醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)分析和故障維護(hù)

韓乾

北京積水潭醫(yī)院 設(shè)備科, 北京 100035

醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)作為微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域的重要輔助設(shè)備，20世紀(jì)90年代初首先應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)，現(xiàn)已推廣到脊柱外科、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等手術(shù)中，用來協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行一些需要極高精確度的手術(shù)，如有些手術(shù)的患處位于醫(yī)生肉眼不易分辨的盲區(qū)或者需要準(zhǔn)確放置植入物[1-2]。

1 醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)就是在手術(shù)中利用醫(yī)學(xué)影像設(shè)備和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法[3]，對患者的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，通過人機(jī)交互界面制定手術(shù)計(jì)劃，手術(shù)進(jìn)行時(shí)利用相應(yīng)的高精度光學(xué)跟蹤定位裝置和無線智能化手術(shù)器械為外科醫(yī)生提供器械與患者解剖結(jié)構(gòu)之間的空間位置，進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確定位導(dǎo)航手術(shù)的一套現(xiàn)代化手術(shù)系統(tǒng)。

醫(yī)生可在進(jìn)行手術(shù)前獲取患者的影像信息，如CT、核磁，也可以用Arcadis Orbic 3D的術(shù)中CT獲取患者的影像信息，通過醫(yī)院的影像存儲和通訊系統(tǒng)（PACS）或者固態(tài)存儲器將病人的醫(yī)學(xué)影像信息傳送到導(dǎo)航工作站中。在導(dǎo)航系統(tǒng)的人機(jī)交互界面選擇手術(shù)計(jì)劃，經(jīng)過圖像處理后獲得患者的三維解剖結(jié)構(gòu)。手術(shù)中，在紅外攝像頭的工作范圍內(nèi)，通過專用紅外手術(shù)器械發(fā)射紅外線，與導(dǎo)航系統(tǒng)互通信息，通過注冊將手術(shù)中的病人與其自身的影像完全對應(yīng)起來，即紅外器械尖端點(diǎn)觸在病人實(shí)體的位置會在屏幕上病人影像的相同位置顯示[4]。此時(shí)，醫(yī)生即可通過觀察顯示屏上病人的動態(tài)影像來進(jìn)行手術(shù)定位判斷，方便外科醫(yī)生手術(shù)。醫(yī)生通過導(dǎo)航的顯示器可以從各個(gè)角度觀察到植入物位置或病灶點(diǎn)，方便醫(yī)生選擇更好、更安全的手術(shù)。

2 我院導(dǎo)航系統(tǒng)組成

我院使用的是史賽克數(shù)字化手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)：Stryker NavSuite，該導(dǎo)航系統(tǒng)主要由導(dǎo)航硬件和導(dǎo)航軟件組成。

2.1 硬件組成

硬件組成包括智能定位跟蹤攝像頭、無線智能手術(shù)器械、工作站電腦主機(jī)、UPS供電系統(tǒng)、雙顯示屏。其中智能定位跟蹤攝像頭與無線智能手術(shù)器械是導(dǎo)航系統(tǒng)提供準(zhǔn)確導(dǎo)航圖像的基礎(chǔ)，正是在兩者的配合下，才能實(shí)現(xiàn)術(shù)中位置跟蹤的實(shí)現(xiàn)，輔助外科醫(yī)生完成導(dǎo)航手術(shù)。

2.1.1 智能定位跟蹤攝像頭

Stryker NavSuite導(dǎo)航系統(tǒng)的智能定位跟蹤攝像頭FP6000是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的組件，它的功能包括對智能手術(shù)器械的實(shí)時(shí)定位、負(fù)責(zé)智能手術(shù)器械與工作站主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信等。智能定位跟蹤攝像頭帶有3組光學(xué)探測器，配合紅外線信號收發(fā)器。Stryker NavSuite的攝像頭最佳工作區(qū)域在1.625 m處，其工作半徑為直徑1.25 m的球形區(qū)域。

當(dāng)今探測定位的方式包括兩種：① 電磁場式；② 光學(xué)式。光學(xué)式又分為主動光學(xué)式與被動光學(xué)式。電磁場式是通過電磁波以及電磁波回波定位，由信號發(fā)生器和傳感器構(gòu)成，通過電磁回波來測量傳感器在磁場中的位置。光學(xué)式是通過紅外線的發(fā)射和接收定位。

Stryker NavSuite導(dǎo)航系統(tǒng)智能定位方式屬于主動式光學(xué)定位。主動式光學(xué)定位是指由智能手術(shù)器械發(fā)射紅外信號，紅外信號被智能定位跟蹤攝像頭的光學(xué)探測器捕捉到后傳送到導(dǎo)航系統(tǒng)主機(jī)后進(jìn)行處理。而被動式光學(xué)定位是指由智能定位跟蹤攝像頭發(fā)射紅外信號后經(jīng)手術(shù)器械上的反射球反射回智能定位跟蹤攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)定位。

