姚潔，伍國林，吳水才

北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與生命學(xué)部 生物醫(yī)學(xué)工程系 智能化生理測(cè)量與臨床轉(zhuǎn)化北京市國際科研合作基地，北京 100124

引言

原發(fā)性肝癌是全球第六大常見的癌癥，我國肝癌新發(fā)病例占全球的45.3%，是我國第5 位常見惡性腫瘤及第2 位腫瘤致死病因[1-3]。目前肝腫瘤手術(shù)切除、肝移植和消融治療已成為原發(fā)性肝癌的3 種主要治療方法[4-7]。肝腫瘤微波和射頻消融治療由于其操作簡(jiǎn)單、微創(chuàng)、療效顯著等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為治療原發(fā)性肝癌的有效方法[8]。在術(shù)前，醫(yī)生依據(jù)CT、MRI 等斷層影像圖像構(gòu)建的三維可視化模型，對(duì)患者肝腫瘤消融穿刺路徑進(jìn)行規(guī)劃；術(shù)中，在影像技術(shù)引導(dǎo)下，醫(yī)生憑經(jīng)驗(yàn)確定經(jīng)皮穿刺點(diǎn)的位置與深度。在實(shí)際消融治療中，醫(yī)生往往很難做到穿刺與消融治療一步到位[9-10]。大量研究表明，消融針穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)可在術(shù)中為醫(yī)生提供輔助與指導(dǎo)，提高肝腫瘤熱消融治療穿刺成功率[11-13]?；诖?，本文旨在研制一種肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)，用于輔助醫(yī)生進(jìn)行肝腫瘤經(jīng)皮穿刺，提高手術(shù)的安全性與有效性。

1 方法

1.1 術(shù)中定位技術(shù)

在肝腫瘤穿刺中，穿刺位置選取與深度的不恰當(dāng)可能導(dǎo)致不完全消融和較高的復(fù)發(fā)率，精準(zhǔn)的術(shù)中定位對(duì)于達(dá)到足夠的腫瘤消融覆蓋和治療至關(guān)重要。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)中定位一般有機(jī)械定位、超聲定位、光學(xué)定位與電磁定位[11-14]。電磁定位不易受障礙物遮擋和反光物干擾，可以對(duì)非剛性手術(shù)器械進(jìn)行準(zhǔn)確定位，且分辨率較高[15-16]。在肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選取加拿大NDI 公司生產(chǎn)的Aurora 電磁定位儀來追蹤患者與手術(shù)器械的物理坐標(biāo)空間位姿，以提高手術(shù)導(dǎo)航的精度。

1.2 空間配準(zhǔn)技術(shù)

空間配準(zhǔn)是為了在不同坐標(biāo)系之間尋求其轉(zhuǎn)換關(guān)系。肝腫瘤熱消融導(dǎo)航系統(tǒng)中，三維影像模型、定位設(shè)備以及患者均有各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，通過確定圖像系統(tǒng)和定位導(dǎo)航系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將消融針按照?qǐng)D像系統(tǒng)顯示的術(shù)前規(guī)劃穿刺路徑插入病灶靶點(diǎn)，并在這個(gè)過程中實(shí)時(shí)跟蹤消融針位置和姿態(tài)。

手術(shù)導(dǎo)航中的空間配準(zhǔn)技術(shù)主要有標(biāo)記點(diǎn)法、標(biāo)志面法、定位框架法等，標(biāo)記點(diǎn)法是目前臨床中最常用的配準(zhǔn)方法[17]。標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)法是利用不同坐標(biāo)系下一定數(shù)目的公共點(diǎn)作為配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，尋求不同坐標(biāo)系下變換誤差最小的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量。標(biāo)記點(diǎn)類型主要包括解剖標(biāo)記點(diǎn)和粘貼于皮膚表面的自定義標(biāo)記點(diǎn)兩種。解剖標(biāo)記點(diǎn)利用人體的顯著特征作為標(biāo)記點(diǎn)，如鼻根、眼角、下頜角點(diǎn)等[18]。人工粘貼標(biāo)記點(diǎn)由醫(yī)生在術(shù)前粘貼于患者體表，由成像設(shè)備掃描成像后表現(xiàn)出與其周圍組織灰度值的明顯差異，方便識(shí)別、提取圖像中的標(biāo)記點(diǎn)位置信息。

