新一代Aurora电磁跟踪系统在医学手术导航中的应用

罗伟，张庆，李珊珊，魏晓峰

1 长江大学附属第一医院，荆州市第一人民医院，荆州市，434000

2 湖北省荆州市中心血站，荆州市，434000

0 引言

随着计算机技术和现代医学技术的飞速发展，越来越多的手术操作采用了辅助医学手术导航系统，不仅为医生手术提供了参考操作手段，还为病人减轻了手术的痛苦，有效地避免了许多手术中因“盲区”带来的医疗风险。我院在2012年先后引进了GE公司的宝石能谱CT、DSA、3.0 T MRI、直线加速器等大型医疗设备。在开展介入治疗、内镜诊断和骨科手术的计算机辅助手术和治疗中，我们发现有很多情况下，医生在手术操作中有许多操作“盲区”，大大地阻碍了医生的操作，严重地影响了手术操作的准确性，影响了手术的效果，给医生们带来一些麻烦[1]。通过我们的观察和研究，解决好手术导航中的辅助技术问题是重中之重，尤其是在在体内提供实时定位和引导，如心导管、活检穿刺针、粒子放疗针、消融针等工具的引导，选择一种合适的技术来弥补其不足显得尤为重要。自2011年以来，我院成立了专门的研究小组，对这一技术的产品选型进行了大量的对比研究，发现采用NDI Aurora电磁跟踪系统可以有效地解决核心定位问题，全面提升手术的精准度，降低手术风险，避免了手术中的误操作和延误过多时间。

1 新一代NDI Aurora电磁跟踪系统

Aurora电磁定位系统具有无视线遮挡、精度高、抗金属干扰和易于集成等特点，已成功应用于介入治疗、内镜诊断和骨科手术的计算机辅助手术和治疗中。系统的超小型定位线圈可与多种介入工具结合，在体内提供实时定位和引导，如心导管、活检穿刺针、粒子放疗针、消融针等工具的引导。随着计算机辅助手术和治疗技术在临床的进一步推广，Aurora电磁定位技术的应用前景非常广阔，可在遮挡的情况下进行精确实时的空间三维测量。系统采用微小传感器线圈跟踪测量医用级别金属器件的技术，在市场上开创了其它跟踪系统无法涉及的创新应用。通过Aurora高级的电磁跟踪技术，系统可为特定科研应用定制精确、可信赖的测量技术。

1.1 系统的组成部分

系统由磁场发生器、系统控制器、工具联结器和定位线圈组成，其系统组成框图如图1所示。主要技术指标包括：(1) 测量范围90 cm×60 cm；(2) RMS测量精度可达0.7 mm；(3)小型5D 定位线圈0.55 mm (直径)×8 mm(长度)；(4) 小型6D 定位线圈1.8 mm (直径)×8 mm(长度)；(5) 抗金属对测量的影响；(6) 可同时跟踪8个定位线圈；(7) 定位工具开发软件；(8)API开发界面，方便用户进行系统集成和二次开发。

图1 NDI Aurora系统组成框图Fig.1 NDI Aurora system block diagram

其中，磁场发生器生成电磁场，传感器线圈主要功能是感应磁场发生器生成电磁场，可以将传感器线圈嵌入到特定的工具中。传感器接口单元主要是SIUs系统控制接收单元SCU。

系统主要实现了对发射天线分时发送信号，把接收天线感应到的信号采集到计算机进行汇总，通过优化的算法进行信号重建序列，从而计算出天线当前所处的具体位置。

2 Aurora电磁跟踪系统的医学应用范围

Aurora电磁定位系统可以广泛地应用在医学科学研究、神经外科和放射肿瘤学治疗及手术辅助、介入放射学、脊柱外科手术操作、心脏病近距离放射疗法、腹腔镜和内窥镜操作、定制手术工具植入针、引导钢丝、医学仿真手术等。

该定位感应器线圈可以使我们很好地应用手术工具，通过测量它们的5D及6D数据进行精确定位，如探针、内窥镜、导管、骨螺钉、导丝等。

3 电磁跟踪技术在医学手术导航中的应用

医学手术导航系统主要是指将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。利用可靠的电磁跟踪技术可以更加高效快捷地实现这一目的。我院按照NDI Aurora电磁跟踪系统的二次开发接口（SDK API）的要求，结合5DOF工具和6DOF工具设计出适应器械使用的跟踪信号采集系统软件模块系统，开展了一系列实验和临床应用。

3.1 介入手术中的应用

在介入科，一般采用DSA下实时观察，且设备存在一定的辐射量，医生在手术盲区出现时往往会反复寻找手术的对象点或位置，大大增加了手术的难度和时间。我院采用Aurora系统的微型5DOF定位线圈0.55 mm×8 mm，可与导管和导丝结合，使用起来十分方便，只要在导管和导丝的前端安装上该系统的微型定位感应器，便可以让导管前端的情况，一览无余地显示在计算机显示器上，为介入手术提供更加准确实时的图像信息，有效地丰富了手术中的直观感受。

3.2 内窥镜检查中的应用

将NDI Aurora电磁跟踪系统的探针与内窥镜安装在一起，通过内窥镜的导管及导丝，系统的界面上可以实时得到前端在人体的体内的实时形态[2-3]。可以指导肠镜的操作，提高成功率，减少并发症的发生，减轻病人的痛苦；还可以指导ERCP导丝的插入，提高ERCP的成功率。同时可以指导胆道、胰管支架的放置等操作，为医生实际操作时提供了参考，避免了因为角度和背光问题，出现的操作“盲区”。

