基于CT的主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)精確度影響因素分析

劉亞軍，趙經(jīng)緯，范明星，呂艷偉，田偉

(北京積水潭醫(yī)院，北京100035)

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基于CT的主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)精確度影響因素分析

劉亞軍，趙經(jīng)緯，范明星，呂艷偉，田偉

(北京積水潭醫(yī)院，北京100035)

摘要：目的探討常見臨床因素對基于CT的主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)精確度的影響。方法將模擬人腰椎(L1～L5)的Sawbone模型骨俯臥位固定，于同一椎體模型(本實驗選用L2)表面的不同位置緊密嵌入4個鈦合金標(biāo)記點(簡稱鈦點)，完成點對點注冊過程。采用導(dǎo)航軟件記錄每個節(jié)段位于棘突及雙側(cè)橫突3個鈦點的臨床精度，觀察手術(shù)床狀態(tài)(升高或降低、頭高位或頭低位、左傾位或右傾位)、攝像頭與示蹤器的距離(100、125、150、175 cm)以及無影燈照射對該導(dǎo)航系統(tǒng)精確度的影響(臨床精度數(shù)值越大，表明精確度越差)。結(jié)果與初始位置比較，手術(shù)床升高或降低、頭高位、右傾位時臨床精度均升高，P均<0.05；頭低位、左傾位時臨床精度均無明顯變化，P均>0.05。手術(shù)床狀態(tài)改變后恢復(fù)初始位置，其臨床精度與初始位置比較，P>0.05。攝像頭與示蹤器的距離對配準(zhǔn)用椎體L2的臨床精度無明顯影響(P均>0.05)。L1、L3、L4、L5的臨床精度隨著攝像頭與示蹤器距離的增大而升高，多組間比較P均<0.01。與關(guān)閉無影燈比較，開啟無影燈后L1和L5的臨床精度均升高，P均<0.05；L2、L3、L4的臨床精度無明顯變化，P均>0.05。結(jié)論手術(shù)床狀態(tài)改變、攝像頭與示蹤器的距離過遠以及無影燈的開啟均會影響主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的精確度。

關(guān)鍵詞：計算機輔助骨科手術(shù)；脊柱；主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)；精確度

計算機輔助導(dǎo)航手術(shù)已廣泛用于脊柱外科手術(shù)，與傳統(tǒng)手術(shù)方法相比，計算機輔助手術(shù)在精確度方面具有一定優(yōu)勢。Gelalis等[1]研究表明，3D導(dǎo)航輔助下螺釘置入術(shù)的精確度和安全性優(yōu)于透視導(dǎo)航操作和徒手操作。Shin等[2]研究表明，導(dǎo)航引導(dǎo)下椎弓根釘置入的精確度優(yōu)于徒手置釘，因而置釘安全性顯著提高。然而根據(jù)我們的臨床經(jīng)驗，在導(dǎo)航使用過程中，獲得和維持理想的精確度并不容易，受多種臨床因素的影響。2014年5～8月，本研究分析了基于CT的主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)精確度的影響因素。現(xiàn)報告如下。

1材料與方法

1.1材料主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)(來自Stryker?)。模擬人腰椎骨(L1～L5)的Sawbone?模型骨(泡沫材料，包括皮質(zhì)層和多孔的松質(zhì)層)。

1.2初始臨床精度觀察將腰椎模型俯臥位固定于可透X線的碳素手術(shù)床上，患者示蹤器緊密固定于L1棘突。導(dǎo)航攝像頭放置于模型頭側(cè)，距離示蹤器150 cm(此距離為手術(shù)常用距離)，且在設(shè)備支持距離范圍內(nèi)。該基于CT的主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)使用未壓縮Dicom格式的術(shù)前CT圖像。圖像傳輸完成后，在同一椎體模型(本實驗選用L2)表面的不同位置緊密嵌入4個小的鈦合金標(biāo)記點(簡稱鈦點)，完成點對點注冊過程。前述點配準(zhǔn)注冊完成后，開始測量每個節(jié)段位于棘突及雙側(cè)橫突的3個鈦點的臨床精度(因模型骨鈦點脫落，L2為2個)。在導(dǎo)航軟件的設(shè)計界面，記錄目標(biāo)鈦點在CT圖像中的坐標(biāo)，即圖像坐標(biāo)；在導(dǎo)航軟件的導(dǎo)航界面，采用預(yù)先注冊的指點器測量目標(biāo)鈦點的坐標(biāo)，即導(dǎo)航坐標(biāo)。圖像坐標(biāo)與導(dǎo)航坐標(biāo)的距離為導(dǎo)航的臨床精度。臨床精度數(shù)值越大，表明精確度越差。

