基于解剖標(biāo)記點(diǎn)的手術(shù)導(dǎo)航空間配準(zhǔn)研究＊

胡紀(jì)昌，邵 彤，董 男，吳文琪，何嘉嬡，范一峰

(杭州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，浙江 杭州 310053)

0 引言

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)（Image Guided Surgery，IGS）[1]以影像學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立圖像空間，在手術(shù)前通過尋找圖像空間和病人空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系，達(dá)到在術(shù)中實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)器械在病人空間位置的目的。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)幫助醫(yī)生減少手術(shù)對病人造成的創(chuàng)傷，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，是微創(chuàng)手術(shù)的重要組成部分?？臻g配準(zhǔn)[2]是手術(shù)導(dǎo)航的最為關(guān)鍵技術(shù)，空間配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性在很大程度上決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。

目前，應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的空間配準(zhǔn)算法主要有點(diǎn)匹配空間配準(zhǔn)[3]和面匹配空間配準(zhǔn)[4]。點(diǎn)匹配空間配準(zhǔn)是應(yīng)用最為廣泛的一種空間配準(zhǔn)方法，手術(shù)前，醫(yī)生在病人頭皮表面粘貼人工標(biāo)記物[5]，將其作為配準(zhǔn)的標(biāo)記點(diǎn)。這種方法需要專門為導(dǎo)航進(jìn)行一次影像掃描[6]，增加了病人的輻射劑量和手術(shù)成本。面匹配空間配準(zhǔn)通過掃描儀獲取病人面部表面點(diǎn)云進(jìn)行空間配準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的點(diǎn)匹配空間配準(zhǔn)相比，其優(yōu)點(diǎn)是不需要粘貼人工標(biāo)記物和進(jìn)行專門的影像掃描。但是面匹配在臨床中的應(yīng)用并不廣泛，主要是因?yàn)樗呐錅?zhǔn)精度不均勻、腦后部靶點(diǎn)配準(zhǔn)誤差較高[7]。

本文提出一種基于解剖標(biāo)記點(diǎn)[8]的空間配準(zhǔn)法，使用病人頭部固有的解剖標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，不需要粘貼人工標(biāo)記物和進(jìn)行專門的影像掃描，而且配準(zhǔn)精度較為均勻。

1 配準(zhǔn)過程

本文采用奇異值分解法（SVD）[9]對兩個(gè)空間進(jìn)行配準(zhǔn)。先在圖像空間選取一個(gè)點(diǎn)集{Pi}，然后在病人空間選取一個(gè)對應(yīng)的點(diǎn)集{Qi}，最后對兩個(gè)點(diǎn)集的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化。配準(zhǔn)的目標(biāo)是尋找{Pi}和{Qi}之間的一種轉(zhuǎn)換關(guān)系：

Qi=RPi+T

其中，R旋轉(zhuǎn)3×3旋轉(zhuǎn)矩陣，T為3×1平移矩陣。

⑴分別求點(diǎn)集P和Q的質(zhì)心

⑵求各標(biāo)記點(diǎn)相對于質(zhì)心的位移向量

⑶求H矩陣

⑷對H矩陣進(jìn)行SVD分解，得到：

H=U∑VT

⑸根據(jù)I=VTRU,求旋轉(zhuǎn)矩陣R

R=VUT

⑹求平移矩陣T

T=Q-RP

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)使用臺式計(jì)算機(jī)，3D Slicer 導(dǎo)航模塊[10]，NDI公司的Polaris定位儀及其配套的跟蹤器械構(gòu)成一套手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成

使用鼻根、鼻尖、左眼外眥、右眼外眥、左外耳廓切跡、右外耳廓切跡作為解剖標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間配準(zhǔn)。用探針在頭部表面和圖像空間分別選取以上解剖標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)誤差(Fiducial Registration Error,FRE)為1.07。選取如圖2，圖3所示的5個(gè)靶點(diǎn)，其配準(zhǔn)誤差如表1 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有靶點(diǎn)的TRE均小于2.5 mm，能夠滿足臨床需求。

圖2 正臉靶點(diǎn)分布

表1 靶點(diǎn)配準(zhǔn)誤差

3 結(jié)論與展望

本文提出一種基于解剖標(biāo)記點(diǎn)的空間配準(zhǔn)方法，該方法具有靶點(diǎn)配準(zhǔn)精度高，魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足臨床需求。由于是針對志愿者的實(shí)驗(yàn)，所以只用到了面部的解剖標(biāo)記點(diǎn)，沒有利用到腦中后部的解剖標(biāo)記點(diǎn)。下一步將充分研究腦部各種不同的解剖標(biāo)記點(diǎn)的組合對靶點(diǎn)精度的影響，以滿足不同組合對不同手術(shù)姿勢的需要。