基于不同坐標(biāo)系下成對(duì)點(diǎn)集的剛性空間配準(zhǔn)算法，目前常用的主要是奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）法、最近值迭代法、單位四元數(shù)法和主元分析法等，其本質(zhì)均是求得使誤差最小的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣[19-20]。本研究通過在患者腹部粘貼標(biāo)記點(diǎn)，基于三維影像空間坐標(biāo)系和電磁導(dǎo)航坐標(biāo)系下粘貼的標(biāo)記點(diǎn)作為配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，采用基于SVD 的剛性空間配準(zhǔn)算法。

在任意兩個(gè)相同尺度笛卡爾三維坐標(biāo)系中，存在P｛p1,p2,…,pn｝和Q｛q1,q2,…,qn｝兩個(gè)匹配點(diǎn)集，pi和qi為兩個(gè)坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)。本文基于SVD 算法求解配準(zhǔn)點(diǎn)集之間所需的剛體變換，即求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量t的最小化，對(duì)齊誤差如公式（1）所示。

式中，SO(3)為三維旋轉(zhuǎn)群；R∈SO(3)為旋轉(zhuǎn)矩陣；R為正交矩陣，且行列式為1；R3表示笛卡爾三維坐標(biāo)系。

計(jì)算點(diǎn)集P 的中心點(diǎn)和點(diǎn)集Q 的中心點(diǎn)q，計(jì)算方式分別如公式（2）和公式（3）所示。

為計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣，需要消除平移向量影響，故需要將點(diǎn)集重新中心化，生成新點(diǎn)集X 和Y，其中xi和yi分別表示新點(diǎn)集中的點(diǎn)，具體計(jì)算方式如公式（4）所示。

計(jì)算點(diǎn)集X 和Y 之間3×3 的協(xié)方差矩陣S=XYT。通過SVD 算法分解S 得到S=U∑VT，其中U 和V 均為3×3 的正交矩陣?；赨 和V，計(jì)算兩點(diǎn)集之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R 如公式（5）所示。

正交矩陣R 可能是旋轉(zhuǎn)矩陣或反射矩陣，通過驗(yàn)證R 的行列式對(duì)反射矩陣的情況進(jìn)一步處理。當(dāng)det(VUT)=1 時(shí)，R 為旋轉(zhuǎn)矩陣；當(dāng)det(VUT)=-1 時(shí)，R 為反射矩陣，為將旋轉(zhuǎn)解轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行處理，得到旋轉(zhuǎn)矩陣如公式（6）所示。將R 帶入公式（6），計(jì)算得到兩點(diǎn)集之間的平移向量t，其計(jì)算方式如公式（7）所示。

1.3 肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)功能框圖如圖1 所示，主要由數(shù)據(jù)管理、空間配準(zhǔn)和路徑規(guī)劃3 個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)CT 圖像的讀取、分割處理和三維可視化。路徑規(guī)劃模塊完成消融針進(jìn)針路徑的合理規(guī)劃、交互式調(diào)整和實(shí)時(shí)顯示。空間配準(zhǔn)模塊通過電磁設(shè)備讀取消融針的空間位置，使消融針沿著規(guī)劃的路徑穿刺進(jìn)入腫瘤。肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的主界面如圖2所示，包括數(shù)據(jù)管理、CT 數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)功能等區(qū)域，其中系統(tǒng)主要功能區(qū)包括設(shè)備管理、圖像配準(zhǔn)及手術(shù)規(guī)劃實(shí)施。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

圖2 肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)主界面

肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)硬件由電磁定位系統(tǒng)和PC 端三維影像系統(tǒng)組成。如圖3 所示，電磁定位裝置為NDI 公司的NDI Aurora 電磁跟蹤系統(tǒng)，包括控制器和發(fā)射線圈兩個(gè)部分，可在遮擋的情況下確定患者/腹部體模的實(shí)際位置，同時(shí)用于實(shí)時(shí)追蹤裝有電磁傳感器消融針的位姿。裝有電磁傳感器的消融針將電磁傳感器放置于自制電磁傳感器放置套中，安裝固定在消融針尾端。腹部體模采用的是美國Cirs 071A 穿刺體模，包含12 個(gè)腫瘤病灶。系統(tǒng)界面利用MFC 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件基于ITK、VTK、OpenCV 開源工具包實(shí)現(xiàn)，矩陣計(jì)算使用Eigen 庫。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 系統(tǒng)工作流程

肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程如圖4 所示，在三維影像處理系統(tǒng)導(dǎo)入CT 數(shù)據(jù)后，通過圖像處理在數(shù)據(jù)顯示區(qū)顯示橫截面、矢狀面和冠狀面圖像及三維重建后的模型。隨后建立三維影像系統(tǒng)與電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的通信，通過電磁定位儀獲取腹部粘貼標(biāo)記點(diǎn)在電磁導(dǎo)航坐標(biāo)系下位姿信息，同時(shí)通過三維影像系統(tǒng)獲取對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)在三維影像空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)信息，得到兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)集。通過奇異值分解方法求得三維影像空間坐標(biāo)系和電磁導(dǎo)航坐標(biāo)系的變換關(guān)系?；谌S影像系統(tǒng)對(duì)CT 圖像處理獲得的三維模型，進(jìn)行穿刺手術(shù)路徑的規(guī)劃，通過對(duì)消融針的電磁定位實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)穿刺導(dǎo)航。

圖4 肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 空間配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對(duì)SVD 算法在肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的空間配準(zhǔn)中準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了腹部體模與其CT圖像的配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行測(cè)試。

在腹部體模上粘貼6 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（序號(hào)1～6）后進(jìn)行CT 掃描，將掃描得到的圖像進(jìn)行分割和三維重建。通過電磁定位儀采集腹部體模標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)，使用SVD求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。腹部體模與重建的三維模型配準(zhǔn)示意圖如圖5 所示，在腹部體模與重建三維模型兩個(gè)坐標(biāo)系中，三維模型中序號(hào)1～6 標(biāo)記點(diǎn)與腹部體模中序號(hào)1’～6’標(biāo)記點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。獲取這六對(duì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，通過SVD 變換得到兩個(gè)空間坐標(biāo)系的剛性變換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度的評(píng)價(jià)方式通常是利用轉(zhuǎn)換前后公共點(diǎn)坐標(biāo)差值的均方根值來進(jìn)行評(píng)價(jià)。進(jìn)行20 次實(shí)驗(yàn)，依據(jù)每次實(shí)驗(yàn)中獲取體膜6 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在三維影像坐標(biāo)系與經(jīng)轉(zhuǎn)換求得三維影像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)計(jì)算得到均方根誤差，將計(jì)算誤差值與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)編號(hào)繪制為柱狀圖（圖6），其中實(shí)驗(yàn)中最大均方根誤差不超過1.5 mm，平均均方根誤差為1.262 mm。

圖5 體模與重建模型配準(zhǔn)示意圖

圖6 體膜標(biāo)記點(diǎn)空間配準(zhǔn)均方根誤差柱狀圖

2.2 肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為評(píng)估肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，本文設(shè)計(jì)了如圖7 所示的模型實(shí)驗(yàn)。在對(duì)掃描后的腹部體模CT 影像進(jìn)行三維重建并手動(dòng)規(guī)劃穿刺路徑后，建立PC 端導(dǎo)航系統(tǒng)軟件與電磁定位儀的通信，來獲取穿刺消融針的空間位置。在進(jìn)行肝腫瘤穿刺路徑規(guī)劃后，手持消融針，依據(jù)實(shí)時(shí)映射在三維影像坐標(biāo)系中的消融針位姿對(duì)消融針進(jìn)針位置與角度進(jìn)行調(diào)整，直至三維影像中消融針與規(guī)劃路徑重合，將消融針沿著規(guī)劃穿刺路徑進(jìn)針。當(dāng)三維影像中顯示消融針針尖到達(dá)腫瘤中心位置時(shí)，完成進(jìn)針引導(dǎo)。

圖7 系統(tǒng)引導(dǎo)消融針穿刺示意圖

本文選取的5 位操作人員均為之前未接觸過該系統(tǒng)且無臨床操作經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室人員，參照上述步驟對(duì)體模中5 個(gè)腹部模擬腫瘤進(jìn)行了精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，其中目標(biāo)位置誤差為穿刺后消融針針尖位置與規(guī)劃路徑末端位置的均方根誤差。由表1 可知，系統(tǒng)最大目標(biāo)位置誤差不超過5.00 mm，平均目標(biāo)位置誤差為3.10 mm。

