计算机辅助手术系统

计算机辅助手术是近年来在国际上发展迅速的一个领域,它对于确定病灶位置,制定最佳手术方案和保证手术成功等都具有十分重的意义。本文沿着计算机辅助手术的发展轨迹,从系统组成和临床应用两大方面详细介绍了计算机辅助手术系统（CAS）的发展状态,并给出了目前商业化的导航系统,最后对计算机辅助手术的发展作了展望。     

计算机辅助手术系统

计算机辅助手术是近年来在国际上发展迅速的一个领域 ,它对于确定病灶位置、制定最佳手术方案和保证手术成功等都具有十分重要的意义。本文沿着计算机辅助手术的发展轨迹 ,从系统组成和临床应用两大方面详细介绍了计算机辅助手术系统 (CAS)的发展状态 ,并给出了目前商业化的导航系统。最后对计算机辅助手术的发展作了展望。     

外科手术计算机辅助导航技术

外科手术计算机辅助导航即利用计算机图形图像技术对放射影像学资料进行处理 ,重建二维或三维的医学图像模型 ,同时结合各种空间定位技术 ,在医师的双眼、手术工具及患者的头部之间建立一个实时的环路 ,实现手术过程中器械位置的实时或准实时显示。我们综述了外科手术计算机辅助导航系统的发展历史和研究现状 (重点阐述了其系统结构和关键技术 ,包括空间定位技术、图像处理与显示技术、系统配准技术、头部定位技术等 (最后给出了手术导航系统的发展趋势     

计算机辅助导航技术在颈椎病模型前路手术的骨减压效果评估

目的:探讨导航技术用于指导颈椎病模型前路手术减压范围术中判定的可行性和防止椎动脉损伤的操作方法。方法:制备颈椎病的尸体骨赘模型12具,随机分为导航手术组和常规手术组,分别在计算机导航下和常规下进行颈椎前路减压手术,术前术后进行标本的三维CT扫描及重建。CT图像上测量数据,对两组数据进行比较和统计学分析。结果:(1)术前模型骨赘测量数据,两组无明显的差异。(2)椎体后缘骨赘切除比较,两组椎管矢状径恢复率和椎管面积恢复率有明显差异,椎体后缘手术范围偏差有显著差异;钩椎增生骨赘切除比较,两组神经根管面积恢复率和钩椎骨赘水平面切除率有显著差异;钩突切除效果比较,两组钩突切除边界的外缘至横突孔内缘的距离有显著差异。导航组骨减压效果优于常规组。结论:计算机辅助导航技术能够有效指导颈椎病模型前路骨减压范围,并防止椎动脉损伤,与常规手术相比导航手术操作范围更加准确、手术切除更加彻底,有很好的安全性。     

计算机导航技术辅助全髋关节置换的系统分析

背景：传统手术方法依赖术者的经验和目测解剖标志来安置髋臼假体往往会产生偏差,而在术中应用计算机导航技术可以很好地提高髋臼假体位置的精确度。 目的：研究全髋关节置换应用计算机导航系统对髋臼假体植入位置精度的影响及临床意义。 方法：计算机检索Cochrane Library、MEDLINE、EMBASE、中国生物医学文献数据库、中国期刊全文数据库,手工检索相关的中文杂志,纳入符合要求的临床试验,用RevMan5.0.18软件进行统计分析。 结果与结论：共纳入9篇临床试验合计695例。Meta分析结果显示：与传统手术相比,计算机导航技术在全髋关节置换后髋臼假体位置放置更精准超[RR=0.22,95%CI(0.14~0.34),P < 0.000 01]、双下肢不等长较传统手术轻[RR=-4.61,95%CI(-7.74~-1.48),P=0.004];而外展角度[RR=-1.76,95%CI(-5.02~1.50),P=0.29]、前倾角度[RR=-1.28,95%CI(-5.68~3.12),P=0.57]、术后脱位率[RR=1.25,95%CI(0.05~31.66),P=0.89]差异均无显著性意义。提示导航技术与传统手术在髋臼位置的精确度方面差异并无显著性意义。     

