羅 偉 李珊珊 易春犍

Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)在臨床手術導航中的應用*

羅 偉① 李珊珊②* 易春犍①

目的：針對臨床上介入手術中的手術“盲區(qū)”以及微創(chuàng)手術中更精準的手術導航需求，采用新一代Aurora電磁跟蹤技術輔助手術導航，通過與各種手術器械自由組合解決手術中遇到的各種難題。方法：采用Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)與含有金屬材料的醫(yī)療手術環(huán)境相匹配，利用電磁跟蹤系統(tǒng)自帶的控制軟件，采用其配備的軟件開發(fā)工具包(SDK)，使用VC編程語言編寫一套適合臨床手術導航的實時顯示系統(tǒng)。結(jié)果：通過臨床應用，驗證了該系統(tǒng)的優(yōu)點，并體現(xiàn)出Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的性能優(yōu)越。結(jié)論：Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)手術的定位精確，且可供用戶使用SDK，編程操作自由方便，與手術器械組合靈活，易于實現(xiàn)手術的智能導航，全面提升了手術導航的準確度和可控度，在醫(yī)學手術導航中具有深遠的意義。

Aurora系統(tǒng)；電磁跟蹤；手術導航；電磁定位技術

[First-author’s address]First People's Hospital of Jingzhou City, Biomedical Engineering Laboratory, Jingzhou 434000, China.

隨著計算機技術和現(xiàn)代醫(yī)學技術的飛速發(fā)展，輔助醫(yī)學手術導航系統(tǒng)在各類手術中得到廣泛應用，既為醫(yī)生手術提供了優(yōu)化操作手段，也為患者減輕了手術痛苦，有效避免了手術中因“盲區(qū)”帶來的醫(yī)療風險[1-3]。荊州市第一人民醫(yī)院先后引進了美國GE公司的寶石能譜CT、DSA、MRI以及直線加速器等大型醫(yī)療設備。在開展介入治療、內(nèi)鏡診斷和骨科手術的計算機輔助手術治療中，手術導航中的輔助技術非常重要。但傳統(tǒng)的光學跟蹤技術和紅外線定位技術設備較為昂貴，操作復雜，阻礙了定位系統(tǒng)在手術導航中的廣泛應用。本研究通過對手術導航輔助技術的產(chǎn)品選型進行調(diào)查，甄選出NDI公司生產(chǎn)的Aurora系統(tǒng)，因其能夠有效地解決手術中核心定位問題，從而全面提升手術的精準度和可控度，可極大降低手術風險，適用于實現(xiàn)微創(chuàng)、精準和安全的手術導航。

1 Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)

Aurora電磁跟蹤定位系統(tǒng)具有無視線遮擋、精度高、抗金屬干擾和易于集成等特點，已成功應用于介入治療、內(nèi)鏡診斷和骨科手術的計算機輔助手術和治療中，系統(tǒng)的超小型定位線圈可與多種介入工具結(jié)合，在體內(nèi)提供實時定位和引導，如心導管、活檢穿刺針、粒子放療針及消融針等工具的引導。

Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)采用微小傳感器線圈跟蹤測量醫(yī)用級別金屬器件的技術，實現(xiàn)了在遮擋的情況下進行精準實時的空間三維測量，通過Aurora高級的電磁跟蹤技術，系統(tǒng)提供可為特定科研應用定制的精確、可信賴的測量技術(如圖1所示)。

圖1 NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)

1.1 NDI Aurora電磁跟蹤特性參數(shù)

NDI Aurora電磁跟蹤主要采用電磁跟蹤測量原理，無遮擋效應，可用于手術室環(huán)境。設計和測試滿足EN/IEC 60601-1，UL60601-1，CAN/CSA C22-2 No. 601.1和IEC60601-1-2： 2001關于CISPR 11和FCC B級射頻發(fā)射的要求。其中磁場強度不受人體或一般物品的衰減影響，故能夠保持測量精度和范圍。同時支持5自由度(5DOF)和6自由度(6DOF)兩種傳感器線圈。

1.2 Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)由磁場發(fā)生器、系統(tǒng)控制器、工具聯(lián)結(jié)器和定位線圈組成，主要技術指標包括：①測量范圍為90 cm×60 cm；②RMS測量精度可達0.7 mm；③小型5D定位線圈為0.55 mm×8 mm(直徑×長度)；④小型6D定位線圈為1.8 mm×8 mm(直徑×長度)；⑤抗金屬對測量的影響；⑥可同時跟蹤8個定位線圈；⑦定位工具開發(fā)軟件；⑧API開發(fā)界面，方便用戶進行系統(tǒng)集成和二次開發(fā)。其原理如圖2所示。

圖2 NDI Aurora系統(tǒng)的基本組成

其中，磁場發(fā)生器生成電磁場，傳感器線圈主要功能是感應磁場發(fā)生器生成電磁場，可將傳感器線圈嵌入到特定的工具中。傳感器接口單元主要是SIUs系統(tǒng)控制接收單元SCU。系統(tǒng)實現(xiàn)了對發(fā)射天線分時發(fā)送信號，將接收天線感應到的信號采集到計算機進行匯總，通過優(yōu)化的算法進行信號重建序列，從而計算出天線當前所處的具體位置。

