有框架立体定向神经外科手术系统注册方法

摘要

一种有框架立体定向神经外科手术系统注册方法，利用了体表标记点之间的距离以及头颅内部任意点与体表标记点之间的距离在不同的坐标系统中均保持不变的原理，计算出各体表标记点之间在立体定向仪坐标系统中的距离和在CT或MRT坐标系中的距离，将两者相比较、配准，从而实现了立体定向仪坐标系与CT或MRI坐标系的配准。应用到神经外科手术导航中时，只需在病人头颅体表安置4个以上的体表标记点，不必安装框架，即可进行CT或MRI扫描。然后通过立体定向仪坐标系与CT或MRI坐标系的配准，进行手术导航。既具有立体定向仪的高精度与机械特性，又可降低导航系统的制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用传统的立体定向仪的神经外科导航系统的注册方法，尤其适用于直角坐标系统与球坐标系统相结合的混合型立体定向系统。

背景技术

传统的立体定向神经外科技术，使用机械式的立体定向仪，具有非常高的定位精度(机械精度＜1mm)，但是操作过程较繁琐，需要先在病人头颅上安装定向仪框架、再进行CT或MRI扫描，然后才能进行手术。如果框架安装不恰当，可能影响麻醉气管插管或妨碍手术操作。若重新调整框架位置，则必须重新定位扫描。

神经外科导航系统(又称：无框架立体定向神经外科手术系统)是在传统立体定向技术的基础上进一步发展而成的。它不需要在定位扫描前安装框架，而是利用安置在头颅的体表标记物或病人自身的解剖标记，通过计算机软件与图像进行注册(又称：配准)，实现为手术指示方位的导航功能。这种导航手术虽然不使用立体定向仪，但为了防止头颅移位产生定位误差，仍然需要使用类似于框架的金属头架将头颅钉紧并与手术台连为一体，然后再利用特制的导航棒或激光笔将体表标记的位置信息通过红外线、电磁波、激光等方式传递给计算机工作站，由软件完成头颅体表标记与CT或MRI图像的配准。在当前技术条件下，位置信息的传递与识别过程(即：注册)必须依赖一系列的光电转换设备(数字化仪)或传感器才能完成。这些设备及与之相适应的软件设计，使系统的总成本远远超过了传统的机械式立体定向手术系统，但是其准确性却没有提高。即使最先进的神经外科导航系统，准确性也无法超越传统的立体定向仪。

发明内容

本发明旨在提出一种使用机械式立体定向仪的神经外科导航系统的注册方法，进行CT或MRI扫描时可不必预先安装框架，即能完成立体定向仪坐标系与图像坐标系的注册。从而可利用立体定向仪的高精度与机械特性，进行神经外科手术导航，并可大大降低导航系统的制造成本。一种有框架立体定向神经外科手术系统注册方法。

这种有框架立体定向神经外科手术系统注册方法是：(1)、将立体定向仪探针测定的体表标记点球坐标换算成体表标记点的立体定向仪直角坐标；(2)、计算出各体表标记点之间在立体定向仪直角坐标系统中的距离；(3)、将CT或MRI的图片载入软件的图片框中，利用图片框自身的坐标系统测定图片中已知实际长度的参照物距离，计算出图片的放大率；(4)、根据图片放大率测算出各体表标记点在CT或MRI坐标系中的坐标；(5)、计算出各体表标记点之间在CT或MRT坐标系中的距离；(6)、将第(5)步所得的体表标记点之间的距离与第(2)步所得的相应的体表标记点之间的距离相比较，若比较结果误差小于允许范围，则完成注册，若误差大于允许范围，则给出误差分析结果，提示误差最大的体表标记点与其它体表标记点间距离对比的结果，重新核准该误差最大的体表标记点在图片框中的位置坐标后重复第(4)、第(5)步和第(6)步过程，或对该误差最大的体表标记点的球坐标值重新核准后重复第(1)、第(2)和第(6)步过程，直至将误差减少到允许的范围内，完成注册。

