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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

光学表面成像系统实时运动监测精度研究

目的:探究光学表面成像系统实时运动监测的精度。方法:将30例患者的呼吸曲线输入到模体中模拟呼吸运动, 同时利用Catalyst系统对模体进行实时运动监测,比较系统监测的呼吸曲线与参考曲线,从而得到光学表面成像系统实时 运动监测的精度。结果:光学表面成像系统监测的呼吸曲线与参考曲线具有较高的一致性,相关系数均大于0.99,显著相 关。监测误差的平均值为（0.24±0.04）mm,并且随着呼吸信号频率的增加而减小。结论:光学表面成像系统的实时运动 监测精度较高,可用于对患者呼吸运动的监测。在进行呼吸门控治疗时,应考虑呼吸监测系统引入的误差。     

X线图像引导射频消融系统的研制

目的研制一种用于快速治疗心律失常的X线图像引导射频消融系统。方法通过X射线图像来引导消融导管,确定导管顶端的电极位置,在病灶处放出交电流,实现病灶的消融。并结合了多道电生理记录的功能,在进行消融手术的同时,可以观察和监控病人的电生理状况,保障病人的手术安全。结果一例隐性左侧旁道患者通过系统治疗,经过图像引导的消融后,A波与V波分开,获得了心脏消融的成功。结论通过X线图像的引导并结合多到电生理记录系统的射频消融系统,能有效快速的治疗简单的快速心律失常。     

基于光学体表监控和X射线透视影像的膈肌运动自动跟踪

目的:基于直线加速器的光学体表监控系统和X射线透视影像利用人工智能构建膈肌顶点运动的自动跟踪模型。方法:同步采集7例肝肿瘤患者胸腹部的光学体表运动信息和千伏级X射线透视影像,选取其中3例患者数据利用主成分分析与偏最小二乘回归结合的方法计算不同体表感兴趣区域与膈肌运动的相关系数,选择相关系数最大的体表感兴趣区域作为光学体表监控区。首先,使用全卷积网络模型自动识别透视图像中膈肌顶点的位置;再利用随机森林方法建立体表与膈肌顶点运动的关联模型,基于体表运动信息实时预测膈肌顶点运动轨迹;最后,把自动跟踪的膈肌顶点位置与放疗医生手动勾画位置进行对比,以评估模型精度。结果:3例患者的体表感兴趣区域与膈肌运动的平均相关系数在前后（AP）方向最高达到（0.73±0.01） mm,上下（SI）方向最高达到（0.88±0.01） mm。自动跟踪模型预测结果与手动勾画位置的平均绝对误差和均方根误差SI方向分别为（3.09±0.79） mm和（3.89±0.89） mm,AP方向分别为（1.42±0.43） mm和（1.78±0.46） mm。结论:体表呼吸运动与体内膈肌运动是相关的,在放疗过程中基于光学体表运动信息可以实时跟踪体内膈肌顶点运动,该技术可用于胸腹部肿瘤放疗期间膈肌附近肿瘤的实时及无创运动管理。     

仿活体尸头模型的建立及导航辅助鼻内镜下解剖训练

目的自制仿活体的人尸头解剖模型,利用该模型,进行影像导航辅助鼻内镜下解剖训练,以提高鼻科医生手术技能,加深对影像学的理解。方法首先建立仿活体手术尸头解剖模型。解剖出尸头的颈总动脉及颈内静脉,分别给予仿人体动、静脉血液灌注,使血管内有"血液"充盈。在此模型基础上,影像导航辅助鼻内镜下进行鼻腔、鼻窦及前颅底解剖,首先对各解剖标志进行定位,辨认;当动脉解剖暴露时,可见血管内有血液充盈,受到损伤时,有血液喷出,在此情形下,可进行止血训练,比较接近真实的手术情景。结果 (1)通过对人尸头颈部血管灌注,建立仿活体手术尸头解剖模型。(2)仿活体手术尸头解剖训练达到了接近活体的术野情景。(3)解剖定位准确,加深对影像学的理解。结论仿活体手术尸头解剖模型的建立及影像导航辅助鼻内镜下解剖训练为鼻内镜下解剖训练提供了更加真实有效的方式。     

A head-holder for visually guided surgery in rats

A design is presented for a head-holder which allows rapid adjustment of head position. The head is held firmly, by earbars and an incisor bar with a nose clamp; however, by loosening a single clamping bolt, the orientation of the head can be instantly adjusted and reset. The design is such as to allow optimum access to the head, to permit visually guided surgery to be carried out on the brain: the design is not suitable for stereotaxic surgery. The essential design feature is the use of a universal ball joint to support the head-holder. Detail photographs, overall views and text are presented to demonstrate the construction and modus operandi of the apparatus. The design is intended for use with rats, but the basic principle may be applied to other species.     

