莫建清 何漢武 李晉芳(廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院 廣東 廣州 50006)(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣東 廣州 50006)

0 引 言

盡管術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)展迅速，但術(shù)前規(guī)劃仍然是微創(chuàng)手術(shù)的重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的手術(shù)規(guī)劃建立在豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，醫(yī)生需要熟悉人體解剖結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)患者的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)診斷病情，在大腦中構(gòu)思病灶與周?chē)M織的相對(duì)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上確定具體的手術(shù)方案。這種方式極度依賴醫(yī)生的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法精確地把握患者的信息，工作量大。

計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃極大地改變了手術(shù)規(guī)劃的方式。早期的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)3D可視化，可以讓醫(yī)生從不同角度觀察患者的解剖結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)(CAS)的逐步完善，為醫(yī)生提供了一些測(cè)量和量化計(jì)算工具以及交互手段，可以在虛擬環(huán)境中測(cè)量距離、面積和體積，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的假體設(shè)計(jì)以及精確定位植入物的位置，提供了任意的切割、鉗夾和縫合等基本的手術(shù)操作方式，以及一些定量化的評(píng)價(jià)工具。此外，有效的信息可視化方式[1]為醫(yī)生的決策提供更為直觀的輔助。

計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃提高了精度、減少了對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的依賴程度。但是，這種交互式的操作仍然過(guò)度依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度并沒(méi)有降低。近年來(lái)，自動(dòng)的手術(shù)規(guī)劃引起了一些學(xué)者的關(guān)注，在某些手術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了自動(dòng)化的術(shù)前規(guī)劃的探索。在以往的研究中，與軌跡規(guī)劃的相關(guān)應(yīng)用研究占據(jù)了大部分，包括穿刺針軌跡[2]、射頻消融術(shù)中放置熱探針[3-4]、深度腦刺激[5]的電極以及SEEG電極植入軌跡[6-7]。

截止目前，完全自動(dòng)的手術(shù)路徑規(guī)劃只適合用于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，通常是對(duì)線性軌跡的自動(dòng)規(guī)劃。對(duì)于更加復(fù)雜自動(dòng)手術(shù)路徑規(guī)劃，目前甚少有研究提及。Knez等[8]提出一種用于確定胸椎椎弓根螺釘尺寸和植入軌跡的計(jì)算機(jī)輔助術(shù)前規(guī)劃算法。這種算法建立在幾何屬性和結(jié)構(gòu)屬性提取的基礎(chǔ)上，對(duì)椎體和椎弓根3D模型的參數(shù)化建模，提取椎體結(jié)構(gòu)的幾何屬性，將幾何屬性和結(jié)構(gòu)屬性結(jié)合起來(lái)。

相對(duì)于交互式的手術(shù)規(guī)劃方法，自動(dòng)手術(shù)規(guī)劃減輕了醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了規(guī)劃的效率。但是，由于解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和患者病情的多樣性，目前完全自動(dòng)的手術(shù)規(guī)劃僅限于簡(jiǎn)單的應(yīng)用。預(yù)計(jì)今后較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，半自動(dòng)的交互式術(shù)前手術(shù)規(guī)劃方法仍然占據(jù)主要的地位。

本文在系統(tǒng)研究微創(chuàng)手術(shù)腔體空間分析與理解的基礎(chǔ)上，針對(duì)膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)術(shù)前規(guī)劃的需求，設(shè)計(jì)并完成膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)規(guī)劃及訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。本文工作為定量化、自動(dòng)化的手術(shù)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)微創(chuàng)手術(shù)朝數(shù)字化、精準(zhǔn)化和個(gè)性化方向進(jìn)一步發(fā)展。