2.1.2 無線智能手術(shù)器械

Stryker NavSuite智能手術(shù)器械是一個(gè)集成主動紅外線發(fā)射與紅外信號接收于一身的無線、智能手術(shù)器械，其紅外線發(fā)射正是通過智能手術(shù)器械所發(fā)出的。智能手術(shù)器械與智能定位跟蹤攝像頭配合完成定位信息、操作信息信號的傳遞，最終在工作站終端完成導(dǎo)航定位以及手術(shù)。

2.2 軟件組成

利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)快速對患者圖像進(jìn)行三維圖像處理，是實(shí)施定位導(dǎo)航手術(shù)的前提，為了配合不同手術(shù)的需要，史賽克導(dǎo)航工作站配有脊柱導(dǎo)航軟件、神經(jīng)外科導(dǎo)航軟件、膝關(guān)節(jié)導(dǎo)航軟件、髖關(guān)節(jié)導(dǎo)航軟件、創(chuàng)傷導(dǎo)航軟件和骨腫瘤導(dǎo)航軟件等。外科醫(yī)生可以通過軟件制定手術(shù)計(jì)劃，實(shí)施導(dǎo)航手術(shù)。

3 我院脊柱導(dǎo)航手術(shù)流程

我院脊柱外科實(shí)施脊柱導(dǎo)航手術(shù)所用設(shè)備有：負(fù)責(zé)采集病人三維圖像的術(shù)中CT Arcadis Orbic 3D、史賽克導(dǎo)航系統(tǒng)Stryker NavSuite。

具體實(shí)施手術(shù)流程如下：

（1）將校準(zhǔn)靶安裝在Arcadis Orbic 3D的影像增強(qiáng)器上，并且連接導(dǎo)航系統(tǒng)與術(shù)中CT系統(tǒng)以確保圖像傳輸正常。

（2）將追蹤器安置于病人身體上。

（3）導(dǎo)航系統(tǒng)上的智能定位跟蹤攝像頭需放置在同時(shí)可以探測到校準(zhǔn)靶和追蹤器的位置。

（4）將Arcadis Orbic 3D按照三維掃描要求擺放好起始位，準(zhǔn)備實(shí)行自動的三維掃描，在Arcadis Orbic 3D移動影像增強(qiáng)器的起始位置要確保攝像頭能夠捕捉到追蹤器。

（5）掃描完成后，Arcadis Orbic 3D會自動將采集的斷層圖像傳送到導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行三維圖像重建處理后，就可以在雙顯示器上瀏覽三維導(dǎo)航圖像。

（6）醫(yī)生可以開始實(shí)施導(dǎo)航建立程序，進(jìn)行各種手術(shù)中智能器械的注冊。準(zhǔn)備手術(shù)。

4 史賽克導(dǎo)航系統(tǒng)維修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)故障基本分為3類[5]：① 硬件問題；②軟件問題；③ 人為操作失誤。

4.1 故障一

4.1.1 故障現(xiàn)象

進(jìn)入系統(tǒng)軟件后，啟動導(dǎo)航軟件時(shí)提示“沒有連接攝像頭”。

4.1.2 分析及解決

可能有幾種情況[6]：① 導(dǎo)航主機(jī)與攝像頭通過一根1394B的Firewire電纜連接，由于需要頻繁扭動攝像頭去尋找器械定位范圍，所以這根電纜容易受到損傷。一旦這根電纜損壞或者接觸不良就會造成如上報(bào)錯(cuò)；② 攝像頭有一個(gè)直流24V輸入電源，可以通過電源指示燈判斷此電源是否正常工作，電源不工作也會造成上述報(bào)錯(cuò)；③ 電纜和電源都沒有問題時(shí)就要考慮攝像頭故障。比較常見的原因是①，更換電纜后，故障解決。

4.2 故障二

4.2.1 故障現(xiàn)象

導(dǎo)航系統(tǒng)開機(jī)時(shí)提示“CMOS CHECKSUM ERRORDefaults loaded”。

4.2.2 分析及解決

系統(tǒng)反復(fù)開機(jī)無法啟動，總是提示同樣的錯(cuò)誤。該系統(tǒng)提示說明導(dǎo)航主機(jī)的主板保存的CMOS信息出現(xiàn)問題，需要重置。這類問題的主要原因是主板電池電量過低，無法保存CMOS信息。更換主板中用于存儲主板芯片數(shù)據(jù)的鋰電池，Stryker導(dǎo)航系統(tǒng)工作站主板電池型號均為：CR2032，故障解決。

