醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)分析和故障維護

韓乾

北京積水潭醫(yī)院 設(shè)備科, 北京 100035

醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)作為微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域的重要輔助設(shè)備，20世紀(jì)90年代初首先應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)，現(xiàn)已推廣到脊柱外科、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等手術(shù)中，用來協(xié)助醫(yī)生進行一些需要極高精確度的手術(shù)，如有些手術(shù)的患處位于醫(yī)生肉眼不易分辨的盲區(qū)或者需要準(zhǔn)確放置植入物[1-2]。

1 醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)就是在手術(shù)中利用醫(yī)學(xué)影像設(shè)備和計算機圖形學(xué)的方法[3]，對患者的圖像數(shù)據(jù)進行三維重建，通過人機交互界面制定手術(shù)計劃，手術(shù)進行時利用相應(yīng)的高精度光學(xué)跟蹤定位裝置和無線智能化手術(shù)器械為外科醫(yī)生提供器械與患者解剖結(jié)構(gòu)之間的空間位置，進行實時、精確定位導(dǎo)航手術(shù)的一套現(xiàn)代化手術(shù)系統(tǒng)。

醫(yī)生可在進行手術(shù)前獲取患者的影像信息，如CT、核磁，也可以用Arcadis Orbic 3D的術(shù)中CT獲取患者的影像信息，通過醫(yī)院的影像存儲和通訊系統(tǒng)（PACS）或者固態(tài)存儲器將病人的醫(yī)學(xué)影像信息傳送到導(dǎo)航工作站中。在導(dǎo)航系統(tǒng)的人機交互界面選擇手術(shù)計劃，經(jīng)過圖像處理后獲得患者的三維解剖結(jié)構(gòu)。手術(shù)中，在紅外攝像頭的工作范圍內(nèi)，通過專用紅外手術(shù)器械發(fā)射紅外線，與導(dǎo)航系統(tǒng)互通信息，通過注冊將手術(shù)中的病人與其自身的影像完全對應(yīng)起來，即紅外器械尖端點觸在病人實體的位置會在屏幕上病人影像的相同位置顯示[4]。此時，醫(yī)生即可通過觀察顯示屏上病人的動態(tài)影像來進行手術(shù)定位判斷，方便外科醫(yī)生手術(shù)。醫(yī)生通過導(dǎo)航的顯示器可以從各個角度觀察到植入物位置或病灶點，方便醫(yī)生選擇更好、更安全的手術(shù)。

2 我院導(dǎo)航系統(tǒng)組成

我院使用的是史賽克數(shù)字化手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)：Stryker NavSuite，該導(dǎo)航系統(tǒng)主要由導(dǎo)航硬件和導(dǎo)航軟件組成。

2.1 硬件組成

硬件組成包括智能定位跟蹤攝像頭、無線智能手術(shù)器械、工作站電腦主機、UPS供電系統(tǒng)、雙顯示屏。其中智能定位跟蹤攝像頭與無線智能手術(shù)器械是導(dǎo)航系統(tǒng)提供準(zhǔn)確導(dǎo)航圖像的基礎(chǔ)，正是在兩者的配合下，才能實現(xiàn)術(shù)中位置跟蹤的實現(xiàn)，輔助外科醫(yī)生完成導(dǎo)航手術(shù)。

2.1.1 智能定位跟蹤攝像頭

Stryker NavSuite導(dǎo)航系統(tǒng)的智能定位跟蹤攝像頭FP6000是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的組件，它的功能包括對智能手術(shù)器械的實時定位、負責(zé)智能手術(shù)器械與工作站主機之間的數(shù)據(jù)通信等。智能定位跟蹤攝像頭帶有3組光學(xué)探測器，配合紅外線信號收發(fā)器。Stryker NavSuite的攝像頭最佳工作區(qū)域在1.625 m處，其工作半徑為直徑1.25 m的球形區(qū)域。

當(dāng)今探測定位的方式包括兩種：① 電磁場式；② 光學(xué)式。光學(xué)式又分為主動光學(xué)式與被動光學(xué)式。電磁場式是通過電磁波以及電磁波回波定位，由信號發(fā)生器和傳感器構(gòu)成，通過電磁回波來測量傳感器在磁場中的位置。光學(xué)式是通過紅外線的發(fā)射和接收定位。