3.3 肿瘤放疗中的标志增强应用

由于NDI Aurora电磁跟踪系统具有6DOCF定位线圈，它呈圆柱形状，6自由度的传感器线圈的尺寸为1.8 mm×9 mm，可以与细小工具整合，同时提供线形定位器可及时使用，促进了与器械的无缝融合和易于分解的优点。配合TPS系统，切实地提高TPS的运行效率，为物理师提供了新的标志物，对于锁定肿瘤组织，快速标识出肿瘤的具体位置，突出显示坐标，准确治疗和保护正常组织具有深远的意义。在我院使用1年多，受到了临床及医技科室的一致好评。

3.4 在心脏手术中应用

NDI Aurora电磁跟踪系统特别是在介入手术操作时，与手术工具无缝结合，并能在术后分离，有很强的复用性。提供的工具界面，可以动态地显示探针、导丝等细小手术工具到达人体心脏的具体三维坐标[3,5]，让医生做到心中有数，而不是凭借经验在被遮光的状态下操作，有效地提高了手术的成功率，保证了导丝等微小器械的准确运动，不至于刺穿血管或健康组织，保障了病人的生命安全，减轻了病人的手术痛苦。经过准确定位，电脑画面上会显示出来。这样，手术刀在探针指引下，就能安全地步步逼近肿瘤，确保万无一失。临床试验表明，采用导航技术后，手术的定位精度可以从厘米级变为毫米级，导航精度的平均值小于2 mm。

3.5 在医学科研方面的应用

NDI Aurora电磁跟踪系统在医学实验中，可以有效地提供跟踪定位数据，方便了医疗工作者和医学科研工作者能够反复进行一些器械操作的训练和尝试，便于训练操作，对实验数据可以归档统计，有利于科研者进行大量数据的分析统计。

4 结果

通过使用该跟踪系统，有效地对手术中需要辅助的位置和角度进行精准的定位和实时的反馈，让医生在手术中对操作的人体部位或器官，了解地更清楚，手术操作得更加游刃有余。我们对该定位跟踪系统做了一系列实验，在不同的应用下，设定好特定的参考条件，对5DOF工具和6DOF工具精度测量进行了统计分析，如表1、表2所示。

表1 5DOF工具精度测量结果（mm）Tab.1 5DOF tool precision measurement results (mm)

例如我们采用奥林巴斯内窥镜，该工具是一个直径15cm半球体，分布40个预知的随机点，测定位置和角度。

表2 6DOF工具精度测量结果（mm）Tab.2 6DOF tool precision measurement results (mm)

5 讨论

综上所述，NDI Aurora系统采用尖端电磁技术，设计为医疗应用，可在遮挡的情况下进行精确实时的空间三维测量。配合电脑的手术导航系统，让精细危险手术纤毫不差，“命中率”更高。高精度外科手术导航系统及产品在进一步研发中，以脑肿瘤切除手术为例，传统的开颅手术方式是先根据磁共振、CT等影像学资料，判断肿瘤的确切部位，以此制订手术方案。为确保准确性，手术的切口往往比较大，而医生能看到的只是暴露在外的器官表面，如果一不小心损伤了重要的血管、组织，后果不堪设想；如果出于“谨慎”，少切除些肿瘤，又可能带来严重后遗症。究竟切多大切多深，大多依赖于医生的个人经验。有了NDI Aurora系统可在遮挡的情况下进行精确实时的空间三维测量，手术就变得更加安全了。在手术的过程中，系统工具屏幕上出现一幅“实时显现”的脑部结构显示图，这一问题就迎刃而解了，避免了传统算法下的图像位置畸变问题。准确实时监测，避免各种原因造成的手术部位移位、变形所产生的误差[5]。

由于传统技术如：光学跟踪技术、红外线定位技术的设备还比较昂贵和复杂，阻碍了定位系统在手术导航中的广泛应用。随着计算机技术、立体定向技术、人工智能技术的发展，NDI 公司生产的Aurora系统在手术导航中的应用日趋完善，并为手术向着微创、精准、安全的方向发展提供了可靠的保证。相信通过大家不懈地努力和不断地完善，迅速地提高系统稳定性和安全性，促进手术导航的规范化、标准化，为医疗事业的发展提供强大的动力支持。

[1]杨述华,傅德皓.计算机辅助导航系统及其在骨科的应[J].中国医疗器械信息,2007,13(2):1-4.

[2]Hott JS,Papadopoulos SM,Theodore N,et al.Intraoperative Iso-C C-arm navigation in cervical spinal surgery:review of the first 52 cases[J].Spine.2004,29(24):2856-2860.

[3]罗伟,李珊珊,田夫,等.虚拟现实技术在医学中的应用[J]，中华医院管理杂志,2005,21(12):837-838.

[4]Anderson.Pulsed-DC,postion and orientationmeasurement system[P],United State Patent 5,453,686.1995.9

[5]Ito Y,Sugimoto Y,Tomioka M,et al.Clinical accuracy of 3D fluoroscopy-assisted cervical pedicle screw insertion[J].Neurosurg Spine.2008:9(5):450-453.