1.3精確度影響因素觀察①手術(shù)床狀態(tài)：相對于初始位置，將手術(shù)床升高或降低10 cm、頭高位或頭低位(傾斜角度5°)、左傾位或右傾位(傾斜角度15°)，重復(fù)測量3次。②攝像頭與示蹤器的距離：相對于初始位置，將攝像頭與示蹤器的距離分別調(diào)整為100、125、150、175 cm。每個距離測量前，均進行點配準(zhǔn)，重復(fù)測量3或6次。③無影燈照射。在不重新配準(zhǔn)的情況下，采用基于CT的主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)觀察上述改變后的臨床精度，重復(fù)測量3或6次。

2結(jié)果

2.1手術(shù)床狀態(tài)對導(dǎo)航精確度的影響見表1。

表1　手術(shù)床狀態(tài)對導(dǎo)航精確度的影響±s)

注：與初始位置比較，*P<0.05。

2.2攝像頭與示蹤器的距離對各椎體導(dǎo)航精確度的影響攝像頭與示蹤器的距離對配準(zhǔn)用椎體L2的臨床精度無明顯影響(P均>0.05)。L1、L3、L4、L5的臨床精度隨著攝像頭與示蹤器距離的增大而升高，多組間比較P均<0.01；攝像頭與示蹤器距離為175 cm時的臨床精度均高于其他距離，P均<0.01。見表2。

表2　攝像頭與示蹤器的距離對各椎體導(dǎo)航

注：與同椎體100 cm比較，*P<0.01；與同椎體125 cm比較，#P<0.01；與同椎體150 cm比較，△P<0.01。

2.3無影燈照射對各椎體導(dǎo)航精確度的影響與關(guān)閉無影燈比較，開啟無影燈后L1和L5的臨床精度均升高，P均<0.05；L2、L3、L4的臨床精度無明顯變化，P均>0.05。見表3。

3討論

文獻報道，測量導(dǎo)航輔助手術(shù)精確度的方法主要有兩種。第一種是在理想的實驗室條件下測量導(dǎo)航系統(tǒng)精確度[3]，該方法的測量條件與臨床條件有較大差異，不能準(zhǔn)確反映臨床實際情況[4]。第二種是通過術(shù)后CT結(jié)果，在導(dǎo)航輔助椎弓根釘置入術(shù)后，評價椎弓根釘與椎弓根的位置關(guān)系，間接反映精確度[5～8]。但是，椎弓根釘?shù)木_度不僅與導(dǎo)航精確度有關(guān)，還與置釘過程中開路器、螺釘和椎弓根的相互作用密切相關(guān)。因而，該方法不適合進行不同設(shè)備的精確度比較，同時也無法提供量化的精確度數(shù)據(jù)。

表3　無影燈照射對各椎體導(dǎo)航精確度的

注：與同椎體無影燈開時比較，*P<0.05。

圖像坐標(biāo)是鈦點在CT圖像中的位置，導(dǎo)航坐標(biāo)是鈦點在導(dǎo)航系統(tǒng)“眼”中的位置，可通過用指點器指示鈦點獲得。假設(shè)導(dǎo)航系統(tǒng)是絕對精確的，那么當(dāng)指點器尖端接觸鈦點時，導(dǎo)航坐標(biāo)應(yīng)與圖像坐標(biāo)重合，此時軟件導(dǎo)航界面的圖像應(yīng)顯示指點器尖端與鈦點重合。然而，現(xiàn)實導(dǎo)航系統(tǒng)并不絕對精確，導(dǎo)航界面圖像上指點器尖端與鈦點并不重合。因此，本研究將導(dǎo)航界面圖像顯示的指點器尖端與鈦點之間的距離，即圖像坐標(biāo)與導(dǎo)航坐標(biāo)的距離視為臨床精度。因此，臨床精度數(shù)值越大，表明導(dǎo)航的精確度越差。