1 膝關(guān)節(jié)腔體的構(gòu)成

膝關(guān)節(jié)是人體最大的關(guān)節(jié)，由脛股關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)組成。如圖1所示，膝關(guān)節(jié)腔由股骨、脛骨、髕骨、前后交叉韌帶、半月板和髕韌帶等器官組織圍合而成。依據(jù)腔體所在的空間位置，膝關(guān)節(jié)包含的相關(guān)腔體可以分為髕上囊、前內(nèi)側(cè)室、前外側(cè)室、后腔室和內(nèi)外側(cè)股骨隱窩等。不同的手術(shù)所涉及的目標(biāo)腔體通常是變化的，即使是同一種手術(shù)，由于目標(biāo)分布的不同，涉及的腔體也可能不同。因此，手術(shù)規(guī)劃中需要針對(duì)個(gè)性化患者的手術(shù)需要、病灶所在位置確定廣義腔體的范圍，減少不必要的計(jì)算。

圖1 圍合膝關(guān)節(jié)腔的器官組織

常見(jiàn)的膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)包括游離體摘除術(shù)、半月板切除術(shù)、交叉韌帶重建術(shù)、關(guān)節(jié)軟骨損傷磨削術(shù)、滑膜切除術(shù)和關(guān)節(jié)清理術(shù)等。受解剖結(jié)構(gòu)的幾何和生理的約束，可供選擇的手術(shù)入路有9種，如圖2所示。盡管可以依據(jù)臨床統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到不同入路的位置信息以及通過(guò)不同入路可觀察到的目標(biāo)信息，但是在實(shí)際手術(shù)中需要針對(duì)患者的情況調(diào)整入路的位置，解決異常問(wèn)題、同時(shí)最大限度減少對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的影響[9]。因此，手術(shù)入路規(guī)劃是術(shù)前規(guī)劃的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

① 前外; ② 前內(nèi); ③ 正中; ④ 外上; ⑤ 內(nèi)上; ⑥ 髕中外; ⑦ 髕中內(nèi); ⑧ 后外; ⑨ 后內(nèi)圖2 膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)常見(jiàn)入路[10]

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

廣義腔體空間是微創(chuàng)手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)空間，通常由多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)圍合而成，它不僅包括自然形成的空腔，還包含那些允許人為切開(kāi)、穿刺以獲得必要的器械運(yùn)動(dòng)空間的器官，因此本文將其命名為廣義腔體GBC(Generalized Body Cavity)。

針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)規(guī)劃需求，本研究以廣義腔體為主要研究對(duì)象，以數(shù)字化分析為手段，建立起一套系統(tǒng)的廣義腔體分析與理解的理論方法和技術(shù)。相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括廣義腔體建模、語(yǔ)義分割與結(jié)構(gòu)提取，以及可達(dá)性分析等。這些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在前期研究中解決，相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表或者待發(fā)表，為了保證文章的完整性，以下作必要的概述。

2.1 廣義腔體建模

(1)

(2)

圖3 動(dòng)態(tài)腔體模型提取算法流程

2.2 語(yǔ)義分割與結(jié)構(gòu)提取[11]

形狀分割、形狀的結(jié)構(gòu)提取和表示方法是形狀分析和理解的基礎(chǔ)。通過(guò)形狀分析、創(chuàng)建反映組成腔體的各個(gè)部分關(guān)系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可為手術(shù)路徑規(guī)劃提供依據(jù)。

本研究針對(duì)抽象形狀模型的語(yǔ)義分割需求，提出一種基于拓?fù)浞椒ǖ恼Z(yǔ)義分割算法。同時(shí)，為了滿足微創(chuàng)手術(shù)路徑規(guī)劃的需求，研究了腔體模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表示和創(chuàng)建算法。在分析和比較已有的形狀描述子的基礎(chǔ)上，提出一種命名為子腔體網(wǎng)絡(luò)SCN(Sub-Cavity Network)的圖狀結(jié)構(gòu)表示，可以用來(lái)同時(shí)編碼幾何、拓?fù)浜蜕硇畔ⅰ＿@種結(jié)構(gòu)將被應(yīng)用于手術(shù)路徑規(guī)劃、機(jī)器人手術(shù)和指導(dǎo)手術(shù)裝置的設(shè)計(jì)。

對(duì)于輸入的網(wǎng)格模型M(V,E)，被分割成若干個(gè)有意義的不重疊的區(qū)域，可以形式化定義為:

(3)

