定位方法是用至少两个摄像机观察目标的自然表面或特征点，并列至少两幅 图像上相同的目标点进行计算，然后利用计算机视觉原理得到这些点的三维位置，从 而获得被测物的三维位置关系。光学定位系统包括跟踪器和同标点，其中目标点采用系统易于识别的物体，而跟踪器的作用是采集这些目标点的位置信息，由计算机系统 进行目标点识别并计算目标点的空间位置。
         实用系统中一般采用多个目标点，井以一定规则排列形成空间坐标系，在手术器械和手术对象上按一定规则安装这此Fl标点， 从而由这些目标点位置可计算得到手术器械或手术对象的卒间位置和姿态信息。 根据所跟踪目标点的发光与否，可以将光电定化系统分成主动和被动两种光学定位方法。

         (1)主动光学定位系统。
         采用红外发光二极管作为目标点，跟踪器多采用三个以 上的光电传感器，追踪定位红外发光二极管位置。将若干相对位置固定的红外发光二极管同时安装于定位工具上，系统由此可实时计算得到该定位工具的宅间位置和姿态。 手术过程中，在手术器械和手术部位上分别同连一个定位工具，则系统可根据红外发 光点的空间位置，计算手术器械相对于手术部位的位置和姿态，再映射至图像坐标系 中并显示到屏幕上，指导医生完成手术操作。该系统具有定位精度高、处理灵活昀优 点，但接收装置在术中可能被医生或器械遮挡，带来定位问题，而EL这种设备价格相 对较高。

         (2)被动光学定位系统。

         使用反射标志物作为li标点，目标点术身不发光。由两 个或多个摄像机对依一定规则排列的若干目标点进行观察，目标点反射光线并成像至 CCD传感器中，系统对所拍摄图像进行识别和处理，以确定目标点在空间的位置。将标志物安装在定位工具上，即可计算得到该定位工具的位嚣和姿态。在手术器械和手术部位上分别固连一个定位工具，便可推算出于术器械相对于手术部位的位置和姿态。 
         由于被动光学定位法需进行模式识别，所以图像质量和模板匹配精度都会影响系统的 精度。 2机械定位法 机械定位是早应用到计算机辅助手术导航中的方法。机器人一般采用多自由度 机械臂（为使其具有足够灵活性，一般都有五个以上的自由度），机械臂前端可安装各种手术器械。早采用被动式机械臂，由医生手持其前端带动整个机械臂运动，各关
节编码器记录该位置关节参数，从而可通过机械臂模型和关节参数计算得到手术器械的空间位置和姿态。目前则多采用主动式机器人，可通过编程和自动控制实现其T作 空间中的点定位、路径规划以及运行轨迹。
         在机器人到达所需位置并锁走后，在保持定位位姿的同时可承受一定的负载，而且不会产生疲劳，从而有效解决医生手持手术 器械时可能产生的抖动问题，提高手术安全性，但由于机器人占用…定空间，对手术操作需进行合理安排。 通用性机械臂形状的机器人结构较为复杂，与手术环境适应性较差，价格较贵.

         因此，根据具体的手术环境和特点，还出现了各种专用定位机构。这种机构导航定位 是简化了的机器人定位系统，它的特点是结构简单，定位任务单一，精度较高日价格便宜。它只完成手术中的某一个具体的导航定位动作，因此所需自巾度较少系统可以将医生规划的手术路径映射为机构的空间坐标系，从而实现主动定位。以这种机构作为医生的手术平台，可对医生的手术动作进行导航，使医生快速方便地完成手术操 作。 
         通常情况下，机器人在确定末端点位置后会进行锁定，而手术过程中手术对象的 位置可能有微小位移，这样增加了手术精度的不确定性。为减小该误差，可借助其他手段实时检测手术对象的位置，机器人根据位置变化信息进行伺服。

