计算机辅助三维穿刺系统的研制.kdh

THESIS&RESEARCH

REPORT研究论著

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

ResearchofaSystemforComputerAssisted3DPuncture

HUXiao-ping1,TANGLi-ming2

（1.The82ndHospitalofPLA，Huai'an223001，JiangsuProvince，China；2.NanjingHospitalofNanjingMilitaryArea

Command，Nanjing210002，China）

AbstractObjectiveToresearchacomputerassisted3Dpuncturesystem.MethodsThesystemdrewlessonsfromthemethodofCAS.MITKandtheframeofX-knifewereusedtodesignthemachinearmindependently.ResultThesystemcametothedesigningstandardbyexperiments.ConclusionTheclinicaldemandedproductisdevelopedwithlowerpriceinshortertimebyintegratingthematuretechniques.[ChineseMedicalEquipmentJournal，2008，29（11）：23-24，27]Keywordspuncture;CAS;MITK

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

术、精密机械技术和临床医学相结合的产物，作为一种医疗器械，它的设计制造有其特殊性，以下就该系统设计要求、软件部分及硬件部分的设计进行论述。

要的就是计算机辅助外科（ComputerAssistedSurgery，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。

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。

2.1设计要求

（1）软件能够读取不同格式的CT、MRI图像，并且能对这些图像进行处理；

（2）生成穿刺目标的坐标和体积（容积）；

（3）硬件部分的功能：在CT上完成定位；作为穿刺的定位及固定框架；

（4）硬件部分的组成：底座，包括定位床、真空垫、塑形膜等；机械臂，包括进针及进针导引装置、定位装置等；

（5）定位装置可以在三维方向运动，运动坐标参照标尺，读数精确到0.5mm；

（6）进针装置有3个自由度，角度读数精确到0.1°；

（7）进针及进针导引装置可以安装不同型号的穿刺针，根据实际情况可以安装进针导引装置，导引头有效长度≥15

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。

mm，进针深度读数精确到1mm，进针阻力待测；

（8）进针及进针导引装置的结构和材料可以适应方便地

消毒；

（9）进针方式：手动（可以考虑进针导引装置由电动机带动）；

（10）如果发生意外情况，针或钻头可以迅速退出人体；（11）系统综合误差低于2mm。2.2软件设计

软件的设计应本着满足三维立体定向穿刺的过程要求的原则。事实上，所有的CAS系统遵循着类似的方法：首先，在一定的框架内对患者进行定位，并对患者进行CT或MRI等影像学检查，系统把患者的图像等数据输入到特定的工作站进行相关计算，在计算机自动或医生手动勾勒描绘出靶点

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@http://doc.guandang.net；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@http://doc.guandang.net。

医疗卫生装备·2008年11月第29卷第11期

ChineseMedicalEquipmentJournal·Vol．29No．11November2008

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研究论著THESIS&RESEARCHREPORT

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。

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（MedicalImagingToolKit）———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

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。

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—ControlandGuidePunctureSystem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：定位床和穿

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。

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