術(shù)前CT掃描體位與術(shù)中體位可能不同，因此基于CT的導(dǎo)航系統(tǒng)精確度可能受此影響。本研究結(jié)果顯示，與初始位置的臨床精度比較，手術(shù)床升高、降低、頭高位、右傾位的臨床精度均明顯升高，而頭低位、左傾位以及手術(shù)床狀態(tài)改變后恢復(fù)初始位置時的臨床精度均無明顯變化。說明當(dāng)手術(shù)床姿態(tài)改變(等效于攝像頭姿態(tài)改變)時，該導(dǎo)航系統(tǒng)精確度可能變差。因此，對于該導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)點配準(zhǔn)完成后，手術(shù)床和攝像頭均不應(yīng)進行移動，否則術(shù)者應(yīng)復(fù)核系統(tǒng)精確度或重新配準(zhǔn)，以保證理想的精確度。

本研究中，L1、L3、L4、L5的臨床精度隨著攝像頭與示蹤器距離的增大而升高，以100 cm時數(shù)值最小、精確度最佳，175 cm時數(shù)值最大、精確度最差。說明在本實驗條件下，攝像頭與示蹤器的理想距離為100 cm，術(shù)前設(shè)備準(zhǔn)備時應(yīng)盡量滿足。但是，在此距離下攝像頭的可視范圍相對有限，可能影響手術(shù)操作，需權(quán)衡距離與可視范圍。本研究結(jié)果顯示，開啟無影燈后L1和L5的臨床精度均顯著升高，L2、L3、L4的臨床精度則無明顯變化，說明開啟無影燈可能會使導(dǎo)航系統(tǒng)精確度變差。可能的原因是本研究中無影燈緊鄰攝像頭放置，無影燈發(fā)出的強光中不可避免地包含紅外光成分，此成分可能干擾系統(tǒng)的正常紅外信號；當(dāng)無影燈緊鄰攝像頭時，示蹤器上紅外發(fā)射器表面的保護玻璃將外來紅外光鏡面反射至攝像頭，干擾并導(dǎo)致攝像頭“失明”。

綜上所述，手術(shù)床狀態(tài)改變、攝像頭與示蹤器的距離過遠以及無影燈的開啟均會影響基于CT的主動紅外線光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的精確度，臨床手術(shù)時應(yīng)盡量避免上述因素對導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。

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Factors for clinical accuracy of a CT-based active infrared optical navigation system

LIUYa-jun,ZHAOJing-wei,FANMing-xing,LYUYan-wei,TIANWei

(BeijingJishuitanHospital,Beijing100035,China)

Abstract:ObjectiveTo investigate the clinical factors affecting the accuracy of a CT-based active infrared optical navigation system. MethodsA Sawbone model of human lumbar (L1-L5) was fixed prone on bed. Point registration process was done using small titanium points at different places of L2of the model. Clinical accuracy was calculated by measuring coordinates of titanium points on spinal process and transverse processes using the navigation software. We investigated the clinical accuracy of the navigation system under several different clinical statuses including the clinical status of different postures of the surgical bed, different distances (100, 125, 150 and 175) between the camera and the model, and shadowless lamps. ResultsCompared with the original position, the clinical accuracy may become worse when the bed was elevated, descended, changed to head-high or right-tilt position (all P<0.05). The clinical accuracy was not affected when the patients had head-down position and the left-leaning position (all P>0.05). The clinical accuracy of the registration vertebra (L2) was not affected by changing the distance between the camera and the patient tracer (all P>0.05). For the other vertebrae (L1, L3, L4and L5), the nearer the distance between the camera and the tracer was, the better the clinical accuracy would be (all P<0.01). The clinical accuracy of L1and L5may become worse when we opened the shadowless lamp as compared with that of closing shadowless lamp (all P<0.05), but the clinical accuracy of L2, L3and L4had no obvious changes (all P>0.05). ConclusionThe clinical accuracy of active infrared optical navigation system may be influenced by the changes of the surgical bed, long distances between the camera and the model and opening the shadowless lamps.

Key words:computer-assisted orthopedic surgery; spine; active infrared optical navigation system; accuracy

收稿日期：(2015-09-01)

中圖分類號：R687.3

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)48-0012-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.004

通信作者簡介：田偉(1959-)，男，主任醫(yī)師，研究方向為智能骨科微創(chuàng)技術(shù)及骨科機器人。E-mail: tianweijst@vip.163.com

作者簡介：第一劉亞軍(1975-)，男，副主任醫(yī)師，研究方向為骨科計算機輔助技術(shù)及機器人。E-mail: drliuyajun@163.com

基金項目：北京市科技新星計劃課題(2007B023)；北京市科技計劃課題(Z131107002213162)；北京市揚帆計劃重點醫(yī)學(xué)專業(yè)發(fā)展計劃(ZL2014)。