脊柱微创手术机器人图像配准方法研究取得新进展

2014-4-03 11:29 来源: 中国科学杂志社
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  脊柱微创手术是一类创新手术技术,是微创技术用于骨科的新进展。通过采用内窥镜等专用手术器械,大大缩小手术暴露切口,进而减少患者的损伤和术后并发症的发生率,并大大缩短患者住院及康复时间。但是这种手术技术难度大、风险高、要求医生具有丰富的经验,目前只有少数医院可以开展。

  实施这种手术的难点有三方面:第一,术野受限,医生无法获得患者个体的准确解剖结构信息;第二,缺乏手术器械的定位导航信息,增加手术风险;第三,严重依赖术中CARM图像,射线累积对医生身体产生严重损害。为解决上述问题,人们尝试使用新技术,其中,基于图像引导的计算机导航技术是目前普遍关注的技术之一。

  近期一篇名为“脊柱微创手术机器人单椎体图像配准方法”的研究论文发表于《科学通报》,该论文结合脊柱微创手术的需求对图像配准的方法进行了研究,由中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室微创手术机器人项目组撰写。

  为了提高脊柱微创手术的精度,降低成本与风险,微创手术机器人项目组于2009年开展微创手术机器人研究工作。2010年,中国首台脊柱微创手术机器人在第三军医大学第二附属医院(重庆市新桥医院)进行前期的实验室研究和试验,通过高精度机器人的定位可以提高手术的精准性,降低手术风险和减少术后并发症,同时还能降低射线对医生身体的损伤。

  通过将术前手术规划显示在术中图像上,可以将术中手术机器人的位置和术前规划轨迹进行比较,从而判断和修正手术机器人的位置,这就要求将具有手术规划的术前图像和术中图像进行配准。由于术前图像和术中图像采集角度的不同, 会导致配准误差, 另外, 由于脊柱生理结构和解剖特性曲线以及椎间盘和韧带等组织结构的存在, 整个脊柱需视为可变形结构体。因此, 文中提出了一种针对单个椎体基于尺度不变特征变换(SIFT)算法的多角度搜索图像配准方法, 首先将术前三维图像投影重建成二维图像, 进行二维和三维图像的配准。然后, 通过自动生成的多角度数字仿射投影算法(DRR)图像与术中CARM 采集的X 射线图像, 在单椎体选择后, 进行配准。通过使用预先植入的克氏针以及Harris 角点技术对配准结果进行的误差验证表明, 误差均小于1 mm, 配准结果满足实验和临床的基本需求。