手术导航中定位跟踪系统精度问题的研究

手术导航中的重要工作是对人体与手术器械的相对位置进行测量,因此定位跟踪系统的精度影响整个手术导航过程,评估定位跟踪系统的精度具有很重要的意义.本文观察了器械状态、测量环境和使用方式对测量精度的影响,研究了造成手术器械定位误差的原因,并探讨了提高定位精度的方法.     

手术导航中精度问题的研究

手术导航系统由立体定位和图像配准两部分组成,整个系统的精度取决于术前多模医学图像数据重建所得的虚拟空间和术中实际空间匹配效果的好坏.系统精度由定位系统的精度和图像配准的精度两部分组成.术中的配准精度有依赖于立体定位系统的精度,定位精度是影响整个系统精度的重要因素.最后,文中给出了影响手术导航各种的误差源.     

新一代Aurora电磁跟踪系统在手术导航中的应用

目的针对临床介入手术中的手术“盲区”,以及微创手术中更精准的手术导航需求,本文采用新一代Aurora电磁跟踪技术以辅助手术导航。方法采用Aurora电磁跟踪系统,与含金属材料的手术环境相匹配,利用系统自带的控制软件及其配备的SDK（二次开发包）,笔者使用VC编程语言编写了一套适合临床手术导航的实时显示系统,并在荆州市第一人民医院进行了性能测试和对比实验。结果Aurora电磁跟踪系统的手术定位精度从cm级提高为mm级,导航精度的平均值小于2mm,且可供用户二次开发软件包,编程操作自由方便,与手术器械组合灵活,易于实现手术的智能导航。结论验证了Aurora电磁跟踪系统的优越性能及其在手术导航中的意义,提高了手术导航的准确度和可控性,为临床工作提供了更广阔的应用空间。     

基于电磁跟踪的经数字减影血管造影手术导航

目的 为满足介入手术和微创手术中更精准的手术导航需求,采用Aurora电磁跟踪技术辅助手术导航,通过与各种手术器械自由组合,进一步解决手术中遇到的各种难题。方法 采用Aurora电磁跟踪系统,与含有金属材料的医疗手术环境相匹配,利用电磁跟踪系统自带的控制软件,使用其配备二次开发包的VC编程语言编写一套适合临床手术导航的实时显示系统,并在医院不同的医学手术导航应用中进行性能测试和对比实验,测量跟踪系统的精确程度,统计各种手术器械分别对应不同手术应用的对照表。 结果 在介入手术中,随机选取160名冠状动脉造影患者,其中80名采用经数字减影血管造影（DSA）下电磁跟踪作为实验组,80名只使用DSA辅助作为对照组,结果发现实验组造影剂用量明显减少,操作时间明显缩短,介入手术操作可控度的成功率从95%提高到99%。 结论 通过对比实验,证明Aurora电磁跟踪技术明显提高了手术的定位精度,导航精度的平均值小于2 mm,在介入手术和微创手术方面,可以大大减轻病人痛苦,降低医疗风险,保障医疗安全,提升医院手术技术水平。     

ACL导航手术中实时曲面重建问题研究

针对ACL导航手术中以光学定位仪测量方式得到的三维散乱数据云为基础,实时重建植入物的胫骨和股骨附着面及可能产生碰撞的部分滑车面.该方法在手术中可帮助医生判断附着面的合适位置及是否可能发生碰撞的滑车面的位置.大量的实际模拟结果表明,该方法避免了线性插值方法的缺点,在实际应用中更为有效.     

手术导航中人体标志点注册方法和注册精度研究

手术导航IGS(Image guided surgery)指医生在术前获取患者的三维图像模型,术中根据模型引导进行手术治疗的过程.我们介绍了手术导航系统的组成和工作流程,分析了导航系统中,把患者实际体位和模型中虚拟位置精确配准的注册流程和原理,由于注册的精度直接影响着整个导航系统的精度,所以文章着重对注册算法的精度,可行性和鲁棒性进行研究.并结合实际临床导航手术的需求,分析了注册标志点数目和位置等因素对导航精度的影响.     

一种基于FPGA的手术导航定位系统的硬件加速方法

光学定位系统是手术导航设备中的核心部件,本文针对基于FPGA自行研制的红外光学定位跟踪系统设计了几种硬件加速方法.使用SoPC作为计算单元的原有系统能够达到亚毫米级别的定位精度,但是定位跟踪速率不足,无法满足实际应用需求.为克服SoPC计算能力较弱的问题,本文使用浮点数自定义指令集、紧密耦合寄存器 （TCM） 和多核处理等几种硬件加速方法,使红外光学定位跟踪系统的三维重建速度获得了明显的提升,实验数据表明速度提升18倍.硬件加速之后的系统性能可以支持高达32个标志点以60fps帧率进行的实时定位和跟踪,满足手术导航系统对运动跟踪速率的要求.     

