手术导航系统基本概念

         医用机器人与计算机导航系统的主要作用是辅助医生完成精密手术操作，实现安 全和微创的外科手术治疗，包括：在手术前，对相关的医学图像进行处理，为医生提 供手术必需的信息，辅助医生进行手术规划和路径仿真；在手术中，跟踪并测量手术对象和手术器械的位置坐标，在计算机屏幕上再现手术环境，辅助医生判断手木动作 的合理性，量化医生的手术操作，或代替医生完成微创手术环境中的精密、安全的手 术操作；在手术后，对手术的结果进行分析，为医生评估手术疗效提供依据。医用机器人与计算机导航系统是高新技术在医学领域的典型应用，涉及到多门学科的众多概 念，分述如下。

         （一）微创外科

         微创外科是通过微小创伤或人路将特殊器械、物理能量或化学药剂送人人体内部， 完成对人体内病变、畸形、创伤的灭活、切除、修复或重建等外科手术操作而达到治疗目的的医学科学分支。其特点是对病人的创伤明显小于传统外科手术，并且比传统 手术、更准确。
         由于对患者机体内部组织及脏器增强了保护，伤口愈合时间短，术后恢复快，病人住院时间明显缩短，从而提高了患者的生命健康品质，无论从社会效益还是经济效益方面都具有巨大的优势。 由于切口小，医生无法像传统手术那样直接观察到手术部位，所以微创外科的实 质就是将人眼的视觉延伸至人体内部。
         目前，微创外科手术几乎涉及传统外科手术的 所有领域，主要通过两类种手段，一类是20世纪80年代兴起的内窥镜手术，自1987年世界上首例腹腔镜胆囊切除术以来，内窥镜已推广到胸外科、泌尿外科、神经外科、 骨科等手术中，脑显微手术，眼科显微手术等也得到迅猛发展；另一类是用微小创伤 的操作方法进行传统手术，多数采用经皮介人的方式，此时就需要借助医学图像来拓展或增强医生的视觉，辅助医生进行珍断，并通过计算机、机器人等实现高效的手术规划以及准确的手术定位；
         （二）计算机辅助手术系统
         计算机辅助手术是借助计算机对医学图像及空间位置信息的处理能力，通过虚拟的手术环境为外科医生从技术上提供支持，使手术、更准确的新技术。通过合 理利用多模医学图像和导航系统的数据，能够定量地进行外科手术的计划、干预和评 价，可获得佳的手术路径、小的手术伤害、较高的手术精度和手术效率以及良好 的手术效果。 近年来，随着微创外科技术以及医学成像设备的不断发展，计算机辅助手术也得到了快速发展和应用。计算机利用这些信息重建三维图像，为外科医生进行手术模拟、 手术导航、手术定位、制订手术方案，提供了客观、准确、直观、科学的手段。同时，随着导航设备研究的不断深入，精度不断提高，计算机将医学图像信息与导航定位信 息加以结合，为医生的术中操作提供了精确的位置信息，并可与手术规划相比较，为 医生准确定位和实施手术提供保障。另外，医疗机器人由原先功能单一的导航设备已逐渐发展为可辅助医生进行手术定位或操作，在手术中对手术的路径和动作进行一定 的干预，更进一步提高了手术的精确性和稳定性。 计算机辅助手术系统的功能主要包括术前手术规划和术中导航。其具体内容将在
下文中进行描述。

         （三）手术规划

         传统手术申，医学图像都是印制成胶片后挂在远离手术部位的灯箱上，供医生读 片。医生在自己的大脑中进行手术方案的设计和手术模拟，无法进行定量表示手术 专家之间电缺乏直观的手段进行讨沦。这样，在手术过程中，陪牛通常需要分别观察 手术部位和医学图像，根据头脑中对解剖结构和手术方案的以识来施行手术，手术质 量往往依赖于医生的临床经验与技能。 用计算机辅助医生进行手术规划能够量化手术信息。
         在手术前帮助医生合理、定量地进行手术规划和手术方案模拟，H可以保存该方案以备分析和研究。医生通过计 算机交互操作，可以在二维或三维图像虚拟空间中进行空间位置测量，设定手术路径，进行三维手术模拟。对于目前计算机辅助外科中常见的定向类手术，手术规划多以确 定El标靶点以及手术人路为主。手术规划为导航系统提供手术器械应到达的目标位置与姿态，或作为机器人系统运行所需目标位姿的输人参数。