本方法利用了体表标记点之间的距离在不同的坐标系统中均保持不变的原理，以体表标记点为共同参照系，实现了立体定向仪坐标系与CT或MRI坐标系的配准(注册)。应用到神经外科手术导航中时，只需在病人头颅体表安置4个以上的标记点，不必安装框架，即可进行CT或MRI扫描。然后在不影响麻醉及手术操作的前提下安装立体定向仪框架，通过立体定向仪坐标系与CT或MRI坐标系的配准，进行手术导航。既具有立体定向仪的高精度与机械特性，又降低了导航系统的制造成本。

附图说明

附图1为这种有框架立体定向神经外科手术系统注册方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，这种有框架立体定向神经外科手术系统注册方法包括如下步骤(1)、将探针测定的体表标记点球坐标换算成体表标记点的立体定向仪直角坐标。设立体定向仪直角坐标为x0、y0、z0，经由体表标记点向靶点连线确定为穿刺路径，此路径在矢状面上的投影线与冠状面的夹角即弓架倾斜角为α，路径与矢状面的夹角即拖板倾斜角为β，取值规则是α：弓架向前倾取正值，向后倾取负值；β：拖板向左倾取正值，向右倾取负值；体表标记点与靶点间的距离为S，体表标记点的直角坐标为x、y、z则：

x＝x₀+S*Sin(β)

y＝y₀+S*Sin(α)*Abs[Cos(β)]；式中Abs[]表示取[]内计算结果的绝对值。

z＝z₀±S*Abs[Cos(α)*Cos(β)]；式中标记点位于靶点的足端取“+”，位于靶点顶端取“-”。

(2)、计算出各体表标记点之间在立体定向仪直角坐标系统中的距离。设两体表标记点的坐标分别为x1、y1、z1和x2、y2、z2，则：

两体表标记点之间的距离＝[(x1-x2)²+(y1-y2)²+(z1-z2)²]^1/2。

(3)、将CT或MRI的图片载入软件的图片框中，利用图片框自身的坐标系统测定图片中已知实际长度的参照物距离，计算出图片放大率；(4)、根据图片放大率，测算出各体表标记点在CT或MRI坐标系中的坐标值；(5)、计算出各体表标记点之间在CT或MRT坐标系中的距离；(6)、将第(5)步所得的体表标记点之间的距离与第(2)步所得的体表标记点之间的距离相比较，若比较结果误差小于允许范围，则完成注册。若误差大于允许范围，则给出误差分析结果，提示误差最大的体表标记点与其它体表标记点间距离对比的结果。重新核准该误差最大的体表标记点在图片框中的位置坐标，然后重复第(4)、第(5)步和第(6)步过程，直至将误差减少到允许的范围内，完成注册。或者也可以对该体表标记点的球坐标值重新核准后重复第(1)、第(2)和第(6)步过程，直至将误差减少到允许的范围内。

在上述第(6)步后还可进行以下操作：(7)、在CT或MRI某个层面的图片上选择一个感兴趣点，根据图片放大率，测算其在CT或MRI坐标系中的坐标，再计算出该点在CT或MRI坐标系中与各体表标记点之间的距离；(8)、利用感兴趣点与体表标记点之间的距离在立体定向仪的直角坐标系中建立三个以上的三元一次方程(圆方程)，从而计算出感兴趣点在立体定向仪直角坐标系中的坐标；此坐标值即可用来指导立体定向仪中探针的方位。

将这种有框架立体定向神经外科手术系统注册方法应用到立体定向仪上，可使手术导航的操作变得方便。其操作过程描述如下：

首先，在病人的头颅体表粘贴多个(至少4个)体表标记点，其中，部分体表标记点放置在颅盖的顶端体表，其余体表标记点放置在接近颅底部的体表。行CT或MRI轴位扫描。

按常规方法麻醉并设置体位。将立体定向仪框架设置在不影响麻醉和手术操作的位置，使用螺钉将其与颅骨固定。安装好立体定向仪，将立体定向仪的靶点坐标设置在两部分体表标记点的中间区域内任意一点T。调整立体定向仪弓架倾斜角与拖板倾斜角，使立体定向仪探针所指引的路径逐一通过各体表标记点，将每一体表标记点所对应的弓架倾斜角、拖板倾斜角及体表标记点至靶点T的距离逐一输入计算机进行图像注册。