2 電磁跟蹤技術在醫(yī)學手術導航中的應用

Aurora系統(tǒng)以特有的超小新一代NDI Aurora電磁定位系統(tǒng)廣泛應用于醫(yī)學研究、神經(jīng)外科、放射腫瘤學治療、手術輔助、介入放射學、脊柱外科手術操作、心臟病近距離放射療法、腹腔鏡和內(nèi)窺鏡操作、定制手術工具植入針、引導鋼絲及醫(yī)學仿真手術等[3-4]。該定位系統(tǒng)的感應器線圈可改進部分現(xiàn)有手術工具，以測量其的5D、6D數(shù)據(jù)，如探針、內(nèi)窺鏡、導管、骨螺釘和導絲等。

醫(yī)學手術導航系統(tǒng)通過將患者術前或術中影像數(shù)據(jù)和患者的解剖結(jié)構準確對應，在手術中跟蹤手術器械在患者影像上以虛擬探針的形式實時更新顯示，使醫(yī)生對手術器械相對患者解剖結(jié)構的位置一目了然。按照NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具包(software development kit，SDK)接口API版的要求，結(jié)合5自由度和6自由度兩類工具設計出適應器械使用的跟蹤信號采集系統(tǒng)軟件模塊，開展系列實驗和臨床應用。

2.1 介入手術

介入手術通常采用經(jīng)數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)下實時觀察。由于設備存在一定的輻射量，手術中會遇到一些血管畸形和開口重疊的情況，極大地增加了手術的難度和對醫(yī)生的傷害。采用Aurora系統(tǒng)的微型5D OF定位線圈，可與導管和導絲結(jié)合。只需在導管和導絲的前端安裝該系統(tǒng)的微型定位感應器，便可使導管前端的情況實時顯示于計算機屏幕上，為介入手術提供實時、準確的圖像信息，有效地豐富了手術中的直觀感受[5，7，9](如圖3所示)。

圖3 電磁跟蹤系統(tǒng)輔助介入手術操作關系圖

2.2 內(nèi)窺鏡檢查

將NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的探針與內(nèi)窺鏡安裝在一起，通過內(nèi)窺鏡的導管及導絲，系統(tǒng)的界面上可以實時得到前端在人體體內(nèi)的實時形態(tài)[6，13]；可指導腸鏡的操作，提高診治成功率，減少并發(fā)癥的發(fā)生，減輕患者的痛苦；還可指導內(nèi)鏡逆行胰膽管造影(endoscopic retrograde cholangiopancreatography，ERCP)導絲的插入，提高ERCP的成功率。同時可以指導膽道、胰管支架的放置等操作，避免了因為角度和背光問題，出現(xiàn)的操作“盲區(qū)”(如圖4所示)。

圖4 電磁跟蹤系統(tǒng)實時控制界面

2.3 腫瘤放射治療

由于NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)具有6DOF定位線圈呈圓柱形狀，其自由度的傳感器線圈為1.8 mm×9 mm，可與細小工具整合，同時提供線形定位器可即時使用，促進了與手術器械的無縫融合和易于分解的優(yōu)點。配合放射治療計劃(treatment planning system，TPS)系統(tǒng)，切實提高TPS運行效率，為物理師提供了新的標志物，對于鎖定腫瘤組織、快速標識出腫瘤的具體位置、減少患者的照射劑量、準確治療和保護正常組織具有深遠的意義。

2.4 心臟手術

NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)在介入手術操作時與手術工具無縫結(jié)合，能夠在術后分離，有很強的復用性。系統(tǒng)提供的工具界面可動態(tài)地顯示出探針、導絲等細小手術工具到達人體心臟的具體三維坐標，有效地提高了手術的成功率，保證了導絲等微小器械不損傷血管或健康組織，保障了患者的生命安全。經(jīng)過準確定位，電腦顯示屏會顯示出手術刀在探針指引下安全到達的器官組織，確保萬無一失。采用導航技術后手術的定位精度可以從厘米級變?yōu)楹撩准?，導航精度的平均值? mm。

3 Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)應用結(jié)果

(1)通過使用該跟蹤系統(tǒng)有效地對手術中需要輔助的位置和角度進行精準的定位和實時的反饋，使醫(yī)生在手術中的操作更心中有數(shù)，游刃有余。本研究對該定位跟蹤系統(tǒng)進行了系列實驗，其結(jié)果見表1。在不