         （四）术中导航

         传统手术中，医生根据经验判断手术器械相对手术部位的位置，或在某些手术环 境下借助术中图像（如X线、超声等），但都存在一定的缺点，如X线辐射大，超声 定位精度不高等。为此引入导航定位设备，以获取手术器械相剥手术部位的位置信息， 并为医生提供信息提示。 
         导航系统的功能就是在手术过程中能够跟踪手术器械，并将器械的位置在患者的术前或术中影像上实时更新显示出来，使手术医生随时了解手术器械的位置同患者解剖结构的关系，同时可以模拟显示手术器械和手术规划的位置，以致对应点位的各剖 面图像，为医生提供更丰富的周边组织信息，提高手术的精确性，从而给微创外科手 术带来极大的便利和优越性，使手术更快速、更精确、。 手术导航系统将实际的位置信息投射进虚拟的图像空间中，这需要建立虚拟图像 空间与实际手术部位之间的剥应关系。

         （五）手术空间坐标系
         微刨外科手术环境中包含以下相互位置不确定的独立物体：手术对象、手术器械 和医学图像，每一物体均有其各自的坐标系。手水剥象坐标系是指患者参考部位的坐 标系，在外科手术中通常与骨骼等刚性组织结构固连；手术器械坐标系则与外科手术 中常用的手术工具相连；医学图像坐标系则是由常用的CT、MRI、X线、PET、DSA等 影像设备扫描获取病患部位图像后所获得医学影像数据本身的卒间坐标系。 
         手术对象坐标系和手术器械坐标系均属于实际空间，而医学图像坐标系属于虚拟空间。为了提高手术精确性、可视性和安全性，使得实际手术空间中的定位能够精确体现在虚拟图像空间，辅助医生根据虚拟空间中的位置关系判断实际手术操作是否准 确。这就要求将手术对象、手术器械、医学图像坐标系鲩一起来，即建立三者之问的空间映射关系，而导航系统正可完成这一任务。导航定位设备通过视觉、电磁、机械 臂等手段，将手术对象、手术器械等实际空间的物体全部统一至导航定位系统本身的坐标系巾，由导航系统获取手术刘象与手术器械之问的相对位置关系。另外，在导航 系统中还需将手术对象以及手术器械实际空问等映射至医学影像虚拟空间之中。而实现上述坐标系之问映射的途径就是配准过程。

         （六）配准

         配准(registration)即足建立上述坐标系之间的转换关系。而坐标系变换是一对一的映射，冈此前分刖进行两两坐标系之间的配准。不同类别的导航系统可能涉及不同坐标系之间的配准，在多数导航系统的临床应用环境下，手术过程中需明确手术对象、 手术器械在导航系统的实际宅叫坐标系与医学图像虚拟坐标系中的位置。 由于不同坐标系相互独立，所以一般是利用手术对象和手术器械巴设立的标记点或特征表面，分别获取其在不同坐标系中的位置，并进行坐标系变换计算来实现配准。 
         以常见的光电导航系统为例，首先在手术规划时在Ⅸ学图像巾选取设定的若干标记点， 确立手术对象在医学图像虚拟卒问中的位置；术巾由医生手持定位工具采用接触方法 拾取手术对象上对应标记点（外加标记或解剖特征），确盘手术对象在导航设备坐标系中的位置。由于实际空问与虚拟空问均采用硎一组手术部位标记点作为参考，因此以 这两组点位信息为基准即可建立实际空间与虚拟空问的坐标系转换关系。 此外，随着医学图像技术的日益发展，借助多个模态医学图像为医生提供更丰富 全丽昀解剖结构信息成为可能，这一处理过程称为图像融合。为此需进行不同模态医学图像之间的配准，例如CT与MRI等三维图像之间，或者CT三维图像与X线二维图像之间。配准过程涉及标记点或特征表面的交互或白动提取，以及坐标系转换的计算。 配准后，手术导航系统能够将患者术前或术中影像数据和手术床上患者解剖结构 准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在患者影像上虚拟地、实时地更 新显示，使医生对手术器械相对患者解剖结构的位置一目了然。在配准后还可将信息传递至机器人，由机器人实施凌手术规划，从而能够高效、精确、安全地进行手术。

