外科手术导航系统课件

第五章

外科手术导航系统第五章

外科手术导航系统15.1概述神经系统疾病病灶位于脑内深部、周围重要解剖结构、血管神经包绕。手术需开颅，使患者脑组织暴露出来。精确度高、难度大。病灶组织的位置和大小的判断完全凭医生对二维图象的理解，医生的主观经验起决定作用。无法处理大脑深部的病变。立体定向脑外科手术：在颅骨钻一小孔，在定位系统引导下将探针引如脑内，对病灶点进行活检、放疗、切除等操作5.1概述神经系统疾病病灶位于脑内深部、周围重要解剖结构2背景：计算机图象与图形的迅速发展，为医学图象处理提供了强有力的工具探测技术的发展医生可以获得越来越多的患者的医疗数据，但仅基于CT或MRI图象进行病例分析、诊断和手术规划，已经很难精确完成许多诸如脑神经外科等复杂的外科手术。一些精细手术难以用常规方法完成，利用机器人可以完成手术部位的精确定位，实现手术的最小损伤。背景：计算机图象与图形的迅速发展，为医学图象处理提供了强有力3起源与发展1906年，英国伦敦皇家医院的DR.Clarke和Horsely利用脑三维定向仪成功地进行了动物脑定向技术。1986年Stanford医学院的Dr.Roberts最早将立体导航系统用于临床。1988年美国Kwoh用PUMA260机器人为52岁老人脑活检。IBM东京研究所开发CLIPSS系统。包括图像分割、三维重构、可视化、手术模拟及放疗模拟和神经外科手术规划等功能。德国CAS系统为颅底外科手术制定规划和术后治疗提供帮助。起源与发展1906年，英国伦敦皇家医院的DR.Clarke和45.2立体定向神经外科手术传统脑神经外科手术需要打开病人颅骨对位于大脑深部的病变无法处理病人康复时间长被感染的机会增加立体定向脑神经外科手术无需开颅，只要在颅骨上钻一个小孔定位系统引导下将外科器件引入脑内进行手术病人痛苦减少安全，康复时间短5.2立体定向神经外科手术传统脑神经外科手术55.2立体定向神经外科手术（续）定向手术成功的条件准确识别组织和病灶确定正确的穿刺路径和穿刺点在患者头部精确定位传统框架立体定向脑神经外科手术在扫描图像中规划通过框架定位5.2立体定向神经外科手术（续）定向手术成功的条件65.2计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助手术系统的特色采用标记点定位,抛弃了框架三维脑部模型显示和手术规划机械臂导航和手术支持基于虚拟现实的手术培训和教学5.2计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助手术系统的特色7计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助立体定向神经外科手术系统集中了多种计算机图形图像技术。包含有二维医学图象处理、三维体模型和表面模型的重构、显示以及漫游等功能。在计算机中三维模型的引导下利用机械臂进行手术路径的导航和手术操作的支持。通过虚拟现实设备，系统同时提供一个虚拟手术环境，对医生起到培训和教学的作用。计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助立体定向神经外科手术系统8计算机辅助神经外科手术系统的结构

计算机辅助神经外科手术系统是综合了多种技术的多功能手术支持平台，包括五大部分：扫描数据处理三维数据可视化手术规划及导航手术支持虚拟现实计算机辅助神经外科手术系统的结构 计算机辅助神经外科手术系统9计算机辅助神经外科手术系统的组成可移动的计算机图形工作站。底座固定在手术室天花板上的智能机械臂，以及与之相连的手术显微镜、内窥镜。一套分别安装在机械臂底座、手术头架和显微镜上的红外线信号发射与接收系统。 以上三部分用同轴电缆相连计算机辅助神经外科手术系统的组成可移动的计算机图形工作站。10CT/MRI数据病灶轮廓构勒脑部体模型和表面模型三维可视化显示与交互操作手术规划手术导航和支持培训和手术模拟病人机械臂计算机辅助立体定向神经外科手术系统结构图CT/MRI数据病灶轮廓构勒脑部体模型和表面模型三维可视化显11脑部模型的重构和可视化显示采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病灶组织和重要组织轮廓由轮廓线重构病灶和其他组织的表面模型使用体模型和面模型混合绘制脑部三维模型提供多角度,多深度和任意剖面的显示脑部模型的重构和可视化显示采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病12图例系统半自动提取的颅骨轮廓(图中红线所示)实际手术中由医生勾勒的病灶轮廓(图中红线所示)图例系统半自动提取的颅骨轮廓(图中红线所示)实际手术中由135.3术前规划通过对模型的多角度观察，医生可以对患者脑部任意位置的状况有一个清楚的了解。医生可以通过系统提供的模型清楚的“观察”病人的脑组织情况，在模型上进行手术规划和验证，以确定手术的具体方案。根据各种参数调整手术规划方案，使穿刺点尽量位于病灶的中心,使规划中的穿刺路径尽量避开重要的组织和神经，确保患者的安全和手术的成功。5.3术前规划通过对模型的多角度观察，医生可以对患者脑部任14术前规划(图中紫线为规划的穿刺路径),左上,左下,右上图是模型三个剖面图,右下为病灶组织的三维结构(红色)术前规划(图中紫线为规划的穿刺路径),左上,左下,右上图15病人脑部病灶的三维表面模型(图中黄线为规划穿刺路径)病人脑部病灶的三维表面模型(图中黄线为规划穿刺路径)165.4基于标记点的手术校准完成模型到患者的头部正确的映射，必须实现两个条件:在患者的头部建立一个参照坐标系可以在这个坐标系中精确的定位系统采用标记点建立患者头部的参照坐标系克服了框架结构的缺点需要辅助的定位设备5.4基于标记点的手术校准完成模型到患者的头部正确的映射，17系统模型与患者头部的映射固定在患者头部的标记点(红色箭头所指)头部的标记点在CT图像中的成像(红色箭头所指)

