计算机辅助立体定向神经外科手术导航系统

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1、第20卷第6期中国医学影像技术2004年计算机辅助立体定向神经外科手术导航系统*张仕刚谢耀钦包尚联北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心和医学物理和工程北京市重点实验室北京100871摘要本文介绍一个基于红外定位系统、三维可视化技术和三维图像处理技术的计算机辅助立体定向神经外科手术导航系统。系统对病人脑部扫描的断层图像数据进行三维重构，经网格简化和切割等处理后将其显示出来。为了达到手术过程中组织结构的精确定位，采用红外导航技术，利用在病人头部的定位标志点，进行图像坐标系和手术室坐标系的校准。关键词手术导航立体定

2、向神经外科手术三维可视化图像处理ComputerAssistedStereotacticNeurosurgeryNavigationSystem*ZHANGShigangXIEYaoqinBAOShanglianTheResearchCenterforTumorDiagnosisandRadiotherapeuticalPhysicsandLabofMedicalPhysics&Engineering,PekingUniversity,Beijing100871AbstractAnewcomputeras

3、sistedstereotacticneurosurgerynavigationsystemispresentedinthispaper.Thissystemisbasedon3Dvisualizationand3Dimageprocessingtechniqueswithaninfraredstereotacticinstrument.Afterreconstructingthe3Dmodelofthebrainstructures,furtherprocessings,suchasmeshsimpli

4、ficationand3Dmodelcuttingareperformedonthemodel.Aninfraredstereotacticinstrumentisconnectedwiththecomputertoensureprecisepositioningofthebrainstructures.Markersattachedonthepatient’sheadaredetectedbytheinstrumenttocreatethemappingbetweentheimagecoordinate

5、andtheoperatingroomcoordinate.KeywordsSurgicalnavigation,Stereotacticneurosurgery,3Dvisualization,ImageProcessing1、引言神经外科手术的医学影像导航系统是近年来发展非常迅速的一个领域。在发达国家，这类导航技术已经在临床广泛使用。国内在关键技术和系统集成方面的研究工作还不多，为此，我们对其中的关键技术研究以及如何把这些关键技术集成为系统的工作进行了尝试。神经外科手术应在切除病灶的同时最大限度地保护

6、正常组织，并降低手术创伤，其间关键问题是术前如何制订手术计划、术中如何进行实时监督以及术后如何对手术质量进行检验。多模态医学影像提供的信息、定位技术以及把这些信息和技术整合在一起的系统集成方法为发展基于医学影像的外科术前计划、手术时的实时导航以及手术完成时对手术完成情况的检验提供了可靠的保证。作者在总结前人工作的基础上，结合在实际开发用于临床的计算机辅助立体定向神经外科手术导航系统软硬件过程中的经验，对系统中的各种关键技术进行探讨。2、计算机辅助立体定向神经外科手术导航系统系统的工作流程大体上可以用图1表

7、示：如图1所示，MRI/CT扫描的图像数据从进入工作流程开始要经过一系列处理才能显示在医生面前。首先应在病人头部贴三个以上的标志点，然后连同标志点对病人头部进行断层扫描。计算机读入扫描所得图像数据后，开始对图像进行一系列处理，并把处理结果显示在医生面前。医生可在手术前根据图像选择规划路径，以避免损伤重要组织结构。手术过程中，病人的脑部结构、规划路径连同手术器械一同显示于屏幕上，以供医生参考。82第20卷第6期中国医学影像技术2004年贴标MRI/CT数据输病人信息感兴趣志点扫描入输出显示区勾画术中术前三维

8、可图像重建和导航计划视化三维处理手术完成图1导航系统的工作流程2.1图像的三维重建和显示为清晰显现原始图像中的各种组织结构信息，需将患者头部的三维模型准确地重构出来。三维模型重构是一个很重要的步骤。一方面，重构应该有良好的视觉效果；另一方面，重构应该尽量准确，重构的准确性将影响到后面定位的准确性，是衡量导航可靠性的一个重要指标。如果图像有变形或在采集过程中受到噪声干扰，可能需要首先去除背景噪声，并对图像进行严格的配准[1]，这