基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术系统1122212000.9 杭州基于虚拟现实的计算机辅助课件概述背景背景计算机图象与图形的迅速发展，为医学图象处理提计算机图象与图形的迅速发展，为医学图象处理提供了强有力的工具供了强有力的工具仅基于仅基于CT或或MRI图象进行病例分析、诊断和手术规图象进行病例分析、诊断和手术规划，已经很难精确完成许多诸如脑神经外科等复杂划，已经很难精确完成许多诸如脑神经外科等复杂的外科手术。的外科手术。一些精细手术难以用常规方法完成，利用机器人高一些精细手术难以用常规方法完成，利用机器人高技术可以完成手术部位的精确定位，实现手术的最技术可以完成手术部位的精确定位，实现手术的最小损伤。小损伤。基于虚拟现实的计算机辅助课件立体定向神经外科手术传统脑神经外科手术传统脑神经外科手术需要打开病人颅骨需要打开病人颅骨对位于大脑深部的病变无法处理对位于大脑深部的病变无法处理病人康复时间长病人康复时间长被感染的机会增加被感染的机会增加立体定向脑神经外科手术立体定向脑神经外科手术无需开颅，只要在颅骨上钻一个小孔无需开颅，只要在颅骨上钻一个小孔定位系统引导下将外科器件引入脑内进行手术定位系统引导下将外科器件引入脑内进行手术病人痛苦减少病人痛苦减少安全，康复时间短安全，康复时间短基于虚拟现实的计算机辅助课件立体定向神经外科手术定向手术成功的条件定向手术成功的条件准确识别组织和病灶准确识别组织和病灶确定正确的穿刺路径确定正确的穿刺路径和穿刺点和穿刺点在患者头部精确定位在患者头部精确定位传统框架立体定向脑传统框架立体定向脑神经外科手术神经外科手术在扫描图像中规划在扫描图像中规划通过框架定位通过框架定位基于虚拟现实的计算机辅助课件计算机辅助立体定向手术系统计算机辅助立体定向神经外科手术系统集中了多种计计算机辅助立体定向神经外科手术系统集中了多种计算机图形图像技术。算机图形图像技术。包含有二维医学图象处理、三维体模型和表面模型的包含有二维医学图象处理、三维体模型和表面模型的重构、显示以及漫游等功能。重构、显示以及漫游等功能。在计算机中三维模型的引导下利用机械臂进行手术路在计算机中三维模型的引导下利用机械臂进行手术路径的导航和手术操作的支持。径的导航和手术操作的支持。通过虚拟现实设备，系统同时提供一个虚拟手术环境，通过虚拟现实设备，系统同时提供一个虚拟手术环境，对医生起到培训和教学的作用。对医生起到培训和教学的作用。基于虚拟现实的计算机辅助课件计算机辅助立体定向神经外科手术系统计算机辅助手术系统的特色计算机辅助手术系统的特色采用标记点定位采用标记点定位,抛弃了框架抛弃了框架三维脑部模型显示和手术规划三维脑部模型显示和手术规划机械臂导航和手术支持机械臂导航和手术支持基于虚拟现实的手术培训和教学基于虚拟现实的手术培训和教学基于虚拟现实的计算机辅助课件计算机辅助手术系统的结构基于虚拟现实的计算机辅助课件脑部模型的重构和可视化显示采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病灶组织和采用手动和半自动轮廓勾勒方法得到病灶组织和重要组织轮廓重要组织轮廓由轮廓线重构病灶和其他组织的表面模型由轮廓线重构病灶和其他组织的表面模型使用体模型和面模型混合绘制脑部三维模型使用体模型和面模型混合绘制脑部三维模型提供多角度提供多角度,多深度和任意剖面的显示多深度和任意剖面的显示基于虚拟现实的计算机辅助课件图 例系统半自动提取的颅骨轮系统半自动提取的颅骨轮廓廓( (图中红线所示图中红线所示) )实际手术中由医生勾勒的实际手术中由医生勾勒的病灶轮廓病灶轮廓( (图中红线所示图中红线所示) )基于虚拟现实的计算机辅助课件手术规划通通过过对对模模型型的的多多角角度度观观察察，医医生生可可以以对对患患者者脑脑部部任任意意位置的状况有一个清楚的了解。位置的状况有一个清楚的了解。医医生生可可以以通通过过系系统统提提供供的的模模型型清清楚楚的的“观观察察”病病人人的的脑脑组组织织情情况况，在在模模型型上上进进行行手手术术规规划划和和验验证证，以以确确定定手术的具体方案。手术的具体方案。根根据据各各种种参参数数调调整整手手术术规规划划方方案案，使使穿穿刺刺点点尽尽量量位位于于病病灶灶的的中中心心, ,使使规规划划中中的的穿穿刺刺路路径径尽尽量量避避开开重重要要的的组组织织和神经，确保患者的安全和手术的成功。和神经，确保患者的安全和手术的成功。