计算机导航中髋臼杯角度设定的可行方法及其精确性验证

目的:分析计算机导航对人工髋关节臼杯置入角度设定的可行性方法并评估其精确性.方法:将CT扫描资料进行计算机三维影像重建,并进行虚拟像与真实骨盆间匹配对应,在虚拟空间中,确立骨盆冠状、矢状、水平及前倾平面,并以此为基准进行计算机导航辅助下多角度设定的臼杯置入,由角度测量仪对臼杯置入角度的精确性进行测量验证.结果:导航辅助臼杯外展角置入,设定值与真实值间差异(0.46±1,53)°;对于臼杯前倾角,差异(0.79±1.37)°.两次独立操作所得结果作配对t检验,臼杯外展及前倾角均无显著性差异(t外展=1.15,t前倾=1.14,P>0.05).结论:研制的基于CT影像资料的计算机导航可有效的设定臼杯假体置入角度,精确地引导臼杯置入.     

Image-guided surgery and medical robotics in the cranial area

Surgery in the cranial area includes complex anatomic situations with high-risk structures and high demands for functional and aesthetic results. Conventional surgery requires that the surgeon transfers complex anatomic and surgical planning information, using spatial sense and experience. The surgical procedure depends entirely on the manual skills of the operator. The development of image-guided surgery provides new revolutionary opportunities by integrating presurgical 3D imaging and intraoperative manipulation. Augmented reality, mechatronic surgical tools, and medical robotics may continue to progress in surgical instrumentation, and ultimately, surgical care. The aim of this article is to review and discuss state-of-the-art surgical navigation and medical robotics, image-to-patient registration, aspects of accuracy, and clinical applications for surgery in the cranial area.     

Evaluation of a scoring system for predicting lymph node malignancy in ultrasound guided fine needle aspiration practice

Ultrasound‐guided fine needle aspiration (USG‐FNA) has enabled cytopathologists to accurately diagnose smaller or non‐palpable lymph nodes (LN) on a regular basis. Pre‐FNA clinical and ultrasonographic factors, such as a patient's age, ratio of short to long axis diameter (S/L ratio), internal echogenicity, and the vascular pattern of a LN, are reported to be able to predict the benign or malignant nature of a LN. This study is designed to test the formula “0.06 × (age) + 4.76 × (S/L ratio) + 2.15 × (internal echo) + 1.80 × (vascular pattern)” generated from the study of Liao et al. as a scoring system for predicting LN malignancy in a cytopathologist operated USG‐FNA practice. Eighty‐three reports of USG‐FNA of LNs issued between 7/1/2008 and 4/28/2010 were reviewed. Patient's age, S/L ratio, internal echo, and vascular pattern were used to generate scores based on the aforementioned formula. A score of seven was used as a cutoff for predicting benign (<7) and malignant (>7) LNs. FNA cytology diagnosis, flow cytometric analysis as well as subsequent surgical diagnosis in some cases served as gold standard for statistical analysis. Among 46 USG‐FNA of LNs with scores > 7, 38 were malignant and eight were benign. All 37 USG‐FNA of LNs with scores < 7 were proven to be benign. The scoring system achieved 100% sensitivity, 82% specificity, 83% positive predictive value, 100% negative predictive value, and 90% accuracy. Further study of the eight “false‐positive” cases revealed that three of them (37.5%) were found to be malignant in follow‐up FNA and/or surgical biopsy. This scoring system may serve as a complementary tool in determining how aggressive a FNA procedure should be performed, how a FNA sample of LN should be triaged for ancillary study, and how closely a patient with lymphadenopathy should be followed up. Diagn. Cytopathol. 2013;41:1100–1106. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.     

锥形束CT图像引导乳腺癌放疗中不同配准方法研究

目的：比较锥形束CT(CBCT)图像引导乳腺癌放疗中采用不同配准方法[3D配准（平移）和6D配准（平移+旋转）对配准精度的影响,为选择合理的图像引导方法提供临床依据。方法：回顾性分析18例乳腺癌患者共101次治疗前摆位CBCT图像,将CBCT图像与计划CT图像分别采用3D灰度配准和6D灰度配准方法进行配准,比较和分析两种配准方法的3D平移方向的配准偏差差异并计算其平移差别,进一步统计分析旋转角度偏差与平移差别的相关性并做线性模拟。结果：3D和6D两种配准方法得到不同的平移配准结果,其中在头脚（Y）方向[（-1.47±3.00）mm vs(-0.87±3.27)mm]和前后（Z）方向[（-2.91±4.49）mm vs(-3.41±5.38)mm]的差异存在统计学意义（P<0.001）。旋转角度偏差与平移差别存在相关性,其中ΔX和ΔZ均与Ry呈线性强相关性,其相关系数PCC分别为-0.883和0.795(P<0.001);ΔY与Rx呈线性强负相关性,PCC=-0.722(P<0.001)。根据线性模拟公式计算,当Rx>1°且Ry>2°时,两种配准方法将在各平...