         3.电磁定位

         电磁定位方法类似f有源光电定位，其原理如下：系统包括发射源和接收源，分别为三轴线圈和三轴传感器，每一电磁线圈定义一个空间方向，于是三个线圈可确定 三个空间方向，然后再根据相对位置关系确定其空间位置。在手术环境中，可在手术台下安置一个磁场发生器，磁场覆盖整个手术区域，系统根据检测器所接收目标点磁场信号的强度和相位，由此解算出其空间相对位置和方向。 电磁定位系统定位精度较高，且无遮挡问题，所以医生的活动空间范围和操作便利性比光电定位有改进。电磁定位系统的精度一般为3mm。但该系统磁场对工作空间中任何金属物体的引入都很敏感，有可能影响到定位的精确性，这在手术室中是不可 回避的问题。

         4．超声波定位
         超声波定位法曲原理就是超声测距。这类系统也包括发射器和接收器，记录声波在发生器和接收器之间的传播时间，计算发射器和接收器的相对距离。在手术器械上 放置至少三个超声波发射器，通过测量超声波的传播时间计算发射器与接收器间的距离，根据接受器的相对位置来确定发射器即日标点的位置，从而计算出手术器械的位置和姿态。但温度、空气非均匀性等可能对超声波定位精确性产生影响。

         （三）空间配准模块 
         为使外科医生能够通过多个模态医学图像了解患者的内部状况，确定手术方案，并结合术中的定位信息精确地执行手术计划并操作手术器械，使手术向空间定位精确 和微创的方向发展，需要在前述图像空间（虚拟环境）与手术定位空间（现实环境） 两部分之间必须有一个联结的桥梁，使得医学图像中所提供信息与导航定位信息相互 匹配，同时将图像空间、手术定位空问与手术对象联系起来，为准确手术定位打下良 好的基础。这就需要进行配准，即获得前述基本概念部分中所述坐标系间的转换关系。 为充分利用互为补充的断层图像信息（CT、MRI）和术中图像信息（X- ray、US等）以及功能图像信息（PET等），多模医学图像之间也需要配准。

         因此配准实际上包含两 类：定位系统空间与医学图像空间的酡准、医学图像之间的配准。

         1.定位系统空间与医学图像空间的配准其配准精度对手术定位准确性具有直接影响。由于两个空间没有直接关联，一般 通过手术对象作为“中转站”，分别提取同一手术对象在医学图像空间和定位空间的位置信息，即可推算医学图像空间和定位空间的相互映射关系。
         实用系统中为使得手术 对象在不同空间的位置比较明确，一般通过人工外加的固定物或者解剖特征等具有明 确位置的标记点作为“桥梁”，建立两坐标系之问的映射。 标记点可为外加固定物，须与手术部位保持刚性连接，如贴于病人头部或者与骨 骼固定，以确保其与手术部位坐标系的一致性。但这种方法多数期情况下可能带来额 外创伤，因此也有系统采用解剖特征作为标记，如脊柱的棘突等。标记点设定为需按 照一定次序进行选取。目前自动拾取标记点有一定难度，多为手动实现。分别在图像空间和手术定位空间获取得到各自的三维坐标数值，系统即可计算得到两组点集之间
的坐标变换参数。

         2.多模态医学图像之问的配准
         医学成像技术给临床医学提供了X线、超声、DSA、CT、MRI、PET、SPECT等形态和功能的影像信息，在实际的临床诊断和治疗中，患者经常同时进行多种断层影像 模式的检查，以提供对研究部位互为补充的形态信息和功能信息。医学图像配准就是 用计算机图像处理技术使各种影像模式统一在一个公共坐标系里，并融合成一个新的 影像模式显示在计算机屏幕上，加强感兴趣部位的显示效果，有助于临床诊断。 
         与定位系统空间与医学图像空间的配准相同，也需要提取不同图保巾的特征信息 作为配准的基准，目前多采用标记点作为特征，提取其空曰位置以进行匹配：多模态 医学图像之间的配准包括以下几种方法：外加标志物的配准、基于灰度的配准、基于 特征的配准等。

         （四）人机交互与显示单元
         人机交互系统是医生获取图像以及手术信息并通过导航或机器人系统进行操作的 “界面”，在术前将影像提供给显示单元，医生由医学图像了解手术部位解剖信息之后，即可根据手术适应证需要进行手术规划，确定手术人路，同时根据需要突出显示手术 或病变部位区域，并在真正手术之前进行手术模拟，以提高手术安全性。