立体定向仪与图像的注册过程为：

第一步：计算机软件首先根据体表标记点与靶点T的相对关系(弓架倾斜角、拖板倾斜角及标记点与靶点间的距离)、根据立体定向几何原理计算出每个体表标记点的直角坐标值。若靶点的直角坐标为x0、y0、z0，按探针所指方向，经由体表标记点向靶点连线所确定的穿刺路径在矢状面上的投影线与冠状面的夹角(即：弓架倾斜角)为α，路径与矢状面的夹角(即：拖板倾斜角)为β，体表标记点与靶点间的距离为S，体表标记点的直角坐标值为x、y、z，则：

x＝x0+S*Sin(β)；(拖板向左倾斜，β取正值；向右倾斜，β取负值。)

y＝y₀+S*Sin(α)*Abs[Cos(β)]；(弓架向前倾斜，α取正值；向后倾斜，α取负值。)

z＝z₀±S*Abs[Cos(α)*Cos(β)]；(体表标记点位于靶点的足端取“+”，位于靶点顶端取“-”。)

再计算出各体表标记点之间的相对距离。计算方法为：

两体表标记点间的距离＝[(x1-x2)²+(y1-y2)²+(z1-z2)²]^1/2；(平方根的计算结果均取正值。)

第二步：将CT或MRI扫描的轴位片载入软件的图片框中。利用图片框自身的坐标系统测定图片中已知实际长度的参照物距离，计算出图片放大率。以图片框的左下角O为原点，左边框为Y轴(方向指向病人的正前方)，下边框为X轴(方向指向病人的左侧)，与XOY平面垂直的方向即为Z轴，该图片的层面的床位值即为Z坐标值。测出任意层面上、任意一点的X、Y坐标，除以图片放大率，即获得该点在CT或MRI坐标系中的X、Y值。重复以上步骤，测出头颅各体表标记点在CT或MRI坐标系中的坐标值，计算出任意两个体表标记点之间的距离，并且与第一步计算出的相应的距离进行对比。根据用户自己设定的精度要求，若对比结果小于误差允许范围，则系统完成注册。若大于误差允许范围，则系统给出误差分析结果，提示误差最大的体表标记点与其它体表标记点间距离对比的结果，重新核准该误差最大的体表标记点在图片框中的位置，重新计算出该体表标记点在CT或MRI坐标系中的X、Y、Z值，并计算出与其它体表标记点之间的距离，再与第一步计算结果相对比，直至将误差减少到允许的范围内，完成注册。或者，也可以对该误差最大的体表标记点的球坐标值重新核准，再次计算该误差最大的体表标记点在立体定向仪直角坐标系中的坐标值，计算出在立体定向仪直角坐标系中误差最大的体表标记点与其它体表标记点的距离，再与CT或MRI坐标系中的相应距离相对比，直至将误差减少到允许的范围内，完成注册。

第三步：于某层面的图片上，选择一个感兴趣点。系统根据图片放大率，先测定其在CT或MRI坐标系中的坐标，再计算出该点与各体表标记点之间的距离。这些距离不管立体定向仪框架如何安装，在立体定向仪的坐标系中的数值也是相同的。设感兴趣点在立体定向仪中的三维坐标为P(x、y、z)。通过P点与体表标记点之间距离建立三个以上的三元一次方程(圆方程)。根据克莱姆法则及两点间距离公式，计算出感兴趣点在立体定向仪坐标系中的直角坐标值。

手术引导：按第三步中获得的感兴趣点坐标设定立体定向仪中靶点的直角坐标，就可以在定向仪的弓架与探针引导下准确抵达颅内的该预定靶点(即图片中的感兴趣点)进行手术操作。

术中探测：调整弓架倾斜角、拖板倾斜角，使探针指向手术区任意一感兴趣点，将该点相应的位置信息(弓架倾斜角、拖板倾斜角，感兴趣点与