基于陀螺儀的穿刺手術(shù)導航系統(tǒng)設(shè)計

方路平，高　坤，潘　清，曹　平，徐仙明

(1.浙江工業(yè)大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023；2. 浙江工業(yè)大學 之江學院，浙江 杭州 310024)

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基于陀螺儀的穿刺手術(shù)導航系統(tǒng)設(shè)計

方路平1，高坤1，潘清1，曹平2，徐仙明1

(1.浙江工業(yè)大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023；2. 浙江工業(yè)大學 之江學院，浙江 杭州 310024)

摘要：現(xiàn)有的顱內(nèi)穿刺手術(shù)導航系統(tǒng)價格昂貴，使用范圍受限，外科醫(yī)生在操作上存在一定困難.為此設(shè)計了一種基于陀螺儀的低成本顱內(nèi)血腫穿刺手術(shù)導航系統(tǒng).系統(tǒng)基于病人術(shù)前的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)設(shè)置基準點、靶點和穿刺進入點，建立基準參考平面，通過計算機處理得到穿刺進入點和靶點之間組成的穿刺路徑信息.在手術(shù)過程中，采用陀螺儀姿態(tài)解算技術(shù)，實時獲取手術(shù)器械在空間中的姿態(tài)，與穿刺路徑信息進行匹配，輔助醫(yī)生實施手術(shù).基于模型的實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)定位精度滿足顱內(nèi)穿刺手術(shù)導航要求，能夠應(yīng)用在血腫較大的穿刺手術(shù)中，并且操作簡單，構(gòu)建成本低.

關(guān)鍵詞：手術(shù)導航；圖像可視化；姿態(tài)解算；標記點注冊；陀螺儀

由高血壓、腦外傷等因素引起的顱內(nèi)血管破裂可導致血液集聚于腦內(nèi)或者腦與顱骨之間，對腦組織產(chǎn)生壓迫，形成顱內(nèi)血腫，具有致死率和致殘率較高的特點[1-2].對于出血量大于30 cm3的患者，必須及時進行手術(shù)治療.顱內(nèi)穿刺手術(shù)是治療顱內(nèi)血腫的有效手術(shù)方法之一[3]，但對醫(yī)生經(jīng)驗要求極高，往往需要在手術(shù)導航系統(tǒng)的輔助下進行[4-5].傳統(tǒng)的手術(shù)導航系統(tǒng)基于光學或電磁導航技術(shù)，具有很高的精度，但價格昂貴、使用復雜，因而大多集中于中心城市的大醫(yī)院[6].鑒于顱內(nèi)出血具有發(fā)病急、病情發(fā)展快的特點，對于基層的顱內(nèi)出血患者，迫切需要引入低成本、易操作的顱內(nèi)穿刺手術(shù)導航系統(tǒng)對其提供快速、有效的治療.

近年來，陀螺儀技術(shù)被引入神經(jīng)外科手術(shù)導航領(lǐng)域.由于陀螺儀具有定向的功能，因而能夠輔助一些需要準確定向的外科手術(shù).Jost等借助iPod Touch自帶的陀螺儀輔助了椎弓根釘植入手術(shù)[7].在陀螺儀的輔助下，20根椎弓根釘中的16根準確植入了在3度誤差的理想軌跡內(nèi)，表明低成本的陀螺儀能夠幫助一些神經(jīng)外科手術(shù)提高成功率.本研究將這一技術(shù)應(yīng)用于顱內(nèi)穿刺手術(shù)，設(shè)計了基于陀螺儀的顱內(nèi)血腫穿刺手術(shù)導航系統(tǒng).該系統(tǒng)首先讀取病人頭顱掃描圖像，確定病灶位置；隨后，進行手術(shù)規(guī)劃，通過計算機處理得到手術(shù)進入點與病灶點之間的手術(shù)路徑信息；最后借助陀螺儀技術(shù)，實時獲取手術(shù)器械在空間中的姿態(tài)，與手術(shù)規(guī)劃得到的路徑信息進行實時匹配，輔助醫(yī)生實施手術(shù).在實現(xiàn)了穿刺手術(shù)導航系統(tǒng)后，本研究基于泡沫塑料頭顱模型對導航系統(tǒng)的有效性進行了驗證.