式中:Mi為分割得到的子網(wǎng)格;n為子網(wǎng)格的數(shù)目。

受Reeb圖[12]的啟發(fā)，通過(guò)鞍點(diǎn)的關(guān)鍵環(huán)將腔體模型分割成不同的拓?fù)浞种В梢苑从城惑w被約束分隔的狀況。因此，采用的顯式輪廓分割算法，以閉合的關(guān)鍵環(huán)為主要的分割線將腔體模型分割成若干部分。根據(jù)給定的網(wǎng)格模型M和實(shí)值標(biāo)量函數(shù)f，關(guān)鍵環(huán)L可以通過(guò)迭代計(jì)算經(jīng)過(guò)鞍點(diǎn)ps的等值線獲得，即關(guān)鍵環(huán)L={lp0,p1,lp1,p2,…,lpn,p0}，其中任意一個(gè)點(diǎn)的函數(shù)值均等于鞍點(diǎn)的函數(shù)值，即:

f(p0)=f(p1)=…=f(pn)=f(ps)

(4)

根據(jù)這個(gè)思路，實(shí)現(xiàn)了切割輪廓線的構(gòu)造(圖 4(b))、語(yǔ)義分割(圖4(c))和SCN的創(chuàng)建(圖4(d))。其中，關(guān)鍵環(huán)是組成切割輪廓線的重要部分，可以用插值法構(gòu)造(見(jiàn)圖 5)：

pij=(1-t)vi+tvj

(5)

式中：參數(shù)t(0≤t≤1)定義為：

(6)

(a) 初始輸入模型(b) 構(gòu)造切割輪廓線

(c) 語(yǔ)義分割結(jié)果 (d) 創(chuàng)建SCN圖4 SCN的創(chuàng)建流程

圖5 用插值法計(jì)算關(guān)鍵環(huán)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖6所示的是膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)規(guī)劃及訓(xùn)練系統(tǒng)的總體方案。系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，硬件系統(tǒng)主要由手術(shù)模擬器和上位機(jī)構(gòu)成。手術(shù)模擬器提供雙手操作、數(shù)據(jù)采集和力反饋的功能。上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、信息管理、功能計(jì)算和虛擬場(chǎng)景繪制等工作。依據(jù)模塊在系統(tǒng)中的地位和通用性，將軟件系統(tǒng)劃分為基礎(chǔ)模塊和規(guī)劃模塊兩個(gè)部分?；A(chǔ)模塊的抽象程度更高，用來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如碰撞檢測(cè)、形變計(jì)算、圖形渲染和觸力覺(jué)計(jì)算等功能。這些功能可以用于不同的手術(shù)規(guī)劃，通用性強(qiáng)。規(guī)劃模塊側(cè)重于手術(shù)量化分析與術(shù)前規(guī)劃的功能，包括手術(shù)入路選擇、路徑規(guī)劃、腔體空間塑造和器械運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等。

圖6 膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)規(guī)劃及訓(xùn)練系統(tǒng)總體方案圖

3.2 功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

以下介紹系統(tǒng)的主要功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。

(1) UI模塊 為了滿足交互式手術(shù)規(guī)劃的需要，設(shè)計(jì)UI模塊，為系統(tǒng)配置、手術(shù)方案編輯、交互式規(guī)劃中的參數(shù)設(shè)置、信息瀏覽以及手術(shù)操作演練提供必要的接口。圖7展示了系統(tǒng)的主界面，左邊欄主要用于顯示手術(shù)場(chǎng)景樹(shù)；右上的主窗口模擬關(guān)節(jié)鏡的視覺(jué)顯示效果；右下的輔助窗口用來(lái)顯示手術(shù)過(guò)程的信息。

圖7 系統(tǒng)主界面(局部)

