计算机辅助三维穿刺系统的研制.kdh

1 引言 计算机辅助技术在医疗领域得到了广泛应用，其中最重
要的就是计算机辅助外科 （Computer Assisted Surgery， CAS） 技 术 。 CAS 技 术 包 括 相 当 广 泛 的 概 念 及 很 多 的 尖 端 技 术 设 备，国外从 20 世纪 70 年代就有了相关研究 并 推 出 了 成 熟 的 产品。 国内的一些科研院所和医疗机构也竞相开展相关课题 的研究。 穿刺技术是临床医疗的基础常规技术之一，本课题 研究的计算机辅助三维穿刺系统是把计算机辅助技术应用 于穿刺的一种医疗设备，该设备具有很高的精确性，可以提 高病理取样的成功率， 也可以作为各种微创治疗手段的工 具。
2 系统设计 三维立体定向穿刺系统是计算机技
收稿日期：2008-03-28 修回日期：2008-06-29 基 金 项 目 ：南 京 军 区 卫 生 专 业 人 才 培 养 “122 工 程”项目 作 者 简 介 ：胡 晓 平 （1973-），男 ，江 苏 南 京 人 ， 硕 士，高级工程师，主要从事医疗设备的维修、管理 及开发研制 工 作 ，Email：rtonline@；汤 黎 明 （1957-），男 ，江 苏 南 通 人 ，博 士 ， 主 任 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 本 刊 编 委 ，Email：tanglm@。
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Chinese Medical Equipment Journal·Vol．29 No．11 November 2008
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位置的同时，计算出靶点在特殊设定的解剖坐标系中的 X/Y/ Z 空间位置。
步滑动实现的。为保证滑块滑动时在一条直线上作运动，在滑块 底部有凸台，凸台和床板的导轨凹槽的配合实现了导向功能。
宽度方向和高度方向上的运动是通过滑块在圆形导轨 上作圆周滑动来实现的。 在做圆周运动时，把位移分解为这 两个方向上的位移量，由于圆周运动是在特定的函数关系下 作的运动，所以，这两个方向上的位移量是存在一定关系的。
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计算机辅助三维穿刺系统的研制
胡晓平1，汤黎明2 （1.解放军第 82 医院，江苏 淮安 223001；2.南京军区南京总医院，南京 210002）
[摘要] 目的：研制一种计算机辅助三维穿刺系统。方法：该系统借鉴了 CAS 的技术与方法，利用 MITK 软件公布的图 像处理算法以及 X 刀的定位框架，自主设计了用于穿刺的机械臂。 结果：经过试验，该系统完全达到了设计标准。 结 论：通过对成熟技术的整合，能够以较小的代价和较短的时间研制出适合临床需要的产品。 [关键词] 穿刺； 计算机辅助外科技术； MITK [中图分类号] TH777；TP391 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1003-8868（2008）11-0023-03
该穿刺系统软件的主要功能包括： 图像采集与处理；制 定治疗计划，生成穿刺坐标与目标容积。 2.2.1 图像采集与处理
图像采集与处理包含很多的环节，独立去开发这些技术 需要耗费很大的精力和成本。 在本次设计中，借鉴了 Internet 上 的 免 费 软 件 MITK（Medical Imaging ToolKit）— ——医 学 影 像 处理与分析算法研发平台。 该软件提供了丰富的可视化、分 割、配准等 3 类医学影像处理算法，通过简单的调用和小的 修改，即可生成功能强大的应用程序，用以处理多维（一维、 二 维 、三 维 ）、多 源 （CT、MRI 等 ）、多 态 （以 像 素 矩 阵 形 式 表 达 的图像信息、以像素集合形式表达的目标信息以及以几何形 状形式表达的知识信息）的医学影像数据。 本次设计中应用 到图像处理的算法主要包括：DICOM 格式图像的读取； 图像 窗宽、窗位的调整；三维重建；任意层面的显示等。 2.2.2 制定治疗计划，生成穿刺坐标与目标容积
图 2 定位框架、机械臂设计图
2.3.1 定向机构 定 向 机 构 主 要 包 括 滑 块 （一 副 ）、圆 形 导 轨 、 圆 形 导 轨 角
度测量仪、圆形导轨上的滑块及其角度测量仪等零部件。 对于设计要求中需要的自由度，定向机构都能完成（除
进针运动外）。 长度方向上的运动是通过两边的滑块在床板上的前后同
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（像素）作为训练样本，取前述每个样本（像素）的均匀度等 8 个特征值，构成一个样本（像素）的特征矢量，作为网络的输 入。 隐层有 100 个节点，与训练的样本（像素）数对应。 输出层 有 1 个神经元对应输出图像的分类， 输出 0.9 表示像素位于 目标区域，而输出 0.1 则表示像素位于非目标区域，即把图像 分 割 成 两 部 分 — — — 目 标 区 域 和 非 目 标 区 域 。 3．4 网络的仿真测试