1系統(tǒng)構(gòu)成

手術(shù)導航系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括圖像讀取與可視化模塊、穿刺規(guī)劃模塊和穿刺導航模塊.圖像讀取與可視化模塊實現(xiàn)了DICOM(Digital imaging and communications in medicine)文件序列解析并可視化的功能.穿刺規(guī)劃模塊中，在可視化窗口內(nèi)注冊標記點，系統(tǒng)計算靶點和進入點組成的穿刺路徑的長度及其與基準參考平面之間的夾角，以輔助醫(yī)生確定穿刺針進入頭顱的角度和深度.穿刺導航模塊用以對比導航設(shè)備上傳的實時角度信息和系統(tǒng)基于圖像所計算的計劃穿刺角度信息，指導醫(yī)生進行手術(shù)，同時根據(jù)接收的數(shù)據(jù)提示調(diào)整手術(shù)器械姿態(tài).

圖1　手術(shù)導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Surgical navigation system schematic diagram

2系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1圖像讀取與可視化模塊

系統(tǒng)中，圖像讀取功能由Insight segmentation and registration toolkit(ITK)庫實現(xiàn)，它提供完整的讀取DICOM圖像的方法，包括讀取二維序列圖片并存儲為體數(shù)據(jù)等方法.圖像的可視化處理利用Visualization Toolkit(VTK)完成，它是一套進行數(shù)據(jù)可視化的通用開發(fā)工具包，提供用于三維計算機圖像、圖像處理及可視化的開放源碼的軟件類庫[8-10]，圖像讀取與可視化流程如圖2所示.

圖2　圖像讀取與處理流程Fig.2　Image scanning and processing flow chart

2.2穿刺規(guī)劃模塊

圖像讀取并且可視化后，進入穿刺規(guī)劃模塊.此模塊的功能主要包括標記點注冊、設(shè)置靶點和進入點、計算穿刺到目標點需要的數(shù)據(jù).研究中利用泡沫頭顱模型模擬病人頭部，基于此模型驗證計算的數(shù)據(jù)的有效性以及系統(tǒng)的有效性.

2.2.1標記點注冊

標記點注冊是指將術(shù)前輸入電腦的影像資料與術(shù)中實際的解剖結(jié)構(gòu)匹配的過程.在研究中，采用在泡沫頭顱模型上粘貼高亮標記物的方法進行標記點注冊.高亮標記物在頭顱表面或內(nèi)部可用肉眼觀察到，在CT或MRI掃描得到的圖像中呈現(xiàn)容易辨識的高亮信號，由此可將掃描圖像與真實解剖結(jié)構(gòu)進行匹配，實現(xiàn)注冊過程.選用維生素E膠囊作為MRI成像的高亮標記物，膠囊為橢圓形，尺寸為1.5 cm×1 cm.用作參考點的膠囊粘貼在模型的左、右外耳道，鼻尖，頭頂縱軸線等處，用于生成參考坐標系.在實驗模型內(nèi)部放置膠囊，模擬病灶點，在模型表面放置膠囊，模擬穿刺入口點.膠囊粘貼位置如圖3所示.

圖3　標記物粘貼示意圖Fig.3　Paste markers schematic diagram

經(jīng)過MRI(0.35 T)掃描后，使用圖像讀取與可視化模塊讀取、顯示圖像.使用標記點注冊模塊將實際標記物與圖像上的亮點一一對應(yīng)注冊.注冊標記點后，系統(tǒng)自動生成參考坐標系，如圖4所示.

圖4　注冊標記點與參考坐標系生成Fig.4　Register marker and generate the reference coordinate system

標記點注冊后，把標記點的坐標值、名稱等信息存儲在字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中.根據(jù)存儲在字典中的參考點，系統(tǒng)在空間配準[11]后建立參考坐標系，基于該坐標系計算出目標角度等穿刺信息.

2.2.2目標角度計算

目標角度是指手術(shù)器械要抵達病灶點所需擺放的姿態(tài)值，包括穿刺航向角(yaw)、穿刺俯仰角(pitch).航向角和俯仰角的定義如圖5所示.在空間直角坐標系OXYZ中，A點是空間中的任意一點，B點是A點在XOZ面上的投影點.定義yaw是B點與X軸正向的夾角，pitch是A點與Y正向夾角的余角.