基于数据包络分析的股骨颈手术机器人导航系统临床有效性分析

目的 利用数据包络分析法(data envelopment analysis,DEA)对已开发的机器人导航系统在股骨颈空心钉内固定手术中的临床有效性进行评估,为定量评估机器人导航系统的临床效率提供支持.方法 该机器人导航系统利用双平面定位算法,根据两张术中透视图像计算手术路径的空间位置和方向,并应用一种新型的串并混联结构的机器人引导医生沿着计算好的手术路径完成手术操作.有机器人系统辅助和没有机器人系统辅助的临床手术被建模成决策单元(decision making units,DMU),其中应用机器人导航系统辅助的手术病例25例作为实验组,传统方式完成的25例病例作为对照组.选取C2R模型进行DEA有效性的计算,采用对偶规划模型中的效率指数V作为判断DMU是否DEA有效的标准,V=1则DEA有效,V＜1则非DEA有效.结果 机器人辅助手术的效率指数V计算结果是1,传统手术的结果是0.986 338 8.依据DEA模型定义证明有机器人辅助的手术相对高效.结论 基于DEA的评估证明此机器人导航系统确实可以提高临床手术效率.     

神经外科导航手术的护理配合

神经导航系统是近年来神经外科领域出现的一门新技术，它把病人术前的影像学资料和术中病人手术部位的实际位置通过高性能计算机紧密联系起来，能准确显示神经系统解剖结构及病灶的三维空间与毗邻关系，神经外科导航手术与普通颅脑手术相比，有开颅后手术时间短、准确性高、创伤小、术后并发症少的优点。我院神外科引进国产神经导航系统，自2006年8月至12月，应用于15例颅脑手术，术中护理配合效果满意，现将护理配合要点及体会总结如下。     

基于术中CT自动配准的主动红外线光学导航系统精度影响因素分析

目的 评估常见临床因素对术中基于CT自动配准的主动红外线光学导航系统临床精度的影响。方法 在临床手术室环境下,以腰椎等比例Sawbone模型作为体模,采用标准手术体位和设备位置,以3D NAV导航系统的术中CT自动配准导航模式模拟临床导航操作验证多种临床因素对导航精度的影响。模型表面嵌入多枚钛合金标记珠,使用导航软件分别测量钛珠在CT图像中和导航系统中的坐标,计算坐标距离作为导航临床精度。然后在无影灯照射、手术床位姿、导航相机位姿三种临床因素下测量导航临床精度,并与初始状态的精度比较。结果 初始状态导航临床精度为0.64 mm±0.30 mm;无影灯照射手术区后,导航临床精度为0.63 mm±0.25 mm;手术床降低10 cm和左倾15°时,导航临床精度分别为0.61 mm±0.21 mm和0.63 mm±0.21 mm;相机分别向左侧和向上旋转到示踪器恰好可见的位置时,导航临床精度分别为0.65 mm±0.30 mm和0.62 mm±0.21 mm;相机分别移动到距示踪器1 m和2 m的位置时,导航临床精度分别为0.64 mm±0.24 mm和0.67 mm±0.28 mm。在各因...     

介入式诊疗器件的三维定位系统研究

为了解决介入式诊疗器件的定位问题,提出了利用电磁定位系统的设计方法。根据三维电磁定位的原理,推导出了相应的数学模型,介绍了系统软硬件的具体实现方法,给出了实验结果并对结果进行了分析。实验结果表明,该方法具有可行性,在3～30 cm的范围内定位误差在3 cm以内,并且具有较好的抗干扰能力。     

手术导航系统中器械的可视化与实时跟踪

为了在外科手术导航系统中实现手术器械的可视化与实时跟踪，形成了一种从器械模型的建立到实时跟踪的方法。应用三维实体造型技术或反求技术构建手术器械的模型，完成实体几何模型向三维表面模型的转化，并进行器械的定位标定与精度测试。术中应用ICP算法实现CT模型与患者位置的空间配准，根据术前标定的位置与方向实时准确地跟踪手术器械的空间位置并在系统中显示，实现器械的可视化与实时跟踪。器械模型的建立为手术导航系统中器械的可视化与实时跟踪奠定了基础，对于提高手术的可靠性与准确性具有重要的作用。     

计算机辅助口腔种植手术实时导航系统的研究与实现

讨论了计算机辅助口腔种植手术实时导航系统IGOIS的几大关键技术,包括采用Marching Cubes算法与大规模三角网格简化算法实现医学图像三维重建;采用计算机图形图像学技术开发口腔种植手术规划软件模块;制作聚丙烯树脂模板,并采用ICP算法实现点对点转换的无创配准功能;采用Visual C 及VTK为开发工具开发完成IGOIS实时导航软件系统等.最后以一例患者的快速原型模型为实验对象,完成了口腔种植手术导航实验,结果表明该系统可指导临床医生在复杂条件下植入种植体,对于提高种植手术质量与精度,具有重要意义.     