计算机辅助种植导航手术在上颌前磨牙区的应用

背景：计算机辅助设计制造的手术导板辅助的不翻瓣种植导航能准确地将种植体植入到术前设计位置,在计算机制造的牙颌模型上手工制作的导板同样能够用在牙槽骨萎缩患者的种植修复中。 目的：观察利用自制导板对骨宽度萎缩的上颌前磨牙缺失患者实施不翻瓣种植导航手术临床效果,评价此种方法的临床应用可行性。 方法：8例可用骨宽度不充足的上颌前磨牙缺失并需要进行种植义齿修复患者共计10颗患牙,平均前磨牙区牙槽骨高度为(13.45±1.67) mm。通过颅颌面CT扫描、三维重建分析以及快速成型模型模拟手术分析,膜片热压成形方法制作手术导板,精确测量种植区域可用牙槽骨长度、宽度、高度及角度。 结果与结论：种植导板固位力合适,取戴方便。与模型模拟手术比较,10颗缺失牙术后种植体植入位置准确,无上颌窦底黏膜穿通、骨壁侧穿、邻牙损伤等并发症,植入手术平均用时为(17.0±5.8) min。除1例患者因上颌窦黏膜下存有断根植入10 mm长种植体外,其余患者种植体植入长度均>13 mm。患者术后仅有轻度肿痛。植入后3~6个月行烤瓷冠修复。提示在种植手术导板的引导下,应用不翻瓣种植导航手术可将种植体准确植入到可用骨宽度不足的上颌前磨牙缺失患者术前预设计位置,表明其在牙槽骨萎缩、可用骨宽度不足患者治疗中具有较为明显的技术优势与广阔的应用前景。     

一种计算机辅助手术方案仿真系统

计算机辅助手术方案仿真（ＣＡＳＳ）系统结合双红外摄像机三维坐标测量技术、体素处理技术、以及各种医学图像的三维显示技术，来进行术前的手术模拟、治疗计划的制订，手术中的手术路径的查找，术后的治疗控制。双红外摄像机三维坐标测量系统检测外科医生手中的强红外光笔以确定其三维坐标，并变换到由序列断层图像重建出的体数据坐标系中，从而进行各种体素处理及三维显示。目前本系统还处于实验室动物试验阶段，其精度可达±１．５ｍｍ。     

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.     

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。     

ISO-C3D计算机辅助导航技术经皮微创内固定治疗髋臼骨折

背景：文献报道采用X射线透视下经皮空心螺钉治疗骨盆髋臼骨折,但其内固定时间长,且患者与医生的放射暴露量大。 目的：评价ISO-C^3D计算机辅助导航微创技术在髋臼骨折治疗中的应用效果。 方法：采用计算机辅助导航下经皮微创内固定治疗骨盆髋臼骨折31例,患者伤后至内固定时间为4-13 d。所有患者随访满1年。 结果与结论：患者内固定治疗中除1例伴有骶髂关节损伤行切开复位内固定患者出血量约300 mL,其余患者平均出血量18 mL。内固定中共置入螺钉42枚,髋臼前柱骨折螺钉24枚,后柱螺钉18枚,所有螺钉均一次性准确置入。平均内固定时间59 min,平均透视时间为39 s。31例患者治疗后1周疼痛明显减轻,均无感染、血管神经损伤、内固定物断裂等并发症发生。至随访结束,摄X射线片示骨折愈合,无螺钉断裂及松动,根据Matta临床评分标准,优23例,良8例,优良率100%。内固定后髋关节功能根据Majeed 评分系统：优22例,良6例,可3例,优良率90%。提示ISO-C^3D计算机辅助导航技术经皮微创内固定治疗可实现坚强内固定,且治疗中创伤小,内固定后并发症较少。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

医学图像计算机辅助诊断数据平台研究

缺乏统一的数据存储模型及相关研究工具,是制约计算机辅助诊断研究中数据、算法等研究成果共享的最主要因素。针对计算机辅助诊断协同研究中的这一问题,提出并构建了用于医学图像计算机辅助诊断协同研究的数据平台。首先对计算机辅助诊断协同研究中的影像数据、过程数据以及“金标准”数据需求进行了分析,提出了统一的数据模型用于数据存储和表示,采用Oracle数据库实现;分析了病例获取、“金标准”标注、分割、特征提取以及算法评估等研究阶段的业务需求,设计并完成了相应的研究工具;最后基于DCMTK采用VC++编程实现了数据平台。数据平台应用于肺癌和脑胶质瘤辅助诊断研究,较好地解决了医学图像计算机辅助诊断研究过程中的数据存储、病例获取、标注、研究结果存储及评估问题,达到了共享研究成果的目的,对提高计算机辅助诊断研究有很好的促进作用。     

