方路平，高　坤，潘　清，曹　平，徐仙明

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

?

基于陀螺儀的穿刺手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

摘要：現(xiàn)有的顱內(nèi)穿刺手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)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(jì)了一種基于陀螺儀的低成本顱內(nèi)血腫穿刺手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng).系統(tǒng)基于病人術(shù)前的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)、靶點(diǎn)和穿刺進(jìn)入點(diǎn)，建立基準(zhǔn)參考平面，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到穿刺進(jìn)入點(diǎn)和靶點(diǎn)之間組成的穿刺路徑信息.在手術(shù)過(guò)程中，采用陀螺儀姿態(tài)解算技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取手術(shù)器械在空間中的姿態(tài)，與穿刺路徑信息進(jìn)行匹配，輔助醫(yī)生實(shí)施手術(shù).基于模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)定位精度滿足顱內(nèi)穿刺手術(shù)導(dǎo)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(jiǎn)單，構(gòu)建成本低.

關(guān)鍵詞：手術(shù)導(dǎo)航；圖像可視化；姿態(tài)解算；標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)；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(dǎo)致血液集聚于腦內(nèi)或者腦與顱骨之間，對(duì)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(diǎn)[1-2].對(duì)于出血量大于30 cm3的患者，必須及時(shí)進(jìn)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(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)要求極高，往往需要在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助下進(jìn)行[4-5].傳統(tǒng)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)基于光學(xué)或電磁導(dǎo)航技術(shù)，具有很高的精度，但價(jià)格昂貴、使用復(fù)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(diǎn)，對(duì)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(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)其提供快速、有效的治療.

近年來(lái)，陀螺儀技術(shù)被引入神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jì)了基于陀螺儀的顱內(nèi)血腫穿刺手術(shù)導(dǎo)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(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到手術(shù)進(jìn)入點(diǎn)與病灶點(diǎn)之間的手術(shù)路徑信息；最后借助陀螺儀技術(shù)，實(shí)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，輔助醫(yī)生實(shí)施手術(shù).在實(shí)現(xiàn)了穿刺手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)后，本研究基于泡沫塑料頭顱模型對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證.

1系統(tǒng)構(gòu)成

手術(shù)導(dǎo)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(dǎo)航模塊.圖像讀取與可視化模塊實(shí)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(cè)標(biāo)記點(diǎn)，系統(tǒng)計(jì)算靶點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)組成的穿刺路徑的長(zhǎng)度及其與基準(zhǔn)參考平面之間的夾角，以輔助醫(yī)生確定穿刺針進(jìn)入頭顱的角度和深度.穿刺導(dǎo)航模塊用以對(duì)比導(dǎo)航設(shè)備上傳的實(shí)時(shí)角度信息和系統(tǒng)基于圖像所計(jì)算的計(jì)劃穿刺角度信息，指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)，同時(shí)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(dǎo)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(jì)

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(kù)實(shí)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(chǔ)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(jìn)行數(shù)據(jù)可視化的通用開(kāi)發(fā)工具包，提供用于三維計(jì)算機(jī)圖像、圖像處理及可視化的開(kāi)放源碼的軟件類庫(kù)[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(jìn)入穿刺規(guī)劃模塊.此模塊的功能主要包括標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)、設(shè)置靶點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)、計(jì)算穿刺到目標(biāo)點(diǎn)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(yàn)證計(jì)算的數(shù)據(jù)的有效性以及系統(tǒng)的有效性.

2.2.1標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)

標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)是指將術(shù)前輸入電腦的影像資料與術(shù)中實(shí)際的解剖結(jié)構(gòu)匹配的過(guò)程.在研究中，采用在泡沫頭顱模型上粘貼高亮標(biāo)記物的方法進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè).高亮標(biāo)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(shí)的高亮信號(hào)，由此可將掃描圖像與真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)注冊(cè)過(guò)程.選用維生素E膠囊作為MRI成像的高亮標(biāo)記物，膠囊為橢圓形，尺寸為1.5 cm×1 cm.用作參考點(diǎn)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(biāo)系.在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部放置膠囊，模擬病灶點(diǎn)，在模型表面放置膠囊，模擬穿刺入口點(diǎn).膠囊粘貼位置如圖3所示.