         （七）自由度与空间定位

         确定物体的位置所需要的独立坐标数称作物体的自由度，当物体受到某坐标方向的限制时自由度会减少。一个点在空间可自由平移运动，其位置由相互正交的三个独 立坐标确定，所以点有三个自由度。若将点限制在平面或直线上运动，则分别只有两个和一个自由度。对于一般物体，在空问中既有平动也有转动，其自由度则为六个，即三个平动自由度和三个转动自由度。
         因此，在实际空间中若耍确定不同物体在空间中的相对位置，需限定其六维自由度。 计算机和机器人的优势在于精确性，在外科技术中尤其适用于乎术定位操作。在手术空间中，定位一般涉及手术规划所设定的日标靶点或人点以及手术路径。确定好目标靶点或人点即可限定三个平移自由度，而手术路径则限定其转动的自由度。利用 导航系统进行定位时，由医生手持手术器械面对已相剥旧定的手术对象进行操作，手 术器械在空间不受限制。l担此，J蛙生可以灵活操纵手术器械在空间巾的平动和转动， 但不足之处是医生操作时可能存在抖动或疲劳。
         因此，有必要引入机械式定位，由机 械臂或机器人限定手术器械在空叫中的位置和姿态，确保手术的稳定性和安全性 机器人的自由度概念与空间自由度稍有差异，即由机器人关节是否可相对移动或 转动确定，而不必采用正交的空间坐标体系。为了实现空间定位，机器人通常需要六个自由度，但根据适应证和手术环境的不同，也可以采用多于或少于六个自由度。

         （八）机器人辅助外科系统
         近年来，先进机器人技术应用于外科领域已成为发展的热点。机器人技术在外科领域中的应用不仅会在手术定位精度、手术损伤程度、手术质量等方面带来一系列变 革，还将改变常规医疗外科的许多概念。机器人等数字化手术设备对医学临床与教学、 家庭护理及康复工程等都有重要意义。 机器人在工业领域已取得了非常广泛的应用，具备足够的灵活性和稳定性，但将机器人应用到临床治疗中，其安全性和适用性至关重要。相对于工业用机器人，医疗 机器人需考虑以下因素：①绝不允许出现错误；②具备较高的环境适用性，因为机器人直接接触患者（灭菌消毒问题），并占用医生的操作空间；③交互操作较为复杂， 但其使用者——医生并非机器人专家。 由于安全性是突出的问题，在系统设计时应采取多种安全保障措施，例如尽可能使机器人作业范围离开危险区域，在机器人硬件与软件设计时避免操作失误等。

         （九）应拟仿真

         手术仿真，就是在医学图像数据基础上建立模拟环境，医生借助虚拟环境中的信 息进行手术计划、手术培训等，对于提高手术定位精度，减小手术损伤，引导手术实施及提高手术成功率等具有十分重要的意义。计算机能够协助医生合理、定基地制定手术方案，选择佳手术路径，以减少手术损伤及时邻近组织的损害；运用虚拟手术 系统可预演手术的整个过程，从而事先发现术中可能遇到的问题，提高手术成功率。 
         对实习医师，可通过虚拟手术系统进行培训，在虚拟手术系统上观察专家的手术过程， 并可以反复练习，从而能够大大地缩短手术培训时间，同叫减少对昂贵实验对象的需求或意外情况的发生。 虚拟仿真主要涉及两种技术。一种是在实际图像上增加虚拟的或不可直视的信息，要求虚拟空间与真实空间保持一致性，在真实三维图像或者监控视频图像上叠加虚拟的手术空间，多用于前文中所述的手术规划与导航步骤；另一种则以虚拟空间为主，可以根据需要对虚拟生成的手术对象进行任意剖分、模拟操作、测量分析，多用于手术训练等应用。另外，借助手术虚拟仿真系统，可与远程专家共享手术各种信息，实 现远程诊断甚至远程手术。