医学图像三维重建系统的数据结构表达及表面模型的构建

医学图像三维重建在诊断、放射治疗规划及医学研究中均有着重要应用，本文论述了医学图像三维重建系统程序流程，设计了自动及手工轮廓勾画两种分割方法，并提出了建立了合理的系统数据结构。该数据结构能较好地描述系统数据的层次关系和表达重建的几何模型。对由自动分割和手工勾画出的组织，用MT算法构建其三维表面几何模型 。实现了网格简化的边收缩算法，并对由MT算法生成的表面模型进行了网格简化处理。模型网格经简化90％，依然能较好地保持模型的特征，大大加快了绘制速度。     

基于无网格的软组织切割模型的研究进展

具备支持实时交互能力的软组织切割模型对于虚拟手术仿真系统具有至关重要的意义。传统的软组织切割模型多基于网格建立,将软组织切割过程建模为手术刀具与软组织几何模型之间的网格切割计算,并在此基础上建立和求解生物力学方程以描述切割过程。由于网格切割计算代价高且软组织切割过程中涉及到复杂的生物力学问题,很难实现实时交互,严重影响了虚拟手术仿真效果。与此相反,基于无网格的软组织切割模型打破了网格限制,在触觉/视觉逼真度和实时性方面都具有很大优势。文中从力反馈和视觉反馈的渲染质量和速度等方面,就基于无网格的软组织切割模型的研究现状进行了概述,对存在的问题进行了分析和总结,并对未来的发展方向进行展望。     

腹腔镜手术悬吊系统的设计与仿真分析

目的 基于现有的气腹装置,在低气压的前提下,设计一款用于微创手术的新型悬吊系统,以暴露更多手术视野,便于手术顺利进行。方法 利用Solidworks软件完成悬吊系统的结构设计,并基于有限元仿真分析技术,研究医用不锈钢、钛合金Ti6Al4V、钛合金Ti6Al7Nb和纯钛4种不同夹子制作材料以及尼龙(polyamide-6,PA6)、涤纶、聚丙烯(polypropylene, PP)3种不同中间平面结构制作材料对悬吊系统使用性能的影响。结果 4种不同材料的夹子在夹持组织过程中,组织的形变量均较低,不会出现所夹持组织从夹子中滑脱的现象。就应力而言,选用医用不锈钢材料时,夹子及其夹持组织的应力均最低;对于中间平面结构的制作材料而言,当选取涤纶材料时,在悬吊系统工作过程中,中间平面结构会在外载荷作用下发生破坏;当选用PP材料时,中间平面结构会发生永久变形,且形变量最高,不利于临床手术的进行。结论 选择医用不锈钢作为夹子的制作材料为最佳。不宜选择涤纶作为中间平面结构的制作材料,选择PA6作为中间平面结构的制作材料为最优。     

A Computer Model of Neural Processes Observed in the Cat Motor Cortex during Performance of an Operant Movement

This report describes a computer model of a column in the cat motor cortex. The model includes two layers of two-segment pyramidal neurons with two groups of inhibitory interneurons in each layer, which selectively control the somatic and dendritic segments of the pyramidal cells. In this model, neurons include active sodium, calcium, and several types of potassium currents. Excitatory connections between neurons are of the AMPA and NMDA types, while collateral connections between neurons of the upper layer are mainly of the NMDA type; connections between neurons in the lower layer are of the AMPA type. All inhibitory connections are of the GABA_A type. The model reproduces the main neuronal processes seen in the cat motor cortex during performance of an operant movement. Pyramidal neurons of the upper layer generate primary and secondary responses to external stimuli. As in real experiments, secondary NMDA-dependent responses appear when GABA_A inhibition is weakened and disappear when stimulation is increased; these properties of secondary responses are only reproduced when NMDA receptors are located in the terminals of collateral connections. Using only rapid NMDA-independent connections, neurons in the lower layer generate a slow bell-shaped wave of excitation (a motor command), which is formed by sequential activation of neurons with dendritic trees of different sizes.     

