手术导航系统的基本配置及工作流程

手术导航系统的基本配置包括：①图像工作站及处理软件，负责储存影像数据、数据处理及处理后的影像显示。②位置探测装置，实质上是一个数字化坐标定位系统。③专用手术工具和手术工具适配器。

（一）图像工作站及处理软件

图像处理系统硬件采用高档三维图形工作站，运算速度快、图形处理能力强、可靠性高，软件处理功能强大，包括三维图像模型重建、图像任意旋转、CT/MRI图像融合、叠视、三维模型的切割模式和前方影像预知功能，使医生看到探针所处当前位置前方远处一定距离的三个等间距的平面影像，帮助医生避免伤及病人重要、危险的组织器官。有些病变在单独的CT或MRI影像中，不能反映出足够清楚和完整的信息时，医生可在解剖结构上选择多个注册点，将两种图像进行准确地融合。影像注册方式的目的是将实际的解剖结构和重建三维图像吻合起来，其中包含点融合和面融合两种。点融合的注册点数越多，精确程度越高。在点融合注册的基础上，可以在目标解剖结构表面选择30～40点进行面融合注册，使病人的解剖表面信息与重建的解剖面有更好的对应关系，更精确地重建三维图像。二者的误差会以数字和图像的方式显示在屏幕上，医生在对危险部位进行手术时，应做到心中有数。图像工作站配有多种数据输入接口和外围设备接口：除了DICOM接口和显微镜导航接口、超声影像接口、内镜接口及一般视频接口外，还可以使用MO光盘、DAT磁带、可读写光盘，充分把影像设备和手术导航系统融为一体。

德国西门子公司的最新产品实时三维数字化移动CT-SIREMOBIL Iso-C 3D/ ARCADIS Orbic 3D，是目前骨科手术中最先进的X线辅助设备，在市场中尚无同类产品。与二维X线C形臂相比，它可以获得三维图像，与导航技术一样，是实现三维骨科手术的前提和基础；其成像质量提高，而且可以提供术中患者解剖的三维视觉效果。但是完成三维重建需要获得几十甚至上百张图像，因此放射性照射剂量很高（图2-2）。

该系统主要包括以下部件：高压发生器、球管、准直器系统、影像增强器、图像处理器、存储器、图像显示器、系统控制器等等。在计算机控制下，高压发生器产生供X线球管的高压，使X线球管产生X线，经过准直器准直（调准、集中、缩小）后透射人体，经遮光器（又称后准直器）调整后到达影像增强器。当X线穿透人体时，因光电吸收和康普顿散射等原因会产生衰减，其衰减程度受密度（原子序数）及厚度等因素影响。对同一厚度而言，则衰减只受被扫描体密度（即原子序数）影响。也就是说，X线经人体衰减后，携带了人体的密度信息，密度大、衰减多，反之则衰减少。衰减后的X线照射到影像增强器，再由影像增强器将光信号转化为电信号，信号强弱与X线能量成正比。即能量大，信号强；能量小，信号弱。因此，电信号的变化，记录了人体密度的变化。再将该信号经过A/D（模拟信号/数字信号）转换器转变为数字信号。但是这样的变化是一种综合密度效应，并不能反映人体每一个点的相对密度值，所以扫描必须旋转190°以上，才能从人体不同角度，采集大量的数据，经过对这些数据进行计算机处理，得到人体每一点的相对密度值，再将这些数据经过D/A（数字信号/模拟信号）转换器转换后，输出到显示器上，从而得到可见的CT图像（图2-3）。

图2-2　实时三维数字化移动CT

西门子SIREMOBIL Iso-C 3D/ARCADIS Orbic 3D通过电机驱动C形臂X线机绕检查部位进行轨道向190°等中心扫描，在1 min内低剂量扫描50次或100次，将这些扫描得到的信号通过计算机处理，转化成12 cm3容积范围的CT图像显示在显示器上，并且通过西门子统一的Syngo（新沟通）软件对得到的CT图像进行任意处理，医生可以自由选择自己需要的各个角度、各种层厚的CT图像（图2-4）。

影响三维重建图像质量的因素主要有：层厚、层间距及螺距，随着它们的减小，图像的质量得到提高。目前，螺旋CT或MRI图像分辨率已发展到512×512、600×600，三维图像的精度有了很大提高。

（二）位置探测装置

位置探测装置包括：病人做X线、CT或MRI检查所携带的定位标志球、导航参考架和探测信号接受系统。定位标志球是基于X线、CT或MRI图像融合设计的锥形特征识别球，保证最高的识别精度，系统可在数秒内自动检测识别球体。导航参考架用于患者注册、切口显露以及导航切除或固定等手术过程。分为有线参考架、无线参考架两种。有线参考架提供主动的注册和定位方

图2-3　图像系统工作流程

图2-4　三维扫描

式，但由于必须附带电缆的原因，不利于手术的正常进行；无线参考架提供被动的注册和定位方式，虽精度比主动方式稍差，但操作更为灵活。主流机型的探测系统采用两个红外光摄像头，对病人及手术器械上附着的定位球进行空间测量定位（图2-5）。

图2-5　美敦力（Medtronic）探测信号接受系统

手术工具和手术工具适配器是指系统提供一套针对各科手术专用工具，使用时器械测量仪可直接注册手术工具到工作站；工具适配器可以与各类手术器械连接，通过手术工具适配器上的定位标志球，使工作站迅速的测量、注册和识别手术器械。这样普通的手术器械在安装上工具适配器后就可以变成手术中的导航工具。手术导航系统配有专用的病人参考架，实时动态跟踪病人的空间位置变化，防止手术病人与导航系统之间的位置移动，保证手术导航的准确性（图2-6～图2-8）。

图2-6　美敦力（Medtronic）定位标志球

图2-7　美敦力（Medtronic）参考架

图2-8　美敦力（Medtronic）工具适配器