计算机辅助三维穿刺系统的研制.kdh

THESIS&RESEARCH

REPORT研究论著

计算机辅助三维穿刺系统的研制

胡晓平1，汤黎明2

（1.解放军第82医院，江苏淮安

223001；2.南京军区南京总医院，南京210002）

[摘要]目的：研制一种计算机辅助三维穿刺系统。方法：该系统借鉴了CAS的技术与方法，利用MITK软件公布的图

像处理算法以及X刀的定位框架，自主设计了用于穿刺的机械臂。结果：经过试验，该系统完全达到了设计标准。结论：通过对成熟技术的整合，能够以较小的代价和较短的时间研制出适合临床需要的产品。

[关键词]穿刺；计算机辅助外科技术；MITK

[中图分类号]TH777；TP391［文献标志码］A［文章编号］1003-8868（2008）11-0023-03

ResearchofaSystemforComputerAssisted3DPuncture

HUXiao-ping1,TANGLi-ming2

（1.The82ndHospitalofPLA，Huai'an223001，JiangsuProvince，China；2.NanjingHospitalofNanjingMilitaryArea

Command，Nanjing210002，China）

AbstractObjectiveToresearchacomputerassisted3Dpuncturesystem.MethodsThesystemdrewlessonsfromthemethodofCAS.MITKandtheframeofX-knifewereusedtodesignthemachinearmindependently.ResultThesystemcametothedesigningstandardbyexperiments.ConclusionTheclinicaldemandedproductisdevelopedwithlowerpriceinshortertimebyintegratingthematuretechniques.[ChineseMedicalEquipmentJournal，2008，29（11）：23-24，27]Keywordspuncture;CAS;MITK

1引言

计算机辅助技术在医疗领域得到了广泛应用，其中最重

术、精密机械技术和临床医学相结合的产物，作为一种医疗器械，它的设计制造有其特殊性，以下就该系统设计要求、软件部分及硬件部分的设计进行论述。

要的就是计算机辅助外科（ComputerAssistedSurgery，CAS）技术。CAS技术包括相当广泛的概念及很多的尖端技术设备，国外从20世纪70年代就有了相关研究并推出了成熟的产品。国内的一些科研院所和医疗机构也竞相开展相关课题的研究。穿刺技术是临床医疗的基础常规技术之一，本课题研究的计算机辅助三维穿刺系统是把计算机辅助技术应用于穿刺的一种医疗设备，该设备具有很高的精确性，可以提高病理取样的成功率，也可以作为各种微创治疗手段的工具。

目前，临床上应用最广泛的精确穿刺方法是以超声引导的穿刺技术。这种方法简单实用，但由于超声波本身物理特性的局限，有许多部位不能进行穿刺，譬如骨质和空腔部位。

2.1设计要求

（1）软件能够读取不同格式的CT、MRI图像，并且能对这些图像进行处理；

（2）生成穿刺目标的坐标和体积（容积）；

（3）硬件部分的功能：在CT上完成定位；作为穿刺的定位及固定框架；

（4）硬件部分的组成：底座，包括定位床、真空垫、塑形膜等；机械臂，包括进针及进针导引装置、定位装置等；

（5）定位装置可以在三维方向运动，运动坐标参照标尺，读数精确到0.5mm；

（6）进针装置有3个自由度，角度读数精确到0.1°；

（7）进针及进针导引装置可以安装不同型号的穿刺针，根据实际情况可以安装进针导引装置，导引头有效长度≥15

CAS包含多种手术导航技术，其中定位框架结合机械臂的方

法是较早期的技术，这种办法的优点是设备结构简单，定位精度高，缺点是对操作者的操作空间有一定影响。由于穿刺技术对精度要求高且功能目标单一，因此，确定选择CAS中框架机械臂的定位方法结合CT图像的三维处理技术作为本次研究的重点。

mm，进针深度读数精确到1mm，进针阻力待测；

（8）进针及进针导引装置的结构和材料可以适应方便地

消毒；

（9）进针方式：手动（可以考虑进针导引装置由电动机带动）；

（10）如果发生意外情况，针或钻头可以迅速退出人体；（11）系统综合误差低于2mm。2.2软件设计

软件的设计应本着满足三维立体定向穿刺的过程要求的原则。事实上，所有的CAS系统遵循着类似的方法：首先，在一定的框架内对患者进行定位，并对患者进行CT或MRI等影像学检查，系统把患者的图像等数据输入到特定的工作站进行相关计算，在计算机自动或医生手动勾勒描绘出靶点