系统模型与患者头部的映射固定在患者头部的标记点(红色箭头所指18系统模型与患者头部的映射患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标系头部空间的任意一点的位置M都可以一个仿射坐标（x，y，z）唯一确定模型坐标与患者头部坐标的映射可以用一个变换矩阵表示。系统模型与患者头部的映射患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标19系统模型与患者头部的映射模型中任意位置与患者头部位置的映射矩阵及映射公式系统模型与患者头部的映射模型中任意位置与患者头部位置的映射矩20机械臂与患者头部的校准无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航工具机械臂任何动作都是在其自己独立的坐标系中完成和计算的要精确定位，必须得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射关系机械臂与患者头部的校准无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航21无动力无自由度机械臂无动力无自由度机械臂22机械臂与患者头部的校准患者头部固定后，医生操纵机械臂依次接触患者头部的标记点得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射矩阵机械臂与患者头部的校准患者头部固定后，医生操纵机械臂依次接触235.5手术导航和手术支持模型中的手术规划转化为机械臂坐标机械臂的任何运动映射到模型上，指导机械臂的进一步运动机械臂到达预定位置，予以锁定，通过安装在机械臂上的手术器械进行手术5.5手术导航和手术支持模型中的手术规划转化为机械臂坐标24机械臂在模型中的映射(图中黄线为机械臂前臂的中轴,紫线为规划穿刺路径)机械臂在模型中的映射(图中黄线为机械臂前臂的中轴,紫线为规划25利用机械臂上安装的手术器械排出患者脑中的囊液利用机械臂上安装的手术器械排出患者脑中的囊液26基于虚拟显示的手术培训建立虚拟手术环境的必要性在立体定向手术中，医生不能直接观察到患者的脑部组织，因此医生必须熟练掌握该系统建立虚拟手术环境的基本条件虚拟场景，虚拟患者立体显示设备空间定位设备基于虚拟显示的手术培训建立虚拟手术环境的必要性27虚拟手术虚拟病人利用网上共享的医疗资料和真实患者的扫描数据虚拟手术按照实际手术操作以机械臂作为空间定位设备可以在人脑内部进行漫游虚拟手术虚拟病人28虚拟手术场景虚拟手术试验虚拟手术场景虚拟手术试验29虚拟手术中的场景显示虚拟病人脑组织剖面的放大显示虚拟手术中的场景显示虚拟病人脑组织剖面的放大显示30试验与分析系统误差小于3.0mm误差产生的原因机械误差扫描数据的误差图像处理的误差使用该系统，已经成功了进行了100多例立体定向脑外科手术试验与分析系统误差小于3.0mm31第五章

外科手术导航系统第五章

外科手术导航系统325.1概述神经系统疾病病灶位于脑内深部、周围重要解剖结构、血管神经包绕。手术需开颅，使患者脑组织暴露出来。精确度高、难度大。病灶组织的位置和大小的判断完全凭医生对二维图象的理解，医生的主观经验起决定作用。无法处理大脑深部的病变。立体定向脑外科手术：在颅骨钻一小孔，在定位系统引导下将探针引如脑内，对病灶点进行活检、放疗、切除等操作5.1概述神经系统疾病病灶位于脑内深部、周围重要解剖结构33背景：计算机图象与图形的迅速发展，为医学图象处理提供了强有力的工具探测技术的发展医生可以获得越来越多的患者的医疗数据，但仅基于CT或MRI图象进行病例分析、诊断和手术规划，已经很难精确完成许多诸如脑神经外科等复杂的外科手术。一些精细手术难以用常规方法完成，利用机器人可以完成手术部位的精确定位，实现手术的最小损伤。背景：计算机图象与图形的迅速发展，为医学图象处理提供了强有力34起源与发展1906年，英国伦敦皇家医院的DR.Clarke和Horsely利用脑三维定向仪成功地进行了动物脑定向技术。1986年Stanford医学院的Dr.Roberts最早将立体导航系统用于临床。1988年美国Kwoh用PUMA260机器人为52岁老人脑活检。IBM东京研究所开发CLIPSS系统。包括图像分割、三维重构、可视化、手术模拟及放疗模拟和神经外科手术规划等功能。德国CAS系统为颅底外科手术制定规划和术后治疗提供帮助。起源与发展1906年，英国伦敦皇家医院的DR.Clarke和355.2立体定向神经外科手术传统脑神经外科手术需要打开病人颅骨对位于大脑深部的病变无法处理病人康复时间长被感染的机会增加立体定向脑神经外科手术无需开颅，只要在颅骨上钻一个小孔定位系统引导下将外科器件引入脑内进行手术病人痛苦减少安全，康复时间短5.2立体定向神经外科手术传统脑神经外科手术365.2立体定向神经外科手术（续）定向手术成功的条件准确识别组织和病灶确定正确的穿刺路径和穿刺点在患者头部精确定位传统框架立体定向脑神经外科手术在扫描图像中规划通过框架定位5.2立体定向神经外科手术（续）定向手术成功的条件375.2计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助手术系统的特色采用标记点定位,抛弃了框架三维脑部模型显示和手术规划机械臂导航和手术支持基于虚拟现实的手术培训和教学5.2计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助手术系统的特色38计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助立体定向神经外科手术系统集中了多种计算机图形图像技术。包含有二维医学图象处理、三维体模型和表面模型的重构、显示以及漫游等功能。在计算机中三维模型的引导下利用机械臂进行手术路径的导航和手术操作的支持。通过虚拟现实设备，系统同时提供一个虚拟手术环境，对医生起到培训和教学的作用。计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助立体定向神经外科手术系统39计算机辅助神经外科手术系统的结构