手术导航系统中的数据通信与实时跟踪方法研究

为了通过串口使光学定位跟踪系统与基于图像的手术导航软件之间保持良好的数据通信,本文在Visual C6.0平台下,通过调用WinAPI函数进行串口通信程序设计,完成对串口数据读取、提取和解析,进一步研究手术器械相对于患者坐标系位置的计算方法,运用ICP算法完成CT模型与患者空间位置配准,实现手术中对手术器械的实时跟踪。经临床手术的实际效果证明,本系统具有良好的鲁棒性、实时性和可靠性,满足临床手术要求。     

膝关节置换手术导航系统精度测量方法及实现

目的：设计并实现了一种膝关节置换手术导航系统精度的精确检测方法,可对膝关节置换手术导航系统的参数进行测量与定量分析。方法：检测系统采用激光跟踪仪、定位靶球和骨锯模拟工装采集导航系统的定位平面空间坐标,依据定位靶球的空间位置计算得到导航系统的定位精度,实现了导航系统精度的精确检测。结果：本检测方法在某品牌的膝关节置换手术导航系统上进行了多次实验与分析,计算得到导航系统的定位位置准确度、定位位置重复性、定位姿态准确度、定位姿态重复性等检测数据,并对检测数据进行有效性分析。结论：本检测方法操作简洁,可重复性高,检测数据准确,可有效帮助技术人员完成导航系统的定位精度检测工作。     

医学图像配准在手术导航中的应用

目的：针对外科手术导航中的需求，研究实现了二维医学图像和三维体数据的配准。方法：利用DRR模拟图像与真实图像比较，互信息量作为目标函数，参数寻优采用Powell算法，实现2D～3D医学图像的刚性配准。结果：配准误差在0．1～5度之间。结论：DRR图像影响配准精度，误差难以避免。     

影像导航计算机辅助手术系统中的空间数据结构模型研究

影像导航计算机辅助手术系统（ICAS）是一种为术者提供术野周围重要解剖结构信息的辅助工具，可提高手术安全性和成功率。合理的空间数据结构模型是确保ICAS实现导航功能的关键因素之一。本研究提出了组合邻接表线索化八叉树模型（MALTO），并就基本操作的可实现性和实时性，分析比较了MALTO与4种常用模型的性能。研究结果表明：MALTO不但可以实现数据查找、搜索和计算等基本操作，且具有时间效率优势。因此，MALTO是适合于ICAS的空间数据结构模型。     

骶髂关节螺钉手术导航机器人系统设计及实验研究

目的 针对骶髂关节螺钉手术设计手术导航机器人系统,完成空间定位和路径导航,开展精度测试实验,检测系统定位的位置误差和角度误差.方法 本文开发手术导航机器人系统,利用基于透视视觉的双平面定位算法完成空间定位,利用串并混联结构的机器人完成路径导航.使用模型骨和尸体骨共完成模拟手术实验16例,通过术前规划与术后结果图片的重叠来评价手术导航机器人的系统精度.结果 本机器人系统最终测得的位置误差为(1.91±1.15)mm,角度误差为1.88°±0.915°.结论 本文开发的手术导航机器人可提高手术精度和手术安全性,并减少术中透视的使用.系统的平均误差能够满足骶髂关节手术的要求,但误差的标准差较大,需在后续研究中通过算法和系统优化来改善.     

天玑骨科手术机器人高精度工作区域研究

目的 研究天玑骨科手术机器人的高精度工作区域,提高机器人辅助手术精度。方法 设置天玑骨科手术机器人的光学导航系统位置,使其与精度测试模型所处实验平面垂直距离保持1.5 m,以精度测试模型所处位置为工作区域中心O,建立以O点为原点的平面直角坐标系,在平面内缓慢移动精度测试模型,当其刚好不能被光学导航系统追踪时记为到达工作区域边界,记录边界范围。使用三坐标测量仪测量原点O与边界间不同位置点的机器人定位精度,并比较不同位置点间的精度差异。结果 天玑骨科手术机器人在光学导航系统距离手术区域1.5 m时的工作区域为长1 263 mm、宽878 mm的长方形。机器人在各象限中心点间的定位精度无统计学差异(P=0.13),但定位精度距离视野中心距离增加将导致定位精度降低(H=103.39,P<0.001),箱式图对比分析发现当操作位置距离视野中心距离大于400 mm时精度显著变差。结论 天玑骨科手术机器人的工作区域为长方形,应尽量保持手术区域位于视野中心400 mm范围内,从而获得更稳定的手术精度。     

基于C形臂手术导航系统中校准靶的改进设计

现有基于C形臂手术导航系统中校准靶存在诸多缺点, 我们基于广义映射原理对校准靶进行了改进设计.介绍了设计方法学、进行了校准靶设计分析并给出了具体设计结果.改进设计后的校准靶可降低校准靶的制作难度与成本,提高整个手术导航系统的运行效率,提高用于导航图像的质量.新设计与现有校准靶相比综合较优,具有可行性,新设计校准靶已经投入加工.