2系统设计

三维立体定向穿刺系统是计算机技

收稿日期：2008-03-28修回日期：2008-06-29基金项目：南京军区卫生专业人才培养“122工程”项目

作者简介：胡晓平（1973-），男，江苏南京人，硕士，高级工程师，主要从事医疗设备的维修、管理及开发研制工作，Email：rtonline@；汤黎明（1957-），男，江苏南通人，博士，主任，教授，博士生导师，本刊编委，Email：tanglm@。

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位置的同时，计算出靶点在特殊设定的解剖坐标系中的X/Y/Z空间位置。

该穿刺系统软件的主要功能包括：图像采集与处理；制定治疗计划，生成穿刺坐标与目标容积。

2.2.1图像采集与处理

图像采集与处理包含很多的环节，独立去开发这些技术需要耗费很大的精力和成本。在本次设计中，借鉴了Internet上的免费软件MITK（MedicalImagingToolKit）———医学影像处理与分析算法研发平台。该软件提供了丰富的可视化、分割、配准等3类医学影像处理算法，通过简单的调用和小的修改，即可生成功能强大的应用程序，用以处理多维（一维、二维、三维）、多源（CT、MRI等）、多态（以像素矩阵形式表达的图像信息、以像素集合形式表达的目标信息以及以几何形状形式表达的知识信息）的医学影像数据。本次设计中应用到图像处理的算法主要包括：DICOM格式图像的读取；图像窗宽、窗位的调整；三维重建；任意层面的显示等。

2.2.2制定治疗计划，生成穿刺坐标与目标容积

治疗计划的根本目的就是获取穿刺目标的坐标，用以引导穿刺针的运动以及目标的体积（容积），用于下一步可能的治疗。由于CT图像的宽度、高度、层距以及层数提示了人体的三维坐标系，同时，用于定位的框架自定了一套三维坐标系统，因此，通过定位框架的刻度，可以很方便地确定框架内人体空间的任意一点。假定确定穿刺点至少需要长、宽、高（W/H/L）三点坐标的话，那么，至少还需要加入穿刺角度（X/Y两个方向）及进针深度D等3个参数才能最终确定穿刺目标，这6个参数决定了穿刺机械臂的设计至少包含6个方向的自由度。至于目标容积相对简单，用一个简单的二次积分就能解决了。

图1是一个应用程序的界面，图中显示的是已完成的某穿刺计划，表格中显示了一组穿刺坐标系。

图1

应用程序—ControlandGuidePunctureSystem界面

2.3硬件设计

三维穿刺系统的硬件部分主要包括两部分：定位床和穿

刺机械臂（图2）。为了尽快实现系统的功能，缩短研制周期，直接引进国内某公司生产的体部X刀的定位框架作为该系统的定位床，需要自主设计的只有穿刺机械臂了。通过上述软件功能的分析，机械臂应能满足6个方向自由度的运动。通过分解设计，根据功能需要，把机械臂分解为两大部分：定向机构部分和穿刺进给运动机构部分。

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图2

定位框架、机械臂设计图

2.3.1定向机构

定向机构主要包括滑块（一副）、圆形导轨、圆形导轨角度测量仪、圆形导轨上的滑块及其角度测量仪等零部件。

对于设计要求中需要的自由度，定向机构都能完成（除进针运动外）。

长度方向上的运动是通过两边的滑块在床板上的前后同步滑动实现的。为保证滑块滑动时在一条直线上作运动，在滑块底部有凸台，凸台和床板的导轨凹槽的配合实现了导向功能。

宽度方向和高度方向上的运动是通过滑块在圆形导轨上作圆周滑动来实现的。在做圆周运动时，把位移分解为这两个方向上的位移量，由于圆周运动是在特定的函数关系下作的运动，所以，这两个方向上的位移量是存在一定关系的。