A New Algorithm for Autoregression Moving Average Model Parameter Estimation Using Group Method of Data Handling

A new algorithm for autoregresive moving average (ARMA) parameter estimation is introduced. The algorithm is based on the group method of data handling (GMDH) first introduced by the Russian cyberneticist, A. G. Ivakhnenko, for solving high-order regression polynomials. The GMDH is heuristic in nature and self-organizes into a model of optimal complexity without any a priori knowledge about the system's inner workings. We modified the GMDH algorithm to solve for ARMA model parameters. Computer simulations have been performed to examine the efficacy of the GMDH and comparison of the GMDH is made to one of the most accurate and one of the most widely used algorithms, the fast orthogonal search (FOS) and the least-squares methods, respectively. The results show that in some cases with noise contamination and incorrect model order assumptions, the GMDH performs better than either the FOS or the least-squares methods in providing only the parameters that are associated with the true model terms. © 2001 Biomedical Engineering Society. PAC01: 8710+e     

基于网络的基因芯片数据存储分析系统

基因芯片技术是当前功能基因组研究中十分重要的工具。基于网络的基因芯片数据存储分析系统为基因芯片相关实验提供了实验室信息管理,数据存储和发布,数据分析等功能。文中介绍了该系统的基本组成,并比较了常见的基因芯片数据库和实验室信息管理系统,列举了部分基因芯片数据在线分析系统,并对系统的改进和发展进行了展望。     

支持力反馈的个性化膝关节置换虚拟手术仿真系统的研究与构建

应用传统外科手术培训模式发展的医师队伍无法满足当前日益激增的膝关节病患就医需求,研究构建一套基于虚拟现实和力反馈技术的个性化膝关节置换手术仿真系统。采用医学影像三维重构技术创建膝关节解剖组织几何模型,应用正向CAD参数化建模技术建立手术器械的几何模型,研究三角网格体素化算法,并基于此生成组织和器械的物理体素模型;通过设备接口和虚拟代理点的坐标匹配映射建立手术器械的力触觉模型,AABB包围盒层次树作为碰撞检测模型,空间重叠相交模拟组织的切割变形,基于单点约束的力触觉渲染方法建立组织和器械的虚拟操作过程;以力反馈设备Phantom Omni和计算机为硬件平台,基于触觉引擎CHAI 3D和OpenGL等软件接口,开发构建虚拟膝关节置换手术仿真系统;将专业医学人员体验系统后实际手术操作训练时间与对照组的作比较,并采用问卷调查的形式对系统作出等级评估。结果表明,仿真系统可实现个性化膝关节置换手术沿规划路径钻孔和截骨操作的组织形变和力触觉反馈的仿真模拟,并且系统仿真的实时性能良好,视触觉刷新频率维持在60~1 000 Hz左右;统计结果显示,两组成员的实际手术操作时间存在显著性统计学差异(P< 0.04),问卷结果皆在平均优良水平(8分)之上(P＜0.05)。仿真系统为个性化膝关节置换手术提供一种安全、可靠、有效的医学培训和术前演练方式。     

A Bayesian Spatial Multimarker Genetic Random-Effect Model for Fine-Scale Mapping

Multiple markers in linkage disequilibrium (LD) are usually used to localize the disease gene location. These markers may contribute to the disease etiology simultaneously. In contrast to the single-locus tests, we propose a genetic random effects model that accounts for the dependence between loci via their spatial structures. In this model, the locus-specific random effects measure not only the genetic disease risk, but also the correlations between markers. In other words, the model incorporates this relation in both mean and covariance structures, and the variance components play important roles. We consider two different settings for the spatial relations. The first is our proposal, relative distance function (RDF), which is intuitive in the sense that markers nearby are likely to correlate with each other. The second setting is a common exponential decay function (EDF). Under each setting, the inference of the genetic parameters is fully Bayesian with Markov chain Monte Carlo (MCMC) sampling. We demonstrate the validity and the utility of the proposed approach with two real datasets and simulation studies. The analyses show that the proposed model with either one of two spatial correlations performs better as compared with the single locus analysis. In addition, under the RDF model, a more precise estimate for the disease locus can be obtained even when the candidate markers are fairly dense. In all simulations, the inference under the true model provides unbiased estimates of the genetic parameters, and the model with the spatial correlation structure does lead to greater confidence interval coverage probabilities.     

含肱动脉分支的心血管系统简化模型研究

为了便于建立检测电子血压计准确性的液动装置,应用Matlab中的Simulink仿真工具,建立包含肱动脉分支的简化心血管模型.模型输入为左心室输出血流,由傅里叶拟合得到;动脉系统采用分段集中参数模型,分为主动脉、左锁骨下动脉、肱动脉以及其他动脉分支;通过参数分析,对动脉血压的影响因素进行研究.最终仿真得到的动脉压力波形以及参数分析结果都符合正常生理情况,表明模型的建立是可行的,可为液动装置的搭建提供理论依据.