Stryker NavSuite導(dǎo)航系統(tǒng)智能定位方式屬于主動式光學(xué)定位。主動式光學(xué)定位是指由智能手術(shù)器械發(fā)射紅外信號，紅外信號被智能定位跟蹤攝像頭的光學(xué)探測器捕捉到后傳送到導(dǎo)航系統(tǒng)主機后進行處理。而被動式光學(xué)定位是指由智能定位跟蹤攝像頭發(fā)射紅外信號后經(jīng)手術(shù)器械上的反射球反射回智能定位跟蹤攝像頭，從而實現(xiàn)定位。

2.1.2 無線智能手術(shù)器械

Stryker NavSuite智能手術(shù)器械是一個集成主動紅外線發(fā)射與紅外信號接收于一身的無線、智能手術(shù)器械，其紅外線發(fā)射正是通過智能手術(shù)器械所發(fā)出的。智能手術(shù)器械與智能定位跟蹤攝像頭配合完成定位信息、操作信息信號的傳遞，最終在工作站終端完成導(dǎo)航定位以及手術(shù)。

2.2 軟件組成

利用計算機圖形技術(shù)快速對患者圖像進行三維圖像處理，是實施定位導(dǎo)航手術(shù)的前提，為了配合不同手術(shù)的需要，史賽克導(dǎo)航工作站配有脊柱導(dǎo)航軟件、神經(jīng)外科導(dǎo)航軟件、膝關(guān)節(jié)導(dǎo)航軟件、髖關(guān)節(jié)導(dǎo)航軟件、創(chuàng)傷導(dǎo)航軟件和骨腫瘤導(dǎo)航軟件等。外科醫(yī)生可以通過軟件制定手術(shù)計劃，實施導(dǎo)航手術(shù)。

3 我院脊柱導(dǎo)航手術(shù)流程

我院脊柱外科實施脊柱導(dǎo)航手術(shù)所用設(shè)備有：負責(zé)采集病人三維圖像的術(shù)中CT Arcadis Orbic 3D、史賽克導(dǎo)航系統(tǒng)Stryker NavSuite。

具體實施手術(shù)流程如下：

（1）將校準(zhǔn)靶安裝在Arcadis Orbic 3D的影像增強器上，并且連接導(dǎo)航系統(tǒng)與術(shù)中CT系統(tǒng)以確保圖像傳輸正常。

（2）將追蹤器安置于病人身體上。

（3）導(dǎo)航系統(tǒng)上的智能定位跟蹤攝像頭需放置在同時可以探測到校準(zhǔn)靶和追蹤器的位置。

（4）將Arcadis Orbic 3D按照三維掃描要求擺放好起始位，準(zhǔn)備實行自動的三維掃描，在Arcadis Orbic 3D移動影像增強器的起始位置要確保攝像頭能夠捕捉到追蹤器。

（5）掃描完成后，Arcadis Orbic 3D會自動將采集的斷層圖像傳送到導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航系統(tǒng)進行三維圖像重建處理后，就可以在雙顯示器上瀏覽三維導(dǎo)航圖像。

（6）醫(yī)生可以開始實施導(dǎo)航建立程序，進行各種手術(shù)中智能器械的注冊。準(zhǔn)備手術(shù)。

4 史賽克導(dǎo)航系統(tǒng)維修維護經(jīng)驗

醫(yī)用導(dǎo)航系統(tǒng)故障基本分為3類[5]：① 硬件問題；②軟件問題；③ 人為操作失誤。

4.1 故障一

4.1.1 故障現(xiàn)象

進入系統(tǒng)軟件后，啟動導(dǎo)航軟件時提示“沒有連接攝像頭”。

4.1.2 分析及解決

可能有幾種情況[6]：① 導(dǎo)航主機與攝像頭通過一根1394B的Firewire電纜連接，由于需要頻繁扭動攝像頭去尋找器械定位范圍，所以這根電纜容易受到損傷。一旦這根電纜損壞或者接觸不良就會造成如上報錯；② 攝像頭有一個直流24V輸入電源，可以通過電源指示燈判斷此電源是否正常工作，電源不工作也會造成上述報錯；③ 電纜和電源都沒有問題時就要考慮攝像頭故障。比較常見的原因是①，更換電纜后，故障解決。

4.2 故障二

4.2.1 故障現(xiàn)象

導(dǎo)航系統(tǒng)開機時提示“CMOS CHECKSUM ERRORDefaults loaded”。

4.2.2 分析及解決

系統(tǒng)反復(fù)開機無法啟動，總是提示同樣的錯誤。該系統(tǒng)提示說明導(dǎo)航主機的主板保存的CMOS信息出現(xiàn)問題，需要重置。這類問題的主要原因是主板電池電量過低，無法保存CMOS信息。更換主板中用于存儲主板芯片數(shù)據(jù)的鋰電池，Stryker導(dǎo)航系統(tǒng)工作站主板電池型號均為：CR2032，故障解決。