(2) 預(yù)處理模塊 預(yù)處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的加載、初始化和量化指標(biāo)的計(jì)算。利用個(gè)性化患者的數(shù)據(jù)創(chuàng)建廣義腔體模型，根據(jù)腔體各個(gè)部分與毗鄰器官組織的關(guān)系，對(duì)腔體體素的屬性賦值，如毗鄰組織的編號(hào)、最近距離等。利用數(shù)據(jù)庫(kù)保存不同器官組織的相關(guān)屬性，根據(jù)編號(hào)可以查找屬性信息。應(yīng)用語(yǔ)義分割算法將廣義腔體劃分為若干子腔體，創(chuàng)建子腔體網(wǎng)絡(luò)，在量化計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)子腔體網(wǎng)絡(luò)的頂點(diǎn)和邊上權(quán)值進(jìn)行賦值。

(3) 手術(shù)入路選擇與路徑規(guī)劃模塊 該模塊提供兩種手術(shù)入路的方式:一是交互式(圖8)選擇切口的數(shù)目和手術(shù)入路的方式，二是利用計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)手術(shù)入路的選擇。膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的入路方式通常為圖2所示的9種方式，具體的入路選擇由手術(shù)的類型和操作的位置具體確定?？梢岳脭?shù)據(jù)表保存這些領(lǐng)域知識(shí)，以查表的方式確定手術(shù)入路。這種方式需要事先存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表，對(duì)位置的精確描述也比較困難。在本系統(tǒng)中，利用量化評(píng)價(jià)指標(biāo)輔助手術(shù)入路的確定。臨床上，手術(shù)切口的位置是通過(guò)解剖標(biāo)志定位的。在本系統(tǒng)中，通過(guò)提取解剖標(biāo)志的輪廓，并將這些輪廓映射到腔體模型表面上，從而獲得精確的切口位置。確定手術(shù)入路后，根據(jù)目標(biāo)所在位置，計(jì)算從不同入路抵達(dá)目標(biāo)子腔體的空間可達(dá)性，根據(jù)可達(dá)性的大小選擇合適的路徑或者據(jù)此進(jìn)行空間的量化塑造。

(4) 腔體空間塑造模塊 經(jīng)過(guò)術(shù)前灌液后，膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的腔體空間塑造主要通過(guò)脛股關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)建立脛股關(guān)節(jié)、髕股關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)不同屈曲度下的腔體空間進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到有利于器械操作的位姿。

(5) 手術(shù)過(guò)程創(chuàng)建與手術(shù)操作導(dǎo)引模塊 根據(jù)手術(shù)的類型和目標(biāo)的位置，選擇手術(shù)方案的模板，由醫(yī)生進(jìn)行交互式編輯，生成以手術(shù)階段為粒度的手術(shù)過(guò)程。然后以此為基礎(chǔ)，采用自頂向下的方法對(duì)手術(shù)階段進(jìn)行分解，通過(guò)器械運(yùn)動(dòng)規(guī)劃獲得更細(xì)粒度的手術(shù)過(guò)程。創(chuàng)建的手術(shù)過(guò)程作為手術(shù)方案的一部分，以xml文件的形式保存。

器械運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是手術(shù)操作導(dǎo)引的基礎(chǔ)。根據(jù)選定的器械、器械作用的目標(biāo)對(duì)象及其所在的位置，在領(lǐng)域知識(shí)的幫助下，確定器械末端位姿集合，然后根據(jù)組成器械各部分結(jié)構(gòu)的關(guān)系，求解器械各部分的位姿參數(shù)。手術(shù)操作導(dǎo)引模塊能夠輔助醫(yī)生尋找目標(biāo)，完成手術(shù)操作任務(wù)。以手術(shù)入路、路徑規(guī)劃和器械的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及手術(shù)過(guò)程的規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)追蹤手術(shù)過(guò)程、器械定位，利用動(dòng)畫(huà)引導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行操作，同時(shí)可以在演練過(guò)程中驗(yàn)證手術(shù)規(guī)劃的正確性。

4 應(yīng)用案例

本節(jié)以多發(fā)性游離體摘除術(shù)為案例，驗(yàn)證并展示系統(tǒng)的應(yīng)用情況。游離體可出現(xiàn)在關(guān)節(jié)腔內(nèi)各個(gè)部位，常見(jiàn)的位置包括髁間窩、髕上囊、股骨髁兩側(cè)的滑膜隱窩及關(guān)節(jié)腔后室，其他部位包括前、后交叉韌帶之間或交叉韌帶股骨髁間的間隙，半月板下方、腘肌腱間隙內(nèi)。