圆周导轨上开有圆槽，滑块就是沿着圆槽作精确运动的，滑块和圆槽是用两线接触的方式而不是用面接触的方式来提高定位精度。

由于穿刺的方向不一定指向圆周导轨的圆心，所以在圆形导轨的滑块上又设计了转向机构。转向机构可以偏转一定角度，并随时锁定。

2.3.2进针机构

在进针方向确定以后，就是进针运动。进针运动机构是通过滑块在燕尾槽导轨上的滑动来实现的。燕尾槽导轨就是上述转向机构的一部分，它们是一体的。进针时，滑块可以在任何位置锁定，在此滑块上可以安装穿刺用的针或打孔用的电钻，为保证坐标转换方便，穿刺针或电钻头的回转体中轴线和长度方向上滑块上的中心孔的竖截面在同一平面内。

以上两大部所涉及到位移和角度都可以准确地测量，在行程范围内的任何位置都可以锁止。

3

结果

根据以上设计方案，在较短的时间内完成了设计，制作

出样品，并在人体模型上进行了试验。试验的过程如下：

（1）在医用人体模型内放置一粒塑料小球，作为穿刺目标，固定；

（2）用负压袋把模型固定在定位床上；（3）在穿刺目标区域做CT扫描；（4）把CT图像输入工作站；

（5）在工作站里完成CT图像重建等工作，确定穿刺的目标及进针路线等，系统生成机械臂进针的各参数；

（6）根据给定参数调整机械臂进行穿刺。通过改变穿刺角度、深度等多

(荩荩下转第27页荩荩）

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（像素）作为训练样本，取前述每个样本（像素）的均匀度等8个特征值，构成一个样本（像素）的特征矢量，作为网络的输入。隐层有100个节点，与训练的样本（像素）数对应。输出层有1个神经元对应输出图像的分类，输出0.9表示像素位于目标区域，而输出0.1则表示像素位于非目标区域，即把图像

——目标区域和非目标区域。分割成两部分—

3．4网络的仿真测试

分别提取测试样本（像素）的8个特征值作为输入矢量

输入到训练好的网络，对网络进行测试，网络的输出结果将集中在0.9附近或0.1附近，对其对应的图像像素进行二值化处理，便得到分割后的二值图像。

4结果和结论

图3（a）和图4（a）是提取颅内出血CT图像的感兴趣区域（RegionofInterest，ROI），高亮度区域是颅内病变区域，低亮度区域是颅内组织，不同区域之间的边界相当模糊，将这两幅图像作为测试图像，提取特征矢量输入上述GRBF神经网络进行二值化处理，得到图3（c）和图4（c）。可见，图像被成功分割成病变区域和非病变区域。如果仅改变网络的结构，而其他条件（如提取相同的特征矢量、设置相同的权值和运算过程中的参数等条件）相同的情况下，用RBF神经网络对图3（a）和图4（a）进行分割的结果如图3（b）和图4（b），可见图像二值化的结果不理想，且实验发现网络的泛化能力逊色于GRBF网络。

测试结果表明，尽管医学图像不同组织区域边界模糊，本文提出的基于纹理特征和GRBF神经网络的医学图像分割方法能有效地对其进行正确的分割。

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[5]

5结语

本文针对传统方法不易处理的医学图像等一类边界模

[6][7]

糊的图像，提出了纹理特征和GRBF神经网络相结合的图像分割方法，实验表明，该方法可以成功应用于区域边界模糊的图像分割场合。

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荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨

(荨荨上接第24页荨荨）

项试验，显示该系统的综合误差小于2mm，完全达到了设计要求。误差主要来自以下几个方面：CT的系统误差；模型复位重复性误差；机械臂的加工、装配误差；人为误差等。

动都要靠手工来完成，运动的位置也是通过标尺人工设定的，其目的是避开难点，尽快实现功能。当最低目标完成后，下一步解决的主要问题是机械臂精确自主运动和运动状态反馈等难点问题。

4讨论

计算机辅助外科技术是一门逐渐成熟的技术，类似的

方法同时在一些精确治疗领域得到广泛应用，比如放射治疗的X刀和γ刀等。同时，随着计算机网络技术的深入发展，一些一度相当复杂的技术方法逐步在互联网上得以公布，这使得我们有机会充分利用现有技术去完成一些实用项目的组装与开发，从而更好地服务于临床需要。在本次设计中，软件的主要算法来自于MITK，定位的方法及框架完全等同于适形放疗，只有机械臂是自主设计的。通过对成熟技术的整合，我们在很短的周期内完成了项目的开发，这对于今后的工作是一个成功的借鉴。本次研究的穿刺系统只是CAS技术中较简单的一种，穿刺机械臂6个自由度的运

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