圖3　標(biāo)記物粘貼示意圖Fig.3　Paste markers schematic diagram

經(jīng)過(guò)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(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)模塊將實(shí)際標(biāo)記物與圖像上的亮點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)注冊(cè).注冊(cè)標(biāo)記點(diǎn)后，系統(tǒng)自動(dòng)生成參考坐標(biāo)系，如圖4所示.

圖4　注冊(cè)標(biāo)記點(diǎn)與參考坐標(biāo)系生成Fig.4　Register marker and generate the reference coordinate system

標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)后，把標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值、名稱等信息存儲(chǔ)在字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中.根據(jù)存儲(chǔ)在字典中的參考點(diǎn)，系統(tǒng)在空間配準(zhǔn)[11]后建立參考坐標(biāo)系，基于該坐標(biāo)系計(jì)算出目標(biāo)角度等穿刺信息.

2.2.2目標(biāo)角度計(jì)算

目標(biāo)角度是指手術(shù)器械要抵達(dá)病灶點(diǎn)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(biāo)系OXYZ中，A點(diǎn)是空間中的任意一點(diǎn)，B點(diǎn)是A點(diǎn)在XOZ面上的投影點(diǎn).定義yaw是B點(diǎn)與X軸正向的夾角，pitch是A點(diǎn)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(biāo)角度計(jì)算中，假設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)是空間目標(biāo)點(diǎn)target，A點(diǎn)是入口點(diǎn)entry，目標(biāo)點(diǎn)target與入口點(diǎn)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(jì)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(guò)式(1～6)可得到在所建立的參考坐標(biāo)系下的目標(biāo)穿刺角度值.系統(tǒng)計(jì)算出穿刺路徑信息yaw，pitch的值，如圖6所示.

圖6　計(jì)算穿刺角度Fig.6　Calculation of puncture trajectory

在實(shí)際應(yīng)用中，所建立的參考坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系存在一定的夾角，需通過(guò)角度修正數(shù)據(jù)yaw′，pitch′進(jìn)行修正，得到最終穿刺角度.在頭部縱軸線與地面垂直后，測(cè)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(duì)，當(dāng)兩者平行時(shí)，讀取陀螺儀yaw值讀數(shù)，作為頭部的初始yaw值即yaw′.通過(guò)手機(jī)app拍攝基準(zhǔn)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(cè)量yaw′的值的方法，圖7(b)展示了測(cè)量pitch′的值的方法.

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

最終的穿刺導(dǎo)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(dǎo)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(guò)程中，采用卡爾曼濾波算法[12]對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波.基于陀螺儀的導(dǎo)航設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙把解算得到的姿態(tài)值發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)讀取值實(shí)時(shí)虛擬顯示當(dāng)前手術(shù)器械的姿態(tài)，醫(yī)生根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)值調(diào)整手術(shù)器械姿態(tài).當(dāng)穿刺角度匹配時(shí)，手術(shù)規(guī)劃路徑與實(shí)時(shí)的路徑重合，醫(yī)生可基于此路徑實(shí)施穿刺手術(shù)，如圖8所示.

圖8　穿刺導(dǎo)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(shí)驗(yàn)流程：1) 在泡沫頭顱表面粘貼高亮標(biāo)記物，對(duì)泡沫頭顱進(jìn)行MRI掃描；2) 系統(tǒng)導(dǎo)入掃描圖像，基于圖像注冊(cè)標(biāo)記點(diǎn)，建立頭顱坐標(biāo)系，計(jì)算該坐標(biāo)系中的穿刺角度；3) 借助陀螺儀、手機(jī)等工具得到頭顱在地面坐標(biāo)系中的姿態(tài)值；4) 融合2)，3)步的結(jié)果，得到在地面坐標(biāo)系中的穿刺角度，實(shí)施手術(shù).

