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CAS-R-2無框架腦立體定向儀

(一)簡介、

CAS-R-2型無框架腦立體定向手術系統863項目轉化產品。該成果主要用于腦外科手術中的手術規劃、導航和立體定向，由人民解放軍海軍總醫院全軍神經外科中心、北京航空航天大學腦立體定向技術研究所和清華大學計算機科學與技術系聯合研制，經專家論證，具有先進水平。這種世界上尚無同類產品的神經外科立體定向手術輔助設備，將手術規劃系統、導航系統與手術平臺完美地結合在一起，拓寬了應用范圍、提高了手術安全性、減輕了病人痛苦。該設備的成功應用，深受廣大醫生、患者的好評。

(二) 系統特點

1、是上目前現有的率先既能導航定位，又能作為操作平臺的立體定向手術儀。將計算機手術規劃、定位導航和操作平臺結合在一起，簡化了立體定向手術過程，保證了手術精度;

2、無框架設計避免了手術死角，擴大了手術適應癥;避免了病人常規安裝框架的手術痛苦，消除了病人的恐懼心理;

3、部分手術可在局部麻醉下進行，病人創傷小，術后恢復快;

4、計算機操作系統為窗口，軟件操作簡便，符合術者手術習慣;

5、與CT/MRI脫機工作，可通過多種途徑獲取影像信息;

6、縮短了手術時間，簡化了手術過程，提高了醫院手術床等設備的利用率

7、整機可方便地移動固定，占用手術空間小;

(三) 操作過程

1、在病人頭部貼4個標志點，然后進行CT或MRI掃描;

2、將CT或MRI圖像信息輸入計算機;

3、勾畫病灶輪廓，選取穿刺靶點，系統自動完成頭部和病灶的三維模型建立;

4、在計算機空間規劃確定優先佳手術路徑;

5、操縱機械臂在手術空間與規劃的手術路徑吻合，再以鎖定的機械臂為手術平臺，實施手術操作;

(四) 成功應用

1.手術類型

(1)、囊性腦腫瘤內放療手術

(2)、腦膠質瘤植入后裝管

(3)、腦深部病變活檢

(4)、腦內異物摘除、小型腦瘤小孔洞切除等定位

(5)、腦深部膿腫

(6)、基底節區血腫

(7)、急診治療高血壓腦出血

(8)、配合射頻熱凝儀做核團毀損

(9)、配合腦室鏡做微創手術

(10)、配合顯微鏡做腦深部小腫瘤或病灶

(11)、顱內腫瘤的間質放療(后裝)和化療

(12)、神經細胞移植

2、現有(有框架)立體定向儀難以實現的功能

(1)、嬰幼兒等不適合固定框架者

(2)、手術路徑在腦深部重要結構中的術中顯示

(3)、病灶體積、形狀及靶點的顯示

(五)技術指標

1. 機械臂，五個自由度，關節空間采用光電編碼器測量，機械臂末端可以在人手的驅動下自由操作運動;

2. 機械臂末端探針可以到達一個300×300×300mm的立方體中的任意一點;

3. 位置光電編碼器采集卡，四倍頻，精度每轉10000線;

4. 機械臂可以通過開關控制，在任意位置鎖定各關節軸固定不動，其機械臂末端可承受負載重量1KG以上;

5. 四個標志點，特殊鋁材的電極片，大小底座直徑7mm，頭部直徑3mm;脂類小球：直徑5 mm

6. 計算機輔助手術規劃和導航系統的軟件功能包括文件操作(打開圖像、掃描圖像、保存病歷)，圖像處理(勾畫病灶輪廓、清除病灶輪廓線、確定病灶靶點、手術規劃、參數測量)，定位操作(二維/三維切換、機械臂連接、標志點對準)，顯示操作(任意角度觀測、顯示規劃路徑、顯示輪廓、片間插值、放大、縮小);

7. 系統精度，機械臂沿不同軌跡使其末端到達空間某點時，通過各關節所得參數而計算得出的此點坐標與實際坐標的差值(即重復精度)小于1mm; CT/MRI掃描層間距2mm，系統映射精度小于2 mm。

(六) 系統原理

該定向系統是一種新型無框架立體定向手術的計算機與腦立體定向技術化導航及操作平臺系統，該系統由計算機輔助手術規劃系統、手術導航系統、五自由度機械臂、機械臂鎖定控制裝置、標志點識別固定等部分組成，其主要操作過程是：(1)首先將標志點固定在病人頭上，然后進行CT/MR掃描;(2)將CT掃描的圖像送入計算機，進行三維重建;(3)在圖像空間進行四個標志點和手術靶點的坐標測量，在計算機上進行病灶勾畫、病灶靶點確定和手術路徑規劃，并將規劃好的路徑顯示在重建的三維模型上;(4)在實際手術過程中，病人的頭部與手術床相對固定(可以用固定頭架或塑形枕)，然后用機械臂在手術空間對標志點進行測量，并利用標志點在手術空間和圖像空間的測量結果，計算從手術空間到圖像空間的映射變換;(5)在手術空間中移動機械臂末端的手術探針，導引軟件將此時探針的位姿實時地顯示在圖像空間中;(6)當手術探針圖像的軸向與規劃的軌跡重合時鎖定機械臂;(7)醫生以固定在機械臂末端的支架作為手術平臺，進行常規立體定向外科手術操作。