表1 模擬腫瘤穿刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 討論

本文針對(duì)肝腫瘤熱消融治療過程中消融針實(shí)時(shí)引導(dǎo)問題，開發(fā)了一套肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，標(biāo)記點(diǎn)從電磁導(dǎo)航坐標(biāo)系映射到三維影像坐標(biāo)系，坐標(biāo)信息與實(shí)際三維影像坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)基本相同，但還存在一定誤差。分析出現(xiàn)上述誤差的主要原因是在電磁定位針采集腹部體模標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，定位針的放置可能存在偏差；同時(shí)標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量以及體模在磁場(chǎng)空間中放置位置可能會(huì)對(duì)配準(zhǔn)精度造成一定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配準(zhǔn)算法最大均方根誤差不超過1.5 mm，平均均方根誤差為1.262 mm，算法誤差較小，具有較好的精度，可應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)患者與其三維影像的配準(zhǔn)。

Teng 等[11]基于電磁導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)助醫(yī)生完成1 例肺腫瘤消融手術(shù)，在術(shù)后評(píng)估中未出現(xiàn)出血、氣胸、感染、胸腔積液等并發(fā)癥，表明電磁導(dǎo)航系統(tǒng)輔助消融手術(shù)治療具有可行性。Zhang 等[16]基于電磁導(dǎo)航系統(tǒng)在CT 引導(dǎo)下進(jìn)行肝腫瘤熱消融手術(shù)，實(shí)驗(yàn)證明電磁導(dǎo)航系統(tǒng)與徒手穿刺相比可有效減少患者輻射暴露與相關(guān)儀器的調(diào)整次數(shù)，對(duì)肝腫瘤熱消融手術(shù)起到很好的輔助作用。Liu等[21]評(píng)估將腹腔鏡超聲圖像、腹腔鏡視頻和針頭軌跡統(tǒng)一于同一視圖的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，其目標(biāo)定位誤差為11.1 mm，所需平均穿刺針放置時(shí)間為22.9 s。Li 等[22]提出了腹部腫瘤穿刺消融手術(shù)導(dǎo)航中一種無標(biāo)記手術(shù)配準(zhǔn)方法，模擬實(shí)驗(yàn)穿刺結(jié)果表明，術(shù)后CT 圖像顯示的針尖位置與實(shí)際穿刺目標(biāo)之間的距離平均為4.117 mm。Xiao 等[23]提出一種自動(dòng)提取腹部表面區(qū)域的方法，其對(duì)Kinect 的安裝有嚴(yán)格的要求，以保證其z軸垂直于CT 床，如果沒有基準(zhǔn)或測(cè)量設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)。梁亮亮等[24]通過電磁定位引導(dǎo)體模內(nèi)橡膠小球穿刺的實(shí)驗(yàn)研究中，體膜的配準(zhǔn)精度平均誤差為（0.826±0.029） mm。Ringe 等[25]評(píng)估了電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，其穿刺平均偏差為（3.2±1.9）mm，與傳統(tǒng)CT 引導(dǎo)微波消融相比準(zhǔn)確性更高。本研究中的系統(tǒng)最大目標(biāo)位置誤差不超過5.00 mm，平均目標(biāo)位置誤差為3.10 mm，表明本文設(shè)計(jì)的電磁導(dǎo)航系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)消融針的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，對(duì)臨床操作經(jīng)驗(yàn)較少的人員具有一定的輔助與指導(dǎo)作用。

但本文系統(tǒng)還需要在以下幾方面進(jìn)一步改進(jìn)：① 系統(tǒng)對(duì)穿刺路徑進(jìn)行手動(dòng)規(guī)劃，依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)將優(yōu)化對(duì)穿刺路徑的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)穿刺路徑的自動(dòng)規(guī)劃。② 肝臟為非剛性組織，本文未考慮術(shù)中呼吸運(yùn)動(dòng)與穿刺過程中造成的肝臟形變。構(gòu)建個(gè)性化的呼吸運(yùn)動(dòng)模型及針-組織交互模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)消融針的實(shí)時(shí)定位更具有臨床價(jià)值。③ 本系統(tǒng)只使用體模進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)有效性也存在一定的局限性，后續(xù)還需要進(jìn)行動(dòng)物和臨床實(shí)驗(yàn)。④ 系統(tǒng)仍使用徒手穿刺，現(xiàn)有研究結(jié)合機(jī)械臂進(jìn)行肝腫瘤熱消融穿刺，使得穿刺準(zhǔn)確性、安全性均有了一定提升，下一步可結(jié)合機(jī)械臂進(jìn)行研究[26]。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CT 數(shù)據(jù)的讀取和可視化、穿刺路徑規(guī)劃以及基于電磁定位實(shí)時(shí)反饋消融針的空間位姿。通過腹部體模實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了肝腫瘤熱消融穿刺電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性。