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用了兩個(gè)頭顱模型，在每個(gè)頭顱模型上測(cè)試了3條不同的穿刺路徑，以驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表1所示，目標(biāo)值由手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算得到，實(shí)際值是穿刺針從頭顱表面入口點(diǎn)進(jìn)入到目標(biāo)點(diǎn)的值，角度差是實(shí)際值與目標(biāo)值在航向和俯仰角度上的差值.實(shí)驗(yàn)中，穿刺針進(jìn)入顱內(nèi)的長(zhǎng)度為60 mm，在此定長(zhǎng)下，穿刺針偏離靶點(diǎn)的誤差的計(jì)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(duì)比及精度分析

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

名稱目標(biāo)值/(°)實(shí)際值/(°)角度差/(°)誤差距離/mm實(shí)驗(yàn)1(-80,-27)(-80,-30)(0,-3)3.14實(shí)驗(yàn)2(-64,-27)(-63,-29)(1,-2)2.33實(shí)驗(yàn)3(-32,-30)(-31,-28)(1,2)2.33實(shí)驗(yàn)4(20,-35)(23,-35)(3,0)3.14實(shí)驗(yàn)5(31,-25)(31,-23)(0,2)2.09實(shí)驗(yàn)6(45,-25)(46,-24)(1,1)1.48均值±標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)時(shí)的實(shí)際姿態(tài)值與系統(tǒng)計(jì)算的目標(biāo)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(guò)對(duì)比穿刺誤差與血腫的大小驗(yàn)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(dāng)血腫體積大于30 cm3，血腫厚度大于2 cm時(shí)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(jì)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(cè)量層面最大直徑；B為測(cè)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(diǎn)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(jì)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(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2　血腫尺寸估算表

由表2可知：對(duì)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(yuǎn)大于導(dǎo)航系統(tǒng)誤差均值2.42 mm和誤差最大值3.14 mm.由此可見(jiàn)：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(lái)源主要有兩方面：一是導(dǎo)航設(shè)備的精度限制，設(shè)備在實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程中存在噪聲，采用卡爾曼濾波并不能完全消除噪聲，導(dǎo)致陀螺儀輸出值的精度有限；二是目標(biāo)姿態(tài)求解過(guò)程中，對(duì)修正角度值的測(cè)量，該角度使用手機(jī)軟件拍攝獲得，拍攝時(shí)的抖動(dòng)，拍攝角度的變化都會(huì)影響所測(cè)的值.為減少抖動(dòng)影響，可使用機(jī)械臂代替人的手臂測(cè)量修正角度值，可有效減小抖動(dòng)影響.此外，系統(tǒng)不需要專業(yè)的測(cè)量工具，選用容易獲得的手機(jī)作為測(cè)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(yù)后.而基層醫(yī)院由于缺乏顱內(nèi)出血手術(shù)治療經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生，且無(wú)力購(gòu)買價(jià)格昂貴的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，因而無(wú)法對(duì)顱內(nèi)出血病人開(kāi)展有效的治療.針對(duì)該問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于低成本陀螺儀的穿刺手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng).系統(tǒng)以CT，MRI等醫(yī)學(xué)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(shí)施手術(shù).實(shí)驗(yàn)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(zé)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(xiàng)目：浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C33193)

作者簡(jiǎn)介：方路平(1974—)，男，浙江杭州人，教授，研究方向?yàn)槎嗄B(tài)醫(yī)學(xué)圖像分析處理、基于醫(yī)學(xué)圖像的手術(shù)導(dǎo)航、云計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用等，E-mail: flp@zjut.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)02-0129-05