基于虚拟现实的计算机辅助课件图 例术前规划术前规划( ( 图中紫线为规图中紫线为规划的穿刺路径划的穿刺路径), ), 左上左上, ,左左下下, ,右上图是模型三个剖右上图是模型三个剖面图面图, ,右下为病灶组织的右下为病灶组织的三维结构三维结构( (红色红色) )病人脑部病灶的三维表面病人脑部病灶的三维表面模型模型( (图中黄线为规划穿图中黄线为规划穿刺路径刺路径) )基于虚拟现实的计算机辅助课件基于标记点的手术校准完成模型到患者的头部正确的映射，必须实现完成模型到患者的头部正确的映射，必须实现两个条件两个条件:在患者的头部建立一个参照坐标系在患者的头部建立一个参照坐标系可以在这个坐标系中精确的定位可以在这个坐标系中精确的定位系统采用标记点建立患者头部的参照坐标系系统采用标记点建立患者头部的参照坐标系克服了框架结构的缺点克服了框架结构的缺点需要辅助的定位设备需要辅助的定位设备基于虚拟现实的计算机辅助课件系统模型与患者头部的映射固定在患者头部的标记点固定在患者头部的标记点( (红色箭头所指红色箭头所指) ) 头部的标记点在头部的标记点在CTCT图像中图像中的成像的成像( (红色箭头所指红色箭头所指) ) 基于虚拟现实的计算机辅助课件系统模型与患者头部的映射患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标系患者头部的四个标记点建立一个仿射坐标系头部空间的任意一点的位置头部空间的任意一点的位置M都可以一个仿射坐标都可以一个仿射坐标（x，y，z）唯一确定唯一确定模型坐标与患者头部坐标的映射可以用一个刚模型坐标与患者头部坐标的映射可以用一个刚体变换矩阵表示。体变换矩阵表示。基于虚拟现实的计算机辅助课件系统模型与患者头部的映射模型中任意位置与患者头部位置的映射矩模型中任意位置与患者头部位置的映射矩阵及映射公式阵及映射公式基于虚拟现实的计算机辅助课件机械臂与患者头部的校准无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航工无动力五自由度机械臂作为手术定位和导航工具具机械臂任何动作都是在其自己独立的坐标系中机械臂任何动作都是在其自己独立的坐标系中完成和计算的完成和计算的要精确定位，必须得到机械臂坐标与患者头部要精确定位，必须得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射关系坐标的映射关系基于虚拟现实的计算机辅助课件无动力无自由度机械臂基于虚拟现实的计算机辅助课件机械臂与患者头部的校准患者头部固定后，医生操纵机械臂依次接触患患者头部固定后，医生操纵机械臂依次接触患者头部的标记点者头部的标记点得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射矩阵得到机械臂坐标与患者头部坐标的映射矩阵基于虚拟现实的计算机辅助课件手术导航和手术支持模型中的手术规划转化为机械臂坐标模型中的手术规划转化为机械臂坐标机械臂的任何运动映射到模型上，指导机械臂机械臂的任何运动映射到模型上，指导机械臂的进一步运动的进一步运动机械臂到达预定位置，予以锁定，通过安装在机械臂到达预定位置，予以锁定，通过安装在机械臂上的手术器械进行手术机械臂上的手术器械进行手术基于虚拟现实的计算机辅助课件机械臂在模型中的映射机械臂在模型中的映射( (图中黄线为机械图中黄线为机械臂前臂的中轴臂前臂的中轴, ,紫线为规划穿刺路径紫线为规划穿刺路径) )基于虚拟现实的计算机辅助课件利用机械臂上安装的手术器械排出患者脑利用机械臂上安装的手术器械排出患者脑中的囊液中的囊液基于虚拟现实的计算机辅助课件基于虚拟显示的手术培训建立虚拟手术环境的必要性建立虚拟手术环境的必要性在立体定向手术中，医生不能直接观察到患者的脑在立体定向手术中，医生不能直接观察到患者的脑部组织，因此医生必须熟练掌握该系统部组织，因此医生必须熟练掌握该系统建立虚拟手术环境的基本条件建立虚拟手术环境的基本条件虚拟场景，虚拟患者虚拟场景，虚拟患者立体显示设备立体显示设备空间定位设备空间定位设备基于虚拟现实的计算机辅助课件虚 拟 手 术虚拟病人虚拟病人利用网上共享的医疗资料和真实患者的扫描数据利用网上共享的医疗资料和真实患者的扫描数据虚拟手术虚拟手术按照实际手术操作按照实际手术操作以机械臂作为空间定位设备以机械臂作为空间定位设备可以在人脑内部进行漫游可以在人脑内部进行漫游基于虚拟现实的计算机辅助课件虚虚 拟拟 手手 术术 场场 景景虚虚 拟拟 手手 术术 试试 验验基于虚拟现实的计算机辅助课件虚拟手术中的场景显示虚拟手术中的场景显示虚拟病人脑组织剖面的放大显示虚拟病人脑组织剖面的放大显示基于虚拟现实的计算机辅助课件试 验 与 分 析系统误差小于系统误差小于3.0 mm误差产生的原因误差产生的原因机械误差机械误差扫描数据的误差扫描数据的误差图像处理的误差图像处理的误差使用该系统，已经成功了进行了使用该系统，已经成功了进行了100多例立体多例立体定向脑外科手术定向脑外科手术基于虚拟现实的计算机辅助课件谢 谢2000.9基于虚拟现实的计算机辅助课件