交互与显示系统的主要功能包括：

         1.手术规划与导航

         术前规划合理手术路径以避开重要组织，术中显示规划路径、病变或手术部位以 及手术器械的实时位置。经配准之后，在图像上即可精确地确定人体组织和手术器械 之间的相对位置，为医生提供更丰富的信息。

         2.选取标记点

         为实现导航定位或配准功能，在自动标记点提取不易实现的情况下，则需要由医 生在图像上交互选取标记点并计算其位置。选点的精度对终定位或配准精度有较大 的影响。

         3.手术部位分割显示
         可通过以下两种方法提取：自动提取与手工勾画。自动提取需针对不I司类别图像 采用特定的算法将手术或病变部位捉取并显示出来。这种方法在特定的条件下能选到佳的效果，但难以适用于所确的应用，在某地情况下甚至会得出错误的结果。手工 勾画则是由医生通过鼠标等交互设备勾勒出所需部位的轮廓，但由于需手工操作，比较耗费时间。不论自动分割还是手动勾画，均应在医生监督下进行，以确保结果的正确性。

         4.手术模拟
         计算机手术模拟是指通过人机交互在计算机上模拟手术过程，计算并模拟显示手术的结果，而交互技术始终是其中的重点和难点。由于原始医学图像常规所得为二维断层图像，借助于蹶学图像二维可视化技术，可以显示三维物体表面及任意剖面的信 息。借助于逼真的三维可视图像，外科医生对人体解剖结构从任意角度进行观察，进行水前模拟、术中导航和术后评价。

         从硬件设备角度，人机交互与皿示单元町划分为两部分。

         1.显不单元主要通过J并幕显示所采集医学图像、霓构三维图像、术中各断面投影图像、定位 信息、手术规划以及病变部位信息。常见设备包括图形工作站、头盔显示器等。

         2.手术交互单元
         模拟手术需要三维空问交互，系统应允许用户直接在三维空间指定位置和方向，而三维交互手段相对而言较为复杂，而且交互过程必须考虑到手术本身的复杂性和精 确性。

         目前所采用的三维交互主要有三种方案：

         (1)传感器反馈。利用前述定位设备获取信息，并映射到医学闭像坐标系中，将该定值信息反馈至医学图像中在图形工作站上显示。当操作过程中，所显示的手术器械位置与规划位置重合时，医牛即可确定凌于术器械定位准确。

         (2)通用三维交互设备。如常规键箍鼠标、操作手柄、六维鼠标、数据手套、力反馈操作战备等，通过计算机处理，可实现图像虚拟空间操作。

         (3)机器人系统。机器人系统根据预先确定的手术路径，进行手术定位或操作，在手术过程巾，医生临督其每一步动作。由于机器人设备可作为整个导航系统的输出环节，这一交互办案将作为单独一部分进行介绍。

         （五）机器人
         在前述定位系统中，机器人作为导航系统的一种，可提供定位信息并在术中作为 定位平台使用。随着机器人智能控制技术的日渐成熟，机器人逐渐作为导航系统的输出单元，可实现主动控制和操作控制，提升了医疗机器人的自动化水平。 机械式定位方法中已经介绍了机械臂，仪能被动反馈定位信息。

         除此之外，目前而向手术的主动式医疗机器人主要有两类。

         (1)主动定位机器人。主要利用机器人定位准确可靠的优势，主动控制机器人运动实现手术定位。在获取医学图像、定位信息并实现配准之后，根据术前手术规划，由系统根据智能算法控制机器人按照所计算的给定路径运行，当到达所需位置和姿态 后，则停正运行并锁定机器人，防止机器人发生意外运动。定位完成后，医生人即可依照机器人末端器械所给定路径实施于术操作。

         (2)主从操作机器人。机器人采用主从结构，医生操作主机器人，从机器人则随主机器人并依照一定控制率进行运动。于是，从机器人完成与医生相同的操作。这主 要应用于手术动作比较复杂的环境下，帮助医生力便、快捷、高效、精确地完成复杂的手术动作。

         通过以上五个部分，获取医学图像、定位信息并实现雕准之后，图像空间和定位系统空间建立相互映射，医生通过交互没备在图像空间进行手术规划和手术方案模拟， 并可将图像空间中所规划手术方案通过机器人中在手术空间中加以确立。