圖5　yaw，pitch定義圖Fig.5　Definition of yaw and pitch

在目標角度計算中，假設(shè)坐標原點是空間目標點target，A點是入口點entry，目標點target與入口點entry組成的向量vectorTargetEntry及其在XOZ面上投影的向量vectorTargetEntryProjection分別為

vectorTargetEntry=(target[0]-entry[0],

target[1]-entry[1],target[2]-entry[2])

(1)

vectorTargetEntryProjection=(target[0]

-entry[0],0,target[2]-entry[2])

(2)

計算yaw，pitch值的函數(shù)為

cosYaw=dot(vectorTargetEntryProjection,(1,0,0))/

norm(vectorTargetEntryProjection)

(3)

cosPitch=dot(vectorTargetEntry,(0,1,0))/

norm(vectorTargetEntry)

(4)

yaw=180-arccos(cosYaw)

(5)

pitch=90-arccos(cosPitch)

(6)

式中：dot()，norm()分別為求向量的數(shù)量積、向量模的函數(shù).通過式(1～6)可得到在所建立的參考坐標系下的目標穿刺角度值.系統(tǒng)計算出穿刺路徑信息yaw，pitch的值，如圖6所示.

圖6　計算穿刺角度Fig.6　Calculation of puncture trajectory

在實際應(yīng)用中，所建立的參考坐標系與地面坐標系存在一定的夾角，需通過角度修正數(shù)據(jù)yaw′，pitch′進行修正，得到最終穿刺角度.在頭部縱軸線與地面垂直后，測量頭部的初始姿態(tài)值作為角度修正數(shù)據(jù).首先將陀螺儀與頭顱縱軸線比對，當兩者平行時，讀取陀螺儀yaw值讀數(shù)，作為頭部的初始yaw值即yaw′.通過手機app拍攝基準面與地面夾角得到初始pitch值即pitch′，如圖7所示，圖7(a)展示了測量yaw′的值的方法，圖7(b)展示了測量pitch′的值的方法.

圖7　測量初始姿態(tài)值Fig.7　Measurement of initial attitude

最終的穿刺導航角度是yaw與yaw′，pitch與pitch′的融合，公式為

yaw_3=yaw+yaw′-180

(7)

pitch_3=pitch+pitch′-90

(8)

2.3穿刺導航模塊

研究中使用陀螺儀確定手術(shù)器械的姿態(tài).系統(tǒng)選擇了四元數(shù)算法解算姿態(tài).在姿態(tài)解算過程中，采用卡爾曼濾波算法[12]對原始數(shù)據(jù)進行濾波.基于陀螺儀的導航設(shè)備通過藍牙把解算得到的姿態(tài)值發(fā)送到計算機，計算機根據(jù)讀取值實時虛擬顯示當前手術(shù)器械的姿態(tài)，醫(yī)生根據(jù)目標姿態(tài)值調(diào)整手術(shù)器械姿態(tài).當穿刺角度匹配時，手術(shù)規(guī)劃路徑與實時的路徑重合，醫(yī)生可基于此路徑實施穿刺手術(shù)，如圖8所示.

圖8　穿刺導航Fig.8　Puncture navigation

3結(jié)果

選用泡沫頭顱模型模擬了穿刺手術(shù)，實驗流程：1) 在泡沫頭顱表面粘貼高亮標記物，對泡沫頭顱進行MRI掃描；2) 系統(tǒng)導入掃描圖像，基于圖像注冊標記點，建立頭顱坐標系，計算該坐標系中的穿刺角度；3) 借助陀螺儀、手機等工具得到頭顱在地面坐標系中的姿態(tài)值；4) 融合2)，3)步的結(jié)果，得到在地面坐標系中的穿刺角度，實施手術(shù).

實驗過程中使用了兩個頭顱模型，在每個頭顱模型上測試了3條不同的穿刺路徑，以驗證系統(tǒng)的有效性.實驗結(jié)果分析如表1所示，目標值由手術(shù)導航系統(tǒng)計算得到，實際值是穿刺針從頭顱表面入口點進入到目標點的值，角度差是實際值與目標值在航向和俯仰角度上的差值.實驗中，穿刺針進入顱內(nèi)的長度為60 mm，在此定長下，穿刺針偏離靶點的誤差的計算式為

l=nπr/180

式中：r為半徑；n為偏差角度數(shù).

表1穿刺角度值對比及精度分析

Table 1The comparison of puncture angle accuracy using different method and accuracy analysis

名稱目標值/(°)實際值/(°)角度差/(°)誤差距離/mm實驗1(-80,-27)(-80,-30)(0,-3)3.14實驗2(-64,-27)(-63,-29)(1,-2)2.33實驗3(-32,-30)(-31,-28)(1,2)2.33實驗4(20,-35)(23,-35)(3,0)3.14實驗5(31,-25)(31,-23)(0,2)2.09實驗6(45,-25)(46,-24)(1,1)1.48均值±標準差(1±1,0±2)2.42±0.58

從表1中可以看出：穿刺針碰觸到頭顱內(nèi)病灶點時的實際姿態(tài)值與系統(tǒng)計算的目標角度之間在航向和俯仰方向上的誤差分別為1°±1°，0°±2°，最大差值均為3°.在60 mm的穿刺深度情況下，誤差距離為(2.42±0.58) mm，最大誤差距離為3.14 mm.

