新一代Aurora電磁跟蹤系統在醫學手術導航中的應用

羅偉，張慶，李珊珊，魏曉峰

1 長江大學附屬第一醫院，荊州市第一人民醫院，荊州市，434000

2 湖北省荊州市中心血站，荊州市，434000

0 引言

隨著計算機技術和現代醫學技術的飛速發展，越來越多的手術操作采用了輔助醫學手術導航系統，不僅為醫生手術提供了參考操作手段，還為病人減輕了手術的痛苦，有效地避免了許多手術中因“盲區”帶來的醫療風險。我院在2012年先后引進了GE公司的寶石能譜CT、DSA、3.0 T MRI、直線加速器等大型醫療設備。在開展介入治療、內鏡診斷和骨科手術的計算機輔助手術和治療中，我們發現有很多情況下，醫生在手術操作中有許多操作“盲區”，大大地阻礙了醫生的操作，嚴重地影響了手術操作的準確性，影響了手術的效果，給醫生們帶來一些麻煩[1]。通過我們的觀察和研究，解決好手術導航中的輔助技術問題是重中之重，尤其是在在體內提供實時定位和引導，如心導管、活檢穿刺針、粒子放療針、消融針等工具的引導，選擇一種合適的技術來彌補其不足顯得尤為重要。自2011年以來，我院成立了專門的研究小組，對這一技術的產品選型進行了大量的對比研究，發現采用NDI Aurora電磁跟蹤系統可以有效地解決核心定位問題，全面提升手術的精準度，降低手術風險，避免了手術中的誤操作和延誤過多時間。

1 新一代NDI Aurora電磁跟蹤系統

Aurora電磁定位系統具有無視線遮擋、精度高、抗金屬干擾和易于集成等特點，已成功應用于介入治療、內鏡診斷和骨科手術的計算機輔助手術和治療中。系統的超小型定位線圈可與多種介入工具結合，在體內提供實時定位和引導，如心導管、活檢穿刺針、粒子放療針、消融針等工具的引導。隨著計算機輔助手術和治療技術在臨床的進一步推廣，Aurora電磁定位技術的應用前景非常廣闊，可在遮擋的情況下進行精確實時的空間三維測量。系統采用微小傳感器線圈跟蹤測量醫用級別金屬器件的技術，在市場上開創了其它跟蹤系統無法涉及的創新應用。通過Aurora高級的電磁跟蹤技術，系統可為特定科研應用定制精確、可信賴的測量技術。

1.1 系統的組成部分

系統由磁場發生器、系統控制器、工具聯結器和定位線圈組成，其系統組成框圖如圖1所示。主要技術指標包括：(1) 測量范圍90 cm×60 cm；(2) RMS測量精度可達0.7 mm；(3)小型5D 定位線圈0.55 mm (直徑)×8 mm(長度)；(4) 小型6D 定位線圈1.8 mm (直徑)×8 mm(長度)；(5) 抗金屬對測量的影響；(6) 可同時跟蹤8個定位線圈；(7) 定位工具開發軟件；(8)API開發界面，方便用戶進行系統集成和二次開發。

圖1 NDI Aurora系統組成框圖Fig.1 NDI Aurora system block diagram

其中，磁場發生器生成電磁場，傳感器線圈主要功能是感應磁場發生器生成電磁場，可以將傳感器線圈嵌入到特定的工具中。傳感器接口單元主要是SIUs系統控制接收單元SCU。

系統主要實現了對發射天線分時發送信號，把接收天線感應到的信號采集到計算機進行匯總，通過優化的算法進行信號重建序列，從而計算出天線當前所處的具體位置。

2 Aurora電磁跟蹤系統的醫學應用范圍

Aurora電磁定位系統可以廣泛地應用在醫學科學研究、神經外科和放射腫瘤學治療及手術輔助、介入放射學、脊柱外科手術操作、心臟病近距離放射療法、腹腔鏡和內窺鏡操作、定制手術工具植入針、引導鋼絲、醫學仿真手術等。

該定位感應器線圈可以使我們很好地應用手術工具，通過測量它們的5D及6D數據進行精確定位，如探針、內窺鏡、導管、骨螺釘、導絲等。

3 電磁跟蹤技術在醫學手術導航中的應用

醫學手術導航系統主要是指將病人術前或術中影像數據和手術床上病人解剖結構準確對應，手術中跟蹤手術器械并將手術器械的位置在病人影像上以虛擬探針的形式實時更新顯示，使醫生對手術器械相對病人解剖結構的位置一目了然，使外科手術更快速、更精確、更安全。利用可靠的電磁跟蹤技術可以更加高效快捷地實現這一目的。我院按照NDI Aurora電磁跟蹤系統的二次開發接口（SDK API）的要求，結合5DOF工具和6DOF工具設計出適應器械使用的跟蹤信號采集系統軟件模塊系統，開展了一系列實驗和臨床應用。

3.1 介入手術中的應用

在介入科，一般采用DSA下實時觀察，且設備存在一定的輻射量，醫生在手術盲區出現時往往會反復尋找手術的對象點或位置，大大增加了手術的難度和時間。我院采用Aurora系統的微型5DOF定位線圈0.55 mm×8 mm，可與導管和導絲結合，使用起來十分方便，只要在導管和導絲的前端安裝上該系統的微型定位感應器，便可以讓導管前端的情況，一覽無余地顯示在計算機顯示器上，為介入手術提供更加準確實時的圖像信息，有效地豐富了手術中的直觀感受。

