基于椎弓根钉置入的手术导航系统研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文硕士学位论文基于椎弓根钉置入的手术导航系统研究RESEARCHONTHESURGICALNAVIGATIONSYSTEMBASEDONTHESPINALSCRAWIMPLANTATIONSURGERY王继虎2009年6月-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题目的及意义在脊柱外科手术中，经椎弓根准确置入螺钉技术是椎弓根螺钉（pediclescrew,PS）固定系统能否发挥其生物力学特性的关键。螺钉的张力和它的直径平方成正比，扭力和直径的立方成正比。所以往往

2、选择最大直径的椎弓根螺钉固定，使螺钉不但具有最大的抗疲劳能力，而且可完全包容于椎弓根的骨性界限内，这给椎弓根钉的置入带来了很大的难度。螺钉置入时，穿透椎弓根皮质骨的比例很高，达20%-30%[1]。稍有失误就会进入椎管，损伤脊髓和神经根，造成肢体功能障碍。自从1986年美国的Roberts等[2]率先将手术导航系统引进神经外科临床， Steinmann等[3]将这一技术用于脊柱外科，临床实践已证实脊柱导航系统可以 明显改进椎弓根螺钉植入的精确性和安全性，Foley等[4]使用电磁导航技术对6具尸体腰椎

3、置入椎弓根螺钉，术后CT扫描和直视检查，没有一枚螺钉突破椎 弓根皮质。Kalfas等[5]随访电磁导航下置入30例、150枚腰椎椎弓根螺钉。术 后CT扫描证实149例位置满意。Youkilis等[6]报道电磁导航下置人65例、266枚胸椎椎弓根螺钉。4年后随访，椎弓根皮质骨的穿透率为8.5％，远远低于传 统的置入方法。海涌等[7]报告了电磁导航技术在32例胸腰椎手术中的应用，统计显示应用导航组的平均手术时间较常规手术显著缩短，血量两组没有统计学差异。术后CT扫描，所有椎弓根螺钉置入准确，没有椎管壁破裂

4、现象。由此可见，图像导航辅助椎弓根钉置入能让手术医生清楚地了解脊柱解剖结构和椎弓根螺钉进针点及进针方向，并通过实时追踪将椎弓根螺钉固定于椎体的正确位置，提高手术准确率。手术导航系统可以大大地降低手术的风险，并且可以更快地完成手术，减少病人的痛苦。手术导航技术正以惊人的速度发展，越来越多的骨科医生已熟悉并掌握其应用方法，并且逐步探索新的应用领域。本课题面向椎弓根钉置入手术，利用电磁定位的方式对手术导航系统进行研究，要解决的关键技术为术前的手术规划和术中的手术导航。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.

5、1手术导航系统介绍手术导航系统又被称为基于图像导航的手术系统，是近年来在国际上发展迅速的一个领域，被认为是微创外科的主要组成部分之一，改变了传统医疗外科的许多概念。这里的“导航”的概念不同于我们所说的机器人的导航。它是指利用先进成像设备,如CT、MRI，所得到的多模式图像数据，在计算机的帮助下，制定合理、定量的手术方案，并在适当的图像监视和立体定位系统下，将手术工具位置显示在术前拍摄的透视影像（如CT）上，对手术进行实时的导航。市场上的手术导航系统按照手术执行方式分为两类，一类是仅由医生参与手术的导航

6、系统，这种系统比较常见。医生主要通过显示屏上所显示的手术工具与病人的相对位置来进行手术。另一种导航系统是有机器人参与的手术导航系统，这种系统主要用于对精度要求比较高的手术，而且这种系统是在第一种系统的基础上建立起来的。基于CT的手术导航系统的流程如图1-1所示。首先对病人进行扫描，获取图像，然后在软件系统中进行重建和手术规划，制定手术路径。在术中，利用定位系统将手术空间中的各个坐标系统一起来。然后，软件实时获取手术工具位置信息并将其显示在屏幕上，对手术进行导航。图1-1典型的手术导航系统流程手术导航系

7、统有两个主要特点：透视性和精确性。透视性指医生可以在显示屏上看到病人身体内部的组织器官，以及手术工具在病人身体内部的位置和姿态。这样，在手术过程中，甚至可以不用打开病人的身体而进行手术，因此，这种方式可用于辅助进行微创手术。-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文手术导航系统的精确性指的是手术过程中，计算机中所获取的手术工具在手术空间的位置的准确度。计算机获取手术工具的位置，并将它显示在图像的正确位置，引导医生进行手术。它的精确度是由采用的定位系统及所选择的配准算法来保证的。1.1手术导航系统的国内外研究

8、现状1986年美国Roberts等人[8]实现了第一台手术导航系统，将CT图像和手术显微镜结合起来，运用超声定位来引导手术，在临床取得了成功。如图1-2所示。随后，Bernett和Reinhardt对声波系统进行了改进，使精度有了一定的提高。图1-2Roberts等人设计的手术导航系统1999年MIT人工智能实验室开发了用于手术规划和导航的软件系统3DSlicer（图1-3）。3DSlicer在OpenGL图形类库的基础上，使用VTK（Visualiza