通過對比穿刺誤差與血腫的大小驗證系統(tǒng)清除血腫的可行性.根據(jù)顱腦創(chuàng)傷外科治療指南[13]，當血腫體積大于30 cm3，血腫厚度大于2 cm時都應(yīng)該手術(shù)清除血腫.一般假設(shè)血腫為橢球狀，其橢球參數(shù)的計算方法稱為ABC方法[13]，該方法估算血腫體積為

Ve≈ABC/2

(9)

式中：A為測量層面最大直徑；B為測量垂直于A的最大直徑；C為厚度為10mm的層數(shù)；Ve為血腫體積.手術(shù)靶點一般選擇在血腫面積最大的層面上，在血腫最大層面做近似橢圓的計算，設(shè)血腫體積為30cm3，橢圓的離心率為大于0.5且小于0.9的值，C=3，計算結(jié)果如表2所示.

表2　血腫尺寸估算表

由表2可知：對于體積為30 cm3的血腫，其最大層面短半徑的最小值為14.75 mm，遠大于導航系統(tǒng)誤差均值2.42 mm和誤差最大值3.14 mm.由此可見：在誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠有效輔助清除顱內(nèi)血腫.

誤差來源主要有兩方面：一是導航設(shè)備的精度限制，設(shè)備在實時的數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中存在噪聲，采用卡爾曼濾波并不能完全消除噪聲，導致陀螺儀輸出值的精度有限；二是目標姿態(tài)求解過程中，對修正角度值的測量，該角度使用手機軟件拍攝獲得，拍攝時的抖動，拍攝角度的變化都會影響所測的值.為減少抖動影響，可使用機械臂代替人的手臂測量修正角度值，可有效減小抖動影響.此外，系統(tǒng)不需要專業(yè)的測量工具，選用容易獲得的手機作為測量工具，有助于普及推廣.

4結(jié)論

顱內(nèi)血腫需要急救治療，以減少并發(fā)癥，改善病人預后.而基層醫(yī)院由于缺乏顱內(nèi)出血手術(shù)治療經(jīng)驗的醫(yī)生，且無力購買價格昂貴的手術(shù)導航設(shè)備，因而無法對顱內(nèi)出血病人開展有效的治療.針對該問題，研究設(shè)計了一個基于低成本陀螺儀的穿刺手術(shù)導航系統(tǒng).系統(tǒng)以CT，MRI等醫(yī)學影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助基于陀螺儀的定位設(shè)備定位手術(shù)器械，跟蹤顯示手術(shù)器械和病灶的空間位置關(guān)系，輔助實施手術(shù).實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有良好的精度，能夠適用于清除高血壓、腦外傷等引起的顱內(nèi)出血.

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(責任編輯：陳石平)

Design of puncture surgical navigation system based on gyroscope

FANG Luping1, GAO Kun1, PAN Qing1, CAO Ping2, XU Xianming1

(1. College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China；2. Zhijiang College, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310024, China)

Abstract:Existing intracranial puncture surgical navigation systems are expensive and have limited applications. There are also some difficulties for surgeons in the operation According to these issues, an inexpensive puncture surgical navigation system for intracranial hematoma is designed based on gyroscope. The reference points, entry point and target point are selected to build reference planes based on the patient’s preoperative medical image and the puncture path information between the entry point and target point can be calculated through computer. Gyro attitude solution was applied to get real-time surgical instrument space gesture which is matched to the target path in order to assist the surgeon in the surgery. Experimental results show that the positioning accuracy of system can satisfy the requirements of intracranial puncture surgical navigation with high reliability and low-cost.

Keywords:surgical navigation; image visualization; attitude solution; register marker; gyroscope

收稿日期：2015-11-13

基金項目：浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計劃項目(2015C33193)

作者簡介：方路平(1974—)，男，浙江杭州人，教授，研究方向為多模態(tài)醫(yī)學圖像分析處理、基于醫(yī)學圖像的手術(shù)導航、云計算技術(shù)及其應(yīng)用等，E-mail: flp@zjut.edu.cn.

中圖分類號：TP391.7

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)02-0129-05