计算机辅助神经外科手术系统是综合了多种技术的多功能手术支持平台，包括五大部分：扫描数据处理三维数据可视化手术规划及导航手术支持虚拟现实计算机辅助神经外科手术系统的结构 计算机辅助神经外科手术系统40计算机辅助神经外科手术系统的组成可移动的计算机图形工作站。底座固定在手术室天花板上的智能机械臂，以及与之相连的手术显微镜、内窥镜。一套分别安装在机械臂底座、手术头架和显微镜上的红外线信号发射与接收系统。 以上三部分用同轴电缆相连计算机辅助神经外科手术系统的组成可移动的计算机图形工作站。41CT/MRI数据病灶轮廓构勒脑部体模型和表面模型三维可视化显示与交互操作手术规划手术导航和支持培训和手术模拟病人机械臂计算机辅助立体定向神经外科手术系统结构图CT/MRI数据病灶轮廓构勒脑部体模型和表面模型三维可视化显42脑部模型的重构和可视化显示采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病灶组织和重要组织轮廓由轮廓线重构病灶和其他组织的表面模型使用体模型和面模型混合绘制脑部三维模型提供多角度,多深度和任意剖面的显示脑部模型的重构和可视化显示采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病43图例系统半自动提取的颅骨轮廓(图中红线所示)实际手术中由医生勾勒的病灶轮廓(图中红线所示)图例系统半自动提取的颅骨轮廓(图中红线所示)实际手术中由445.3术前规划通过对模型的多角度观察，医生可以对患者脑部任意位置的状况有一个清楚的了解。医生可以通过系统提供的模型清楚的“观察”病人的脑组织情况，在模型上进行手术规划和验证，以确定手术的具体方案。根据各种参数调整手术规划方案，使穿刺点尽量位于病灶的中心,使规划中的穿刺路径尽量避开重要的组织和神经，确保患者的安全和手术的成功。5.3术前规划通过对模型的多角度观察，医生可以对患者脑部任45术前规划(图中紫线为规划的穿刺路径),左上,左下,右上图是模型三个剖面图,右下为病灶组织的三维结构(红色)术前规划(图中紫线为规划的穿刺路径),左上,左下,右上图46病人脑部病灶的三维表面模型(图中黄线为规划穿刺路径)病人脑部病灶的三维表面模型(图中黄线为规划穿刺路径)475.4基于标记点的手术校准完成模型到患者的头部正确的映射，必须实现两个条件:在患者的头部建立一个参照坐标系可以在这个坐标系中精确的定位系统采用标记点建立患者头部的参照坐标系克服了框架结构的缺点需要辅助的定位设备5.4基于标记点的手术校准完成模型到患者的头部正确的映射，48系统模型与患者头部的映射固定在患者头部的标记点(红色箭头所指)头部的标记点在CT图像中的成像(红色箭头所指)

系统模型与患者头部的映射固定在患者头部的标记点(红色箭头所指49系统模型与患者头部的映射患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标系头部空间的任意一点的位置M都可以一个仿射坐标（x，y，z）唯一确定模型坐标与患者头部坐标的映射可以用一个变换矩阵表示。系统模型与患者头部的映射患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标50系统模型与患者头部的映射模型中任意位置与患者头部位置的映射矩阵及映射公式系统模型与患者头部的映射模型中任意位置与患者头部位置的映射矩51机械臂与患者头部的校准无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航工具机械臂任何动作都是在其自己独立的坐标系中完成和计算的要精确定位，必须得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射关系机械臂与患者头部的校准无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航52无动力无自由度机械臂无动力无自由度机械臂53机械臂与患者头部的校准患者头部固定后，医生操纵机械臂依次接触患者头部的标记点得到机械