4.3 故障三

4.3.1 故障現(xiàn)象

導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行緩慢甚至頻繁死機(jī)，無法正常進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)劃及手術(shù)導(dǎo)航。

4.3.2 分析及解決

此問題常見于我院脊柱外科導(dǎo)航，分析原因?yàn)榧怪饪茖?dǎo)航軟件使用時(shí)經(jīng)常需要導(dǎo)入病人的CT、核磁等影像數(shù)據(jù)，隨著手術(shù)量不斷的增大，這些影像數(shù)據(jù)過多的占據(jù)磁盤空間導(dǎo)致系統(tǒng)緩慢，刪除使用過的病人影像資料后，故障解決。

4.4 故障四

4.4.1 故障現(xiàn)象

史賽克最新導(dǎo)航系統(tǒng)配備SPC1工作站、SpineMap 2.0脊柱軟件，在進(jìn)行Arcadis Orbic 3D校準(zhǔn)時(shí)IP地址通過Ping命令驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)路徑狀態(tài)連通，但Dicom接口通訊始終沒有響應(yīng)。

4.4.2 分析及解決

兩臺設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)連通正常，排除雙方設(shè)備網(wǎng)卡、網(wǎng)線等硬件部分問題，最有可能是軟件問題。首先考慮Windows XP系統(tǒng)裝有防火墻，可能阻擋Dicom通訊，但防火墻會同時(shí)篩查IP地址，也會相應(yīng)阻擋Arcadis Orbic 3D的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。所以在核查導(dǎo)航防火墻設(shè)置后排除此情況。其次，史賽克導(dǎo)航SpineMap 2.0為全球最新發(fā)布軟件，軟件中設(shè)置文件內(nèi)容與校準(zhǔn)程序與低版本軟件不同，有可能是對最新軟件的設(shè)置文件沒有作正確的設(shè)置，隨后檢查所有設(shè)置文件的Dicom接口部分，將手冊中未提及部分嘗試作修改，均以Arcadis Orbic 3D Dicom接口104號為準(zhǔn)，設(shè)置后，Arcadis Orbic 3D與導(dǎo)航系統(tǒng)均重新關(guān)機(jī)開機(jī)，故障依舊。通過仔細(xì)查閱雙方設(shè)備的連接指導(dǎo)技術(shù)資料，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航對于Dicom端口的默認(rèn)設(shè)置為4722號，故考慮有可能新版本軟件對此端口有特殊設(shè)置，故將Arcadis Orbic 3D的Dicom端口以導(dǎo)航系統(tǒng)為準(zhǔn)更改為4722，Dicom通訊恢復(fù)正常，故障解除。

4.5 故障五

4.5.1 故障現(xiàn)象

三維導(dǎo)航連接正常，二維導(dǎo)航始終連接失敗。在三維導(dǎo)航校準(zhǔn)連接正常的情況下，進(jìn)行二維導(dǎo)航連接時(shí)，史賽克導(dǎo)航系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，提示對影像增強(qiáng)器的失真校正失敗。

4.5.2 分析及解決

因?yàn)槟壳癈形臂接受圖像部分多為影像增強(qiáng)器，而由于地球磁場的干擾，會使所成圖像發(fā)生扭變，雖然目前影像增強(qiáng)器都有相應(yīng)屏蔽層，但導(dǎo)航手術(shù)要求精確度非常高，所以，導(dǎo)航工具中有加固在C形臂影像增強(qiáng)器上的校準(zhǔn)靶，其校正原理是通過靶面上已知坐標(biāo)位置的雙層鋼珠陣列，在成像后將扭變圖像上的鋼珠按照鋼珠陣列已知坐標(biāo)進(jìn)行校正，從而消除圖像扭變對導(dǎo)航精確度的影響。導(dǎo)航屏幕上報(bào)錯(cuò)信息“校正失敗”可能來自于軟件或硬件，首先，檢查校準(zhǔn)程序及軟件的設(shè)置文件，對于校正部分的設(shè)置沒有存在人為更改，所有設(shè)置均正常，故排除軟件設(shè)置問題。其次，根據(jù)報(bào)錯(cuò)信息建議“改變C臂位置再次嘗試”，重新改變位置透視，反復(fù)嘗試，報(bào)錯(cuò)信息依舊，已確認(rèn)調(diào)試環(huán)境中無其他干擾，并且嚴(yán)格按照指導(dǎo)正確規(guī)范進(jìn)行操作，故不存在環(huán)境和人為誤操作問題。最后，嘗試更換校準(zhǔn)靶鋼珠陣列部分，故障解決，確認(rèn)故障原因?yàn)殇撝殛嚵胁糠諭C卡存儲信息丟失，原陣列坐標(biāo)無法參與校正造成。

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