Research of a System for Computer Assisted 3D Puncture
HU Xiao-ping1, TANG Li-ming2 （1. The 82nd Hospital of PLA， Huai'an 223001， Jiangsu Province， China；2. Nanjing Hospital of Nanjing Military Area
目前，临床上应用最广泛的精确穿刺方法是以超声引导 的穿刺技术。 这种方法简单实用，但由于超声波本身物理特 性的局限，有许多部位不能进行穿刺，譬如骨质和空腔部位。 CAS 包含多种手术导航技术，其中定位框架结合 机 械 臂 的 方 法是较早期的技术，这种办法的优点是设备结构简单，定位 精度高，缺点是对操作者的操作空间有一定影响。 由于穿刺 技 术 对 精 度 要 求 高 且 功 能 目 标 单 一 ，因 此 ，确 定 选 择 CAS 中 框架机械臂的定位方法结合 CT 图像的三维处理技术作为本 次研究的重点。
图 1 是一个应用程序的界面，图中显示的是已完成的某 穿刺计划，表格中显示了一组穿刺坐标系。
图 1 应用程序—Control and Guide Puncture System 界面
2.3 硬件设计 三维穿刺系统的硬件部分主要包括两部分：定பைடு நூலகம்床和穿
刺机械臂（图 2）。 为了尽快实现系统的功能，缩短研制周期， 直接引进国内某公司生产的体部 X 刀的定位框架作为该系 统的定位床，需要自主设计的只有穿刺机械臂了。 通过上述 软件功能的分析， 机械臂应能满足 6 个方向自由度的运动。 通过分解设计，根据功能需要，把机械臂分解为两大部分：定 向机构部分和穿刺进给运动机构部分。
Command， Nanjing 210002， China） Abstract Objective To research a computer assisted 3D puncture system. Methods The system drew lessons from the method of CAS. MITK and the frame of X-knife were used to design the machine arm independently. Result The system came to the designing standard by experiments. Conclusion The clinical demanded product is developed with lower price in shorter time by integrating the mature techniques.[Chinese Medical Equipment Journal，2008，29（11）：23-24，27] Key words puncture; CAS; MITK
圆周导轨上开有圆槽， 滑块就是沿着圆槽作精确运动 的，滑块和圆槽是用两线接触的方式而不是用面接触的方式 来提高定位精度。
由于穿刺的方向不一定指向圆周导轨的圆心，所以在圆 形导轨的滑块上又设计了转向机构。 转向机构可以偏转一定 角度，并随时锁定。 2.3.2 进针机构
在进针方向确定以后，就是进针运动。 进针运动机构是 通过滑块在燕尾槽导轨上的滑动来实现的。 燕尾槽导轨就是 上述转向机构的一部分，它们是一体的。 进针时，滑块可以在 任何位置锁定，在此滑块上可以安装穿刺用的针或打孔用的 电钻，为保证坐标转换方便，穿刺针或电钻头的回转体中轴 线和长度方向上滑块上的中心孔的竖截面在同一平面内。
以上两大部所涉及到位移和角度都可以准确地测量，在 行程范围内的任何位置都可以锁止。 3 结果
根据以上设计方案，在较短的时间内完成了设计，制作 出样品，并在人体模型上进行了试验。 试验的过程如下：
（1）在 医 用 人 体 模 型 内 放 置 一 粒 塑 料 小 球 ，作 为 穿 刺 目 标，固定；
（2）用 负 压 袋 把 模 型 固 定 在 定 位 床 上 ； （3）在穿刺目标区域做 CT 扫描； （4）把 CT 图像输入工作站； （5）在工作站里完成 CT 图像重建等工作，确定穿刺的目 标及进针路线等，系统生成机械臂进针的各参数； （6）根 据 给 定 参 数 调 整 机 械 臂 进 行 穿 刺 。 通过改变穿刺角度、深度等多 (荩荩下转第 27 页荩荩）
治疗计划的根本目的就是获取穿刺目标的坐标，用以引 导穿刺针的运动以及目标的体积（容积），用于下一步可能的 治疗。 由于 CT 图像的宽度、高度、层距以及层数提示了人体 的三维坐标系，同时，用于定位的框架自定了一套三维坐标 系统，因此，通过定位框架的刻度，可以很方便地确定框架内 人体空间的任意一点。 假定确定穿刺点至少需要长、宽、高 （W/H/L）三 点 坐 标 的 话 ，那 么 ，至 少 还 需 要 加 入 穿 刺 角 度 （X/Y 两个方向） 及进针深度 D 等 3 个参数才能最终确定穿刺目 标，这 6 个参数决定了穿刺机械臂的设计至少包含 6 个方向 的自由度。 至于目标容积相对简单，用一个简单的二次积分 就能解决了。