表1 5D OF工具和6D OF工具精度測量結(jié)果表

(2)采用Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)，與含有金屬材料的醫(yī)療手術環(huán)境相匹配，電磁跟蹤系統(tǒng)自帶的控制軟件采用其配備的SDK接口，使用VC.net編程語言編寫出一套適合臨床手術導航的實時顯示系統(tǒng)。該顯示系統(tǒng)主要由電磁跟蹤系統(tǒng)單元、手術器械固定件、傳感器電纜、電磁跟蹤系統(tǒng)控制軟件界面、SDK衍生出的相應實例應用程序。為了讓應用實例更加適應與醫(yī)療診治，在不同的醫(yī)學手術導航應用中進行了300余次性能測試和操作對比實驗，測量出了跟蹤系統(tǒng)的精確程度，統(tǒng)計出對應不同手術應用情況。

(3)通過多種手術器械和在不同醫(yī)療手術導航中的實驗，按照5D和6D OF工具精度測量情況所得到的數(shù)據(jù)，整理出了對應兩種不同定位線圈所適合手術器械情況對照表，并對手術導航使用效果進行了統(tǒng)計。6D OF定位線圈適用于內(nèi)窺鏡診斷、放射治療、婦科手術、骨科手術、神經(jīng)外科手術及粒子放療，但不適用于介入治療。5D OF定位線圈適用于介入治療和粒子治療。兩種定位線圈可較好地覆蓋所有手術導航操作需要(見表1)。

Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)可在遮擋的情況下進行精確實時的空間三維測量，使手術更加安全。在手術過程中系統(tǒng)工具屏幕上出現(xiàn)“實時顯現(xiàn)”的腦部結(jié)構顯示圖，避免了傳統(tǒng)算法下的圖像位置畸變問題。準確實時監(jiān)測，避免各種原因造成的手術部位移位、變形所產(chǎn)生的誤差[11，12，14]。

4 結(jié)語

采用Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)可與多數(shù)常用手術器械和設備相連，連接方便快捷，拆卸容易，且價格合理。根據(jù)本研究實驗所得配型參照表，因事而異，準確搭配相應的手術器械和技術參數(shù)，為臨床診療工作提供了更新、更廣闊的應用空間，全面提升了手術導航的準確度和可控度。通過對該系統(tǒng)的不斷完善，可有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，促進手術導航的規(guī)范化、標準化，為醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展提供強大的技術支持。參考文獻[1]田和強，吳冬梅，王繼虎，等.基于電磁定位的手術導航探針可視化與實時跟蹤技術[J].機器人，2011，33(1)：59-66.

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Research on the aurora electromagnetic tracking system in the medical surgical navigation application

/LUO Wei, LI Shan-shan, YI Chun-jian// China Medical Equipment,2014,11(1):22-25.

Objective:For clinical interventional procedures in surgery, "blind spot", as well as minimally invasive surgery more precise surgical navigation requirements, this paper explores the use of a new generation of Aurora electromagnetic tracking technology assisted surgical navigation through free combination with a variety of surgical instruments, surgical further addressed various problems encountered.Methods:Aurora electromagnetic tracking system used with metal-containing material that matches the medical surgical environment, the use of electromagnetic tracking system comes with control software, the use of which is equipped with the SDK (secondary development package), I use a set of VC programming language suitable for clinical surgical navigation, real-time display system, and in our hospital different medical surgical navigation application performance test and comparative experiments measured the accuracy of the tracking system, the statistics of various surgical instruments corresponding to different surgical applications.Results:By author in Jingzhou City, First People's Hospital conducted a series of clinical application, verify the advantages of the system, allows doctors during surgery even more powerful, fully reflects the Aurora electromagnetic tracking system, superior performance, as well as in the medical surgical navigation important far-reaching significance.Conclusion:By using a variety of surgical instruments and medical surgical navigation in different experiments, we found that Aurora electromagnetic tracking system surgery centimeter-level positioning accuracy can be changed from the millimeter level, navigation accuracy average of less than 2 mm, and is available for user secondary development package, free easy programming operation, combined with surgical instruments and flexible, easy to implement intelligent navigation surgery. For clinical work provides an updated, more broad application space, enhancing the overall surgical navigation accuracy and controllability.

Aurora system; Electromagnetic tracking system; Surgical navigation; Electromagnetic positioning technology

1672-8270(2014)01-0022-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.008

2013-10-18

湖北省教育廳教學項目(HBJ2014-03-44563) “基于VTK技術的腔鏡培訓系統(tǒng)的設計與應用”

*專利：國家發(fā)明專利(201010543896.X)“構建外科虛擬手術教學及訓練系統(tǒng)的方法”

①荊州市第一人民醫(yī)院生物醫(yī)學工程實驗室 湖北 荊州 434000

②荊州市中心血站質(zhì)管科 湖北 荊州 434000

*通訊作者：magic889@hotmail.com

羅偉,男,(1978- ),碩士，高級工程師。荊州市第一人民醫(yī)院生物醫(yī)學工程實驗室主任；湖北省生物醫(yī)學工程學會生物醫(yī)學儀器專業(yè)委員會委員。研究方向：醫(yī)學圖像處理、生物醫(yī)學光子學、人工智能交互技術。