· 综述 ·

    计算机辅助的虚拟透视技术及其在骨科

    临床上的应用

    蒋欣

    作者单位:200093 上海理工大学医疗器械学院

    随着计算机技术的迅速发展及可视化技术的

    飞速进步 ,各种影像资料被直接应用于临床治疗过

    程中 ,出现了计算机辅助手术(comp uter assisted

    surgery , CAS , 也称为影像导航手术)这一崭新的

    领域。CAS是一种基于计算机对大量数据信息的

    高速处理及控制能力 ,通过虚拟手术环境为外科医

    师的技术提供支援 ,使手术更安全、 更准确的一门

    新技术[1 ]。CAS在骨科手术中的具体应用称为计

    算机辅助骨科手术(comp uter assisted ort hopedic

    surgery ,CAOS) ,也称骨科导航手术。它综合了当

    今医学领域的先进设备 ,利用 CT、 MRI、 正电子发

    射断层摄影术( PET) 、 数字减影血管造影(DSA)

    等的图像信息 ,并结合立体定位系统,对人体肌肉

    骨骼解剖结构进行显示和定位 ,在骨科手术中利用

    计算机和医用机器人进行手术干预。CAOS 为骨

    科医师提供了强有力的工具和方法 ,在提高手术定

    位精度、 减少手术损伤、 实施复杂骨科手术、 提高手

    术成功率方面的表现卓越 ,虽应用时间较短 ,但应

    用日益广泛 ,受到各国骨科医师的高度重视[2 ,3 ]。

    作为 CAS家族中的一员 ,计算机辅助虚拟透

    视技术能够被用于术前制定手术计划和术中导航 ,可在手术过程中跟踪手术器械并将手术器械的位

    置在术前或术中的影像上实时更新显示 ,同时又具

    备齐全的导航功能 ,可模拟手术器械的前进和后

    退 ,存储手术路线 ,测量角度、 距离等。该技术以其

    操作安全简单、 手术精度高、 对患者和医务人员的

    辐射剂量小等优点而在最近几年迅速发展壮大 ,得

    到愈来愈多临床医师的极力推崇和使用。计算机

    辅助虚拟透视技术在国外已有较为广泛的应用 ,国

    内北京天坛医院已应用 Met ronic 枢法模 ·丹历公

    司的手术导航系统开展了 CAOS。

    一、 计算机辅助虚拟透视技术的临床意义

    手术过程中的 X线透视是外科手术中一种很

    有价值的工具。术中进行 X射线透视扫描辅助定

    位 ,可明确手术器械与患者解剖结构的相对位置 ,提高手术精确度 ,缩小手术的暴露范围。它使外科

    医师在实时状态下观测到患者解剖结构的变化 ,从

    而帮助其进行外科器械的插入操作。但 X线透视

    主要有以下 3 个方面的局限性: ① 在进行透视的过

    程中 ,患者、 医师和透视操作人员易暴露在 X线辐

    射下 ,造成职业辐射过大[4 ]。② 只能在一个平面上

    实现 X光的透视 ,观察到单平面视图。当需要在

    多平面视图上观察手术器械的位置时 ,手术过程中

    需不断重复调节 C 型臂的位置进行扫描定位 ,造

    成手术中断 ,且费时、 费力 ,并增加医师操作手术的

    难度。③将 C 臂机移出或移入手术区域会增加患

    者创口感染的潜在可能性。

    相比之下 ,计算机辅助的虚拟透视技术有操作

    简单、 精度高、 不需要手术前 CT 扫描的优点。其

    将手术过程中的透视成像与计算机辅助的手术导

    航软件相结合 ,从而提供了一个实时的、 多层面的

    成像 ,而这一切的获得都不需要以增加对患者和医

    师的额外放射性辐射为代价 ,医师不移动 C 臂机

    就可获得正交及倾斜的三维透视视角。

    二、 计算机辅助的虚拟透视系统的原理和结构

    X射线透视法和计算机技术的结合增加了标

    准透视法的优点 ,并减少其缺点。在C型臂透视 X

    光机的图像增强器上安装校准靶 ,经一次或多次透

    视获得的透视图像和位置校准后 ,计算机工作站就

    可以建立起一个透视图像的模型 ,将被追踪的手术

    器械与保存的图像叠加在一起。为了建立术中图

    像和术前手术计划之间的联系,还要进行配准( reg2

    istration) ,以使两者相互适应,术中指导医师,成为

    医师的第3只眼和手。当手术器械与之前获得的透

    视图像发生关系时,系统可以同时显示其在多个平

    面上的位置,因而这种方式称为 “虚拟透视” 。

    · 018 · Shanghai Med J , 2005 ,Vol 28 ,No 9虚拟透视系统中的光电导航系统由以下几个

    主要部分组成: ① 装有红外线发光二极管(L ED ,或

    红外线反射球)的导航工具:这些含L ED 的导航工

    具不易弯曲 ,标有刻度 ,它们的几何参数测量值储

    存于计算机中。② 固定于手术部位装有L ED 的动

    态参考基(DRB) :这能保证系统正确把握外科部位

    的空间位置 ,以弥补因患者呼吸或外科医师操作引

    起的运动造成的解剖结构空间位置变化。③红外

    相机系统(信号接受系统) :这一系统能精确识别术

    野中器械和DRB 上配备的L ED 信号 ,并传输至中

    心计算机。④ 中心控制器和监测仪(工作站) :由计

    算机图像处理系统和导航软件组成 ,主要接受图像

    资料 ,通过计算机对图像资料进行处理 ,重建三维

    图像、 构建导航坐标系统。工作站根据手术径路中

    遇到的神经、 血管结构 ,制定导航手术计划 ,同时接

    受术中定位系统的信号 ,通过与图像资料对比、 计

    算来确定手术位置范围。

    三、 计算机辅助的虚拟透视系统在骨科临床上

    的应用

    计算机辅助的虚拟透视系统是近年来发展起

    来的新技术 ,在国外 ,尤其是欧美发达国家已有较

    多应用,获得了比较成功的经验 ,该导航系统能让

    骨科医师以毫米的精确度 ,实时根据患者的解剖情

    况 ,确定手术器械的位置 ......