將膝關(guān)節(jié)鏡下游離體的規(guī)劃流程劃分為預(yù)處理、路徑規(guī)劃和器械運(yùn)動(dòng)規(guī)劃三個(gè)主要部分。下面以一例左膝多發(fā)性游離體患者的數(shù)據(jù)為例，展示主要過(guò)程的任務(wù)、內(nèi)容與結(jié)果。

(1) 創(chuàng)建廣義腔體模型 根據(jù)系統(tǒng)配置自動(dòng)匹配手術(shù)方案模板，用戶編輯模板生成初始的手術(shù)方案，伴隨每個(gè)規(guī)劃進(jìn)程，手術(shù)內(nèi)容會(huì)持續(xù)更新。通過(guò)解析初始的手術(shù)方案，獲取解剖結(jié)構(gòu)的信息，加載解剖結(jié)構(gòu)的幾何模型。完成模型加載后，選擇圍合廣義腔體的圍合器官(或者選擇默認(rèn)的設(shè)置)，創(chuàng)建膝關(guān)節(jié)腔體的靜態(tài)模型。在創(chuàng)建靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，選擇脛股關(guān)節(jié)的屈曲度，可以獲得指定位姿下的膝關(guān)節(jié)廣義腔體模型。圖9展示的是屈曲度為0的廣義膝關(guān)節(jié)腔模型，以髕骨外上角上方1.5 cm為分層輪廓的上邊界，以脛骨平臺(tái)下方1.0 cm為下邊界。

圖9 包含髕股關(guān)節(jié)囊的廣義膝關(guān)節(jié)腔模型

(2) 廣義腔體數(shù)字化分析 數(shù)字化分析的任務(wù)包括：計(jì)算廣義腔體的幾何形態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)、語(yǔ)義分割和創(chuàng)建子腔體網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)2.2節(jié)的方法，得到不同屈曲度下腔體的語(yǔ)義分割結(jié)果和對(duì)應(yīng)的子腔體網(wǎng)絡(luò)圖，然后確定子腔體邊上的權(quán)值的各個(gè)屬性值。圖10和圖11展示了部分位姿下的結(jié)果。

(a) 0°(b) 15° (c) 30°圖10 腔體的語(yǔ)義分割結(jié)果

(a) 0°(b) 15° (c) 30°圖11 子腔體網(wǎng)絡(luò)圖

(3) 入路選擇與路徑規(guī)劃 手術(shù)入路的選擇及入路的定位是手術(shù)路徑規(guī)劃的前提。膝關(guān)節(jié)常見(jiàn)的入路有9種，本系統(tǒng)可提供交互式手段由用戶指定入路，或者通過(guò)量化計(jì)算的方式確定入路方式。通過(guò)計(jì)算不同入路的相對(duì)空間聚集度[11]，用于指導(dǎo)入路的選擇。圖12分別展示了脛股屈伸度為0度時(shí)，前內(nèi)側(cè)入路、前外側(cè)入路、髕韌帶入路和髕骨旁內(nèi)側(cè)入路的相對(duì)空間聚集度。圖中顏色越淺的局部空間，其相對(duì)入路的空間聚集度越小；白色區(qū)域代表相對(duì)空間聚集度為0，意味著當(dāng)前位姿下該局部空間難以從指定入路抵達(dá)。因此，可以根據(jù)目標(biāo)所在的局部空間相對(duì)入路的聚集度大小來(lái)選擇入路的方式。此外，在不同屈曲度下，局部腔體空間相對(duì)同一入路的空間聚集度也會(huì)發(fā)生變化。因此，需要計(jì)算某個(gè)脛股屈曲度范圍內(nèi)局部腔體空間相對(duì)各入路的空間聚集度。