4.3 故障三

4.3.1 故障現(xiàn)象

導(dǎo)航系統(tǒng)運行緩慢甚至頻繁死機，無法正常進行導(dǎo)航計劃及手術(shù)導(dǎo)航。

4.3.2 分析及解決

此問題常見于我院脊柱外科導(dǎo)航，分析原因為脊柱外科導(dǎo)航軟件使用時經(jīng)常需要導(dǎo)入病人的CT、核磁等影像數(shù)據(jù)，隨著手術(shù)量不斷的增大，這些影像數(shù)據(jù)過多的占據(jù)磁盤空間導(dǎo)致系統(tǒng)緩慢，刪除使用過的病人影像資料后，故障解決。

4.4 故障四

4.4.1 故障現(xiàn)象

史賽克最新導(dǎo)航系統(tǒng)配備SPC1工作站、SpineMap 2.0脊柱軟件，在進行Arcadis Orbic 3D校準(zhǔn)時IP地址通過Ping命令驗證網(wǎng)絡(luò)路徑狀態(tài)連通，但Dicom接口通訊始終沒有響應(yīng)。

4.4.2 分析及解決

兩臺設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)連通正常，排除雙方設(shè)備網(wǎng)卡、網(wǎng)線等硬件部分問題，最有可能是軟件問題。首先考慮Windows XP系統(tǒng)裝有防火墻，可能阻擋Dicom通訊，但防火墻會同時篩查IP地址，也會相應(yīng)阻擋Arcadis Orbic 3D的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。所以在核查導(dǎo)航防火墻設(shè)置后排除此情況。其次，史賽克導(dǎo)航SpineMap 2.0為全球最新發(fā)布軟件，軟件中設(shè)置文件內(nèi)容與校準(zhǔn)程序與低版本軟件不同，有可能是對最新軟件的設(shè)置文件沒有作正確的設(shè)置，隨后檢查所有設(shè)置文件的Dicom接口部分，將手冊中未提及部分嘗試作修改，均以Arcadis Orbic 3D Dicom接口104號為準(zhǔn)，設(shè)置后，Arcadis Orbic 3D與導(dǎo)航系統(tǒng)均重新關(guān)機開機，故障依舊。通過仔細查閱雙方設(shè)備的連接指導(dǎo)技術(shù)資料，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航對于Dicom端口的默認設(shè)置為4722號，故考慮有可能新版本軟件對此端口有特殊設(shè)置，故將Arcadis Orbic 3D的Dicom端口以導(dǎo)航系統(tǒng)為準(zhǔn)更改為4722，Dicom通訊恢復(fù)正常，故障解除。

4.5 故障五

4.5.1 故障現(xiàn)象

三維導(dǎo)航連接正常，二維導(dǎo)航始終連接失敗。在三維導(dǎo)航校準(zhǔn)連接正常的情況下，進行二維導(dǎo)航連接時，史賽克導(dǎo)航系統(tǒng)報錯，提示對影像增強器的失真校正失敗。

4.5.2 分析及解決

因為目前C形臂接受圖像部分多為影像增強器，而由于地球磁場的干擾，會使所成圖像發(fā)生扭變，雖然目前影像增強器都有相應(yīng)屏蔽層，但導(dǎo)航手術(shù)要求精確度非常高，所以，導(dǎo)航工具中有加固在C形臂影像增強器上的校準(zhǔn)靶，其校正原理是通過靶面上已知坐標(biāo)位置的雙層鋼珠陣列，在成像后將扭變圖像上的鋼珠按照鋼珠陣列已知坐標(biāo)進行校正，從而消除圖像扭變對導(dǎo)航精確度的影響。導(dǎo)航屏幕上報錯信息“校正失敗”可能來自于軟件或硬件，首先，檢查校準(zhǔn)程序及軟件的設(shè)置文件，對于校正部分的設(shè)置沒有存在人為更改，所有設(shè)置均正常，故排除軟件設(shè)置問題。其次，根據(jù)報錯信息建議“改變C臂位置再次嘗試”，重新改變位置透視，反復(fù)嘗試，報錯信息依舊，已確認調(diào)試環(huán)境中無其他干擾，并且嚴(yán)格按照指導(dǎo)正確規(guī)范進行操作，故不存在環(huán)境和人為誤操作問題。最后，嘗試更換校準(zhǔn)靶鋼珠陣列部分，故障解決，確認故障原因為鋼珠陣列部分IC卡存儲信息丟失，原陣列坐標(biāo)無法參與校正造成。

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