计算机辅助导航技术在骨科的应用基础及MAKO简介优质PPT.pptx

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简化了手术操作，缩短了手术时间减少了手术创伤减少了术中放射线的照射使骨科手术变的更安全、更准确、更微创,骨科计算机辅助导航技术发展简史,1991,1992,1995,Roberts声波数字化仪跟踪手术器械应用于神经外科手术,.,目前市场上的主流产品,未能很好推广,颖的术中影像导航的方法,1999,持续创新共享健康,1986,计算机辅助导航系统组成及工作原理,Action,持续创新共享健康,NavigationImage,基本原理,持续创新共享健康,基本设备,持续创新共享健康,不同的导航系统有不同的设备。

最基本的设备大致有三类：

SO（surgicalobject）:

手术操作实体，在骨科领域，主要是骨骼及相关联的组织结构。

VO（virtualobject）成像设备。

现在常用的CT，X线，MRI，PET，DSA等影象设备，可以实时准确地提供图象及数据。

NAV（navigator）：

导航仪。

即在SO和VO之间的连接装置。

获取操作器械在人体的定位和方向。

关节外科导航设备,ToolSetHipProsthetics,持续创新共享健康,摄像头跟踪手术器械,Shield,Infrared,Camera,LED,持续创新共享健康,持续创新共享健康,基于C型臂的二维透视导航技术,HighprecisionlongandcompacttoolsManyobjectstrackedmultipletoolsandbones,LargeFieldofView（FOV）neededforC-Armandotherapplications,实现导航的三个关键因素,持续创新共享健康,校准（calibration）：

对于描述骨骼的几何形状校准是必需的。

即在操作器械上安装跟踪器，是提高图象配准精度及定位精度的第一步。

配准（registration）：

其目的是在VO和术前图象的基础上对手术器械定位，提供相对应的定位显象。

参照（reference）：

动态参照系统（dynamicreferencebases,DRB）可以弥补由于导航仪和骨骼位置的移动带来的误差。

描绘骨表面点云,持续创新共享健康,与术前影像配比,完成表面注册,持,续创新共享健康,导航系统原理图,参照Referencing,Automaticcompensationofpatientandcameramotion.,持续创新共享健康,Referencecoordinatesystemisattachedanywhereonpatient.,配准Matching,DefineLandmarkinImage,持续创新共享健康,FindLandmarkonPatient,ThetransformationbetweenthepatientworldandtheCTimageworldisfound使用手术定位工具末端依次接触术前选择的标记点，将标记点与三维影像中选定的标记点一一匹配，建立影像、手术器械与病变部位的空间/坐标对应关系,1）基于图像外部特征的配准方法2）基于图像内部特征的配准方法第二个又包括：

配对点注册表面注册均需要术者在术中根据选择的参考点进行手动注册，从而延长了手术时间,配准方法Matchingmethods,Methods:

Paired-PointMatchingSurfaceMatchingDigitizationofpoints,持续创新共享健康,手术导航-建立三者空间对应关系,Image,持续创新共享健康,Patient,立体定位技术,持续创新共享健康,立体定位：

类似于GPS，建立术中解剖结构的三维坐标系和虚拟坐标系的对应关系，联系虚拟与现实的技术手段常用定位设备/技术分类机械定位最早的技术。

系统庞大，运动有限超声定位超声测距。

受环境影响，精度差。

电磁定位磁场发生器+检测器磁场覆盖整个OR易收到强磁体如手术器械的干扰，需要特殊的手术器械光学定位设备最普遍，精度最高主动光学定位法示踪器PatientTracker，智能手术器械Smarttools上有主动发射红外线的发光二极管Camera接收被动式光学定位法红外发射装置安装在摄像头上,手术工具的空间定位原理,器,定位标志球和手术工具适配是导航系统提供的针对各科,手术的专用工具，在手术时，使用这个适配器将手术工具注册到导航工作站；

适配器可以与各种受偶数器,械连接，通过上面的定位标志球，使工作站迅速的测量、注册和识别手术工具。

普通的手术器械在安装上工,具适配器后就可以变成手术中的导航工具。

持续创新共享健康,持续创新共享健康,器械的配准,手术器械在模型中的映射（图中黄线为机械臂前臂的中轴,紫线为规划穿刺路径）,在工具上加上适配器,持续创新共享健康,配准手术器械与患者的空间位置术中医学图像与手术器械之间的配准,工具上的感应点,红外发射环REFloc,红外摄像头,定坐标点,小结,持续创新共享健康,Step1:

PlacementoftheReferenceBase,Referencecoordinatesystemisattachedanywhereonpatient.,持续创新共享健康,Step2:

Shootimages,Imagestoredinthecomputer,持续创新共享健康,持续,创新共享健康,Step3:

Navigate,Action,Image,手术室场景,持续创新共享健康,常见导航技术和厂家,持续创新共享健康,常见的导航技术类型,CT依赖的导航系统,基于X线透视图像导航系统,非图像依赖导航系统,4,持续创新共享健康,1,2,3三维X线透视导航系统（Iso-C）,1、CT依赖的导航系统,持续创新共享健康,最早应用于神经外科，目前在骨科应用比较广泛，最早应用于脊柱椎弓根螺钉固定系统。

目前典型的系统有美国卡耐基梅隆大学DiGioia等开发的HipNav系统，Langlotz等开发的脊柱导航系统。

术前将获得CT扫描图像，并将患者的模拟仿真数据导人计算机中；

术中，通过定位跟踪器获得手术工具与解剖结构之间的空间位置关系，并与术前的CT图像进行配准，在计算机中实时显示手术工具在仿真模型中的位置关系，以指导医生实施手术操作。

配准是其最关键的技术，有过去的点匹配和现在的面匹配。

优点是可以获得良好的三维图象，有利于术前计划和模拟。

缺点是，需要严格的配准和参照才能获得更好的图象，而且无法实时显象，图象无法更新。

现在已经广泛应用于全髋置换和全膝置换，DHS，锁式髓针，十字韧带重建等。

2、基于X线的C型臂二维透视导航2DFluoroscopy-basednavigation,持续创新共享健康,最大的特点是术中实时迅速的显象，无须术前模拟。

在手术器械上和传感器上安装两套光发射二级管（LEDS）通过显示屏来配准。

其配准过程包括X线的建模和补偿由于C臂转动带来的图象变形。

C臂上安装有标定靶（示踪器），可以计算控制功能参数，最先被ofsteterr使用。

通过C臂的转动获得图象，是一对多的图象，相当于使用了多个C臂，这是2维显象的一个优势。

另一个优势是图象可以更新，随时可以获得最新的图象，有利于复杂骨折的复位。

二维依赖的导航已经广泛应用于关节置换、锁式髓针，DHS，十字韧带重建中。

常见骨科导航,持续创新共享健康,美国Stryker德国Brainlab:

VectorVisionII美国Metronic:

StealthStation瑞士Medvision基于荧光透镜导航系统德国BBraunAesculap的Orthopilot（蛇牌主动红外系统）北京航空航天大学和海军总医院：

机器人辅助损伤神经外科手术系统深圳安科公司：

ASA-610手术导航系统,SurgiGATETMfluoroscopybasednavigation（Medivision,Oberdorf,Switzerland）,持续创新共享健康,德国博医来,持续创新共享健康,美国史塞克,持续创新共享健康,美国美敦力,持续创新共享健康,导航竞品分析,持续创新共享健康,3、三维透视导航技术,持续创新共享健康,1999年，西门子公司的等中心三维C型臂开始应用于临床SIREMOBILIso-C3D（2000年）ArcadisOrbic3D（2004年）德国ZiehmImaging：

ZeihmVario3D（2004）配置更简单，体积更小，但成像速度慢Iso-C3D/Orbic3D更适合大型OR，Zeihm更适合常规手术室特点：

术中实时三维成像，真实度高完全自动配准，精度高不必安装人体标记，实现微创手术计算机导航的发展方向基本操作过程手术准备：

C型臂上安装跟踪装置，将手术定位跟踪装置固定在目标解剖部位上，先对器械注册术中数据采集：

C型臂自动旋转，采集三维数据，发给工作站手术规划：

医生在工作站上进行手术规划和模拟显示实时定位：

将手术器械对准病变部位，光学定位系统会自动跟踪手术部位和C型臂的相对位置，调整虚拟轨迹和规划轨迹一致，确认手术路径执行手术。

非图像依赖导航系统,持续创新共享健康,没有具体的图象，而是通过示踪系统作用于不同的骨性结构和参照标记建立起来的。

最早应用于前交叉韧带的重建。

特色是旋转程序，严格的人体机械定位和数据优化来计算运动参数，决定特殊关节的运动特征。

优点是骨骼变形技术。

必须建立骨骼解剖模型数据库，需要大量的高分解的容积图象、数据参数和表面形态，以及尸体模型。

在术中通过个解剖区的点数据对应来达到导航作用。

要作到微创很难，必须借助2维和3维图象来获得所有必要的解剖标记。

因此适合于那些解剖结构暴露比较充分的手术，典型的如ACL重建，全膝关节置换，全髋关节置换等。

Dessenne等于1995年最早应用于交叉韧带重建。

临床应用举例,持续创新共享健康,临床应用,临床应用,肿瘤,关节,脊柱,创伤,持续创新共享健康,关节外科,持续创新共享健康,包括髋关节置换（TKA）和膝关节置换（THA）。

髋关节置换的应用比较早。

最主要的问题是确定假体的位置和轴线。

计算机辅助骨科技术系统可以在术前用CT或X线对关节进行扫描及三维重建，设计假体的位置、大小，通过计算机计算出力学轴线和截骨平面，模拟匹配，模拟关节活动。

术中通过导航系统指导医生在合适的位置安放假体。

Leenders的一项临床随机研究表明CAOS对于假体安放位置要优于传统手术。

减少了