系統主要包括以下三個部分：

(1) 基于四個標志點的手術空間與圖像空間的映射關系;

(2) 一套實用的計算機輔助手術規劃和導航系統軟件;

(3) 帶關節鎖定的五自由度數字機械臂;

1、基于標志點的計算機圖像空間與手術空間的映射

在腦立體定向技術化導航及操作平臺系統中，首先需要解決的問題是如何實現腦部圖像三維模型與臨床手術現場環境的標定，即需將計算機圖像空間中的預定病灶點位置映射到手術空間中病人實際病灶點的位置。

傳統的解決方式是采用有框架映射方法。首先在患者頭部固定安裝一個框架，由于框架可以在CT或MRI中成像，醫生確定了穿刺靶點后，就可以得出靶點在框架坐標中的位置。在立體定向手術中，醫生通過附加到框架上的一個定向裝置進行手術。這種方法雖達到了定向準確，但安裝框架必然也給患者帶來一些痛苦和不便，同時由于框架的存在，某些位置手術器械難以操作。

腦立體定向技術化導航及操作平臺采用了一種新型的無框架映射方法，通過連接到計算機上的機械臂完成立體定向。于是，系統中就有了三個坐標空間：即腦部圖像三維模型所在的計算機圖像空間坐標系(簡稱圖像空間)，病人頭部實際所在的手術空間坐標系(簡稱手術空間)，機械臂所在的機械臂操作空間(簡稱機械臂空間)。實際操作時，在圖像空間內確定病灶點和手術路徑，手術器械安裝在機械臂空間中的機械臂末端，實際手術操作則在手術空間內進行。

三個坐標系的映射是通過數字機械臂對在患者頭部固定的四個標志點的探測來實現的。實施手術前，先在病人頭部貼附四個標志點。然后對病人進行CT或MRI掃描。由于標志點可以在掃描片上成像，醫生可以在掃描數據中清楚準確地辨認出來。

2、計算機輔助手術規劃和導航系統

計算機輔助手術規劃和導航系統分為兩部分：一是基于二維圖像的術前規劃系統，二是數字機械臂導航與定位系統。這兩部分是相輔相成的，基于二維圖像的術前規劃系統提供了病人的具體病灶信息，并且輔助醫生做出病情診斷，對病灶進行定位，從而為數字機械臂導航與定位系統提供準確的信息。二維術前規劃系統實現的主要功能有：(1)CT/MRI圖像的掃描輸入，自動分割和輪廓線半自動提取、自動對準;(2)病灶的手工提取，靶點和標志點的輸入;(3)病灶的參數測量和病歷的自動輸出。

數字機械臂導航與定位系統在術前規劃的基礎上，在計算機上對機械臂進行導航與定位，同時根據病人的部分CT或MRI掃描圖像在計算機中重構出病人的腦部三維信息，使醫生在不開顱的情況下，從計算機中觀察到機械臂運動與病人腦部病灶位置的對應關系。醫生可以操縱機械臂，使機械臂的實際位姿與預先規劃的手術路徑重合，實現準確定位，進而通過機械臂實施無框架立體定向手術。其主要功能包括：(1) 病灶三維模型的重構及顯示;(2)標志點確定及手術路徑規劃;(3)機械臂導航的定位。

3、五自由度數字機械臂

機械臂作為一種人機交互裝置，是無框架立體定向系統中的主要組成部分，其五個關節全部采用轉動副的運動方式，保證機械臂末端以各種姿態到達被測點(手術靶點)。

機械臂末端的探針作為虛擬手術引導器械，將映射到計算機三維模型中。通過D-H參數變換，求解機械臂正向運動學方程，構造變換矩陣將機械臂五個關節轉角數值變換為率先確定的末端探針位姿，然后將其對應地映射到計算機圖像空間中。軟件系統讀取角度信息，計算出位姿狀態，并在計算機模型上顯示出一根與實際觀察棒位姿相一致的虛擬探針。通過移動機械臂來操縱圖像中的探針，使之以不同的方位和角度穿越原來的計算機腦部三維模型。采用這種方法，醫生就可以在計算機圖像空間進行手術插入軌跡的規劃和選擇，觀察虛擬探針與腦部模型的相互關系，進行手術規劃并驗證所選擇手術方案的正確性與可行性。

機械臂不僅可作為手術的導航與定位裝置，而且可以作為無框架立體定向手術的操作平臺，其末端可安裝各種手術器械。機械臂各關節在任意位置可鎖定，采用摩擦片的制動原理專門采用了電磁失電鎖定控制裝置，制動能力強，工作性能可靠。

設備優勢：