3.2 內窺鏡檢查中的應用

將NDI Aurora電磁跟蹤系統的探針與內窺鏡安裝在一起，通過內窺鏡的導管及導絲，系統的界面上可以實時得到前端在人體的體內的實時形態[2-3]。可以指導腸鏡的操作，提高成功率，減少并發癥的發生，減輕病人的痛苦；還可以指導ERCP導絲的插入，提高ERCP的成功率。同時可以指導膽道、胰管支架的放置等操作，為醫生實際操作時提供了參考，避免了因為角度和背光問題，出現的操作“盲區”。

3.3 腫瘤放療中的標志增強應用

由于NDI Aurora電磁跟蹤系統具有6DOCF定位線圈，它呈圓柱形狀，6自由度的傳感器線圈的尺寸為1.8 mm×9 mm，可以與細小工具整合，同時提供線形定位器可及時使用，促進了與器械的無縫融合和易于分解的優點。配合TPS系統，切實地提高TPS的運行效率，為物理師提供了新的標志物，對于鎖定腫瘤組織，快速標識出腫瘤的具體位置，突出顯示坐標，準確治療和保護正常組織具有深遠的意義。在我院使用1年多，受到了臨床及醫技科室的一致好評。

3.4 在心臟手術中應用

NDI Aurora電磁跟蹤系統特別是在介入手術操作時，與手術工具無縫結合，并能在術后分離，有很強的復用性。提供的工具界面，可以動態地顯示探針、導絲等細小手術工具到達人體心臟的具體三維坐標[3,5]，讓醫生做到心中有數，而不是憑借經驗在被遮光的狀態下操作，有效地提高了手術的成功率，保證了導絲等微小器械的準確運動，不至于刺穿血管或健康組織，保障了病人的生命安全，減輕了病人的手術痛苦。經過準確定位，電腦畫面上會顯示出來。這樣，手術刀在探針指引下，就能安全地步步逼近腫瘤，確保萬無一失。臨床試驗表明，采用導航技術后，手術的定位精度可以從厘米級變為毫米級，導航精度的平均值小于2 mm。

3.5 在醫學科研方面的應用

NDI Aurora電磁跟蹤系統在醫學實驗中，可以有效地提供跟蹤定位數據，方便了醫療工作者和醫學科研工作者能夠反復進行一些器械操作的訓練和嘗試，便于訓練操作，對實驗數據可以歸檔統計，有利于科研者進行大量數據的分析統計。

4 結果

通過使用該跟蹤系統，有效地對手術中需要輔助的位置和角度進行精準的定位和實時的反饋，讓醫生在手術中對操作的人體部位或器官，了解地更清楚，手術操作得更加游刃有余。我們對該定位跟蹤系統做了一系列實驗，在不同的應用下，設定好特定的參考條件，對5DOF工具和6DOF工具精度測量進行了統計分析，如表1、表2所示。

表1 5DOF工具精度測量結果（mm）Tab.1 5DOF tool precision measurement results (mm)

例如我們采用奧林巴斯內窺鏡，該工具是一個直徑15cm半球體，分布40個預知的隨機點，測定位置和角度。

表2 6DOF工具精度測量結果（mm）Tab.2 6DOF tool precision measurement results (mm)

5 討論

綜上所述，NDI Aurora系統采用尖端電磁技術，設計為醫療應用，可在遮擋的情況下進行精確實時的空間三維測量。配合電腦的手術導航系統，讓精細危險手術纖毫不差，“命中率”更高。高精度外科手術導航系統及產品在進一步研發中，以腦腫瘤切除手術為例，傳統的開顱手術方式是先根據磁共振、CT等影像學資料，判斷腫瘤的確切部位，以此制訂手術方案。為確保準確性，手術的切口往往比較大，而醫生能看到的只是暴露在外的器官表面，如果一不小心損傷了重要的血管、組織，后果不堪設想；如果出于“謹慎”，少切除些腫瘤，又可能帶來嚴重后遺癥。究竟切多大切多深，大多依賴于醫生的個人經驗。有了NDI Aurora系統可在遮擋的情況下進行精確實時的空間三維測量，手術就變得更加安全了。在手術的過程中，系統工具屏幕上出現一幅“實時顯現”的腦部結構顯示圖，這一問題就迎刃而解了，避免了傳統算法下的圖像位置畸變問題。準確實時監測，避免各種原因造成的手術部位移位、變形所產生的誤差[5]。

由于傳統技術如：光學跟蹤技術、紅外線定位技術的設備還比較昂貴和復雜，阻礙了定位系統在手術導航中的廣泛應用。隨著計算機技術、立體定向技術、人工智能技術的發展，NDI 公司生產的Aurora系統在手術導航中的應用日趨完善，并為手術向著微創、精準、安全的方向發展提供了可靠的保證。相信通過大家不懈地努力和不斷地完善，迅速地提高系統穩定性和安全性，促進手術導航的規范化、標準化，為醫療事業的發展提供強大的動力支持。

[1]楊述華,傅德皓.計算機輔助導航系統及其在骨科的應[J].中國醫療器械信息,2007,13(2):1-4.

[2]Hott JS,Papadopoulos SM,Theodore N,et al.Intraoperative Iso-C C-arm navigation in cervical spinal surgery:review of the first 52 cases[J].Spine.2004,29(24):2856-2860.

[3]羅偉,李珊珊,田夫,等.虛擬現實技術在醫學中的應用[J]，中華醫院管理雜志,2005,21(12):837-838.

[4]Anderson.Pulsed-DC,postion and orientationmeasurement system[P],United State Patent 5,453,686.1995.9

[5]Ito Y,Sugimoto Y,Tomioka M,et al.Clinical accuracy of 3D fluoroscopy-assisted cervical pedicle screw insertion[J].Neurosurg Spine.2008:9(5):450-453.