(a) 前內(nèi)側(cè)入路 (b) 前外側(cè)入路

(c) 髕韌帶入路 (d) 髕骨旁內(nèi)側(cè)入路圖12 不同入路的相對(duì)空間聚集度

多發(fā)型游離體摘除術(shù)意味著路徑規(guī)劃的類型為多目標(biāo)路徑規(guī)劃，游離體分布在不同的腔室，需要確定多條路徑。在手術(shù)入路方式確定后，對(duì)于某個(gè)具體的游離體，在不考慮游離體運(yùn)動(dòng)的前提下，它所在的局部空間是確定的，其候選路徑集合也就確定了。對(duì)于膝關(guān)節(jié)鏡下游離體摘除術(shù)這一特定的應(yīng)用，候選路徑不多，可直接計(jì)算候選路徑的空間可達(dá)性，選取可達(dá)性大的作為摘取該游離體的路徑。

表1展示了本案例中4個(gè)游離體(圖 13)的位置和體積信息以及入路選擇的結(jié)果。

圖13 游離體的幾何模型(從左至右分別為1～4號(hào))[13]

表1 游離體的相關(guān)信息及規(guī)劃結(jié)果[13]

(4) 器械運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及手術(shù)方案生成 本案例中，器械運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的主要任務(wù)是根據(jù)給定的游離體的信息及其取出策略，規(guī)劃完成任務(wù)所需的器械末端位姿集合。以平行于持物鉗或咬鉗的操作桿方向?yàn)閦軸，建立如圖14所示的局部坐標(biāo)系。初始化時(shí)，令器械的操作桿與前后方向平齊，繞x軸旋轉(zhuǎn)的俯仰角(pitch)α、繞y軸旋轉(zhuǎn)的偏航角(yaw)β、繞z軸旋轉(zhuǎn)的翻滾角(roll)γ設(shè)置為0。那么器械末端參考點(diǎn)P的位姿參數(shù)可以用四元組(l,α,β,γ)表示，其中l(wèi)表示參考點(diǎn)與入口的距離。本案例中，2號(hào)游離體體積較大，需要通過(guò)咬鉗夾成若干碎塊，逐塊取出。根據(jù)規(guī)劃的手術(shù)路徑，按照每次所能鉗夾的最小體積單元將游離體劃分成11個(gè)碎片。要鉗夾某個(gè)碎片，首先對(duì)齊該碎片的包圍盒與咬鉗末端包圍盒的軸線，根據(jù)器械的當(dāng)前位置調(diào)整開(kāi)口的方向，確定末端位姿。全部的鉗夾過(guò)程采用貪婪算法規(guī)劃，每次將剩下的游離體中可達(dá)性最好的部分咬除。

圖14 器械的局部坐標(biāo)系

(5) 手術(shù)方案虛擬可視化[13]手術(shù)方案的可視化主要是手術(shù)場(chǎng)景和手術(shù)過(guò)程的可視化。利用解析算法，將存儲(chǔ)于xml文件的手術(shù)方案的內(nèi)容進(jìn)行呈現(xiàn)，加載解剖結(jié)構(gòu)、游離體和手術(shù)器械的模型。然后根據(jù)不同粒度的手術(shù)過(guò)程，按照其定義計(jì)算每幀呈現(xiàn)的對(duì)象的位姿。圖 15展示了鉗夾2號(hào)游離體的第一個(gè)碎片的過(guò)程。

(a) 鉗夾游離體(b) 取出碎片(c) 剩余游離體圖15 手術(shù)過(guò)程的虛擬可視化

5 結(jié) 語(yǔ)

面向膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)規(guī)劃的需求，本文以廣義腔體的幾何建模和空間形態(tài)的數(shù)字化分析方法為基礎(chǔ)，完成系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。針對(duì)常見(jiàn)的膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)規(guī)劃的應(yīng)用需求，為醫(yī)生提供術(shù)前規(guī)劃功能。最后以多發(fā)性游離體摘除術(shù)為例，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較好地支持手術(shù)方案的制訂和方案的可視化呈現(xiàn)。但是，今后需要開(kāi)展更廣泛、深入的實(shí)驗(yàn)研究，繼續(xù)完善系統(tǒng)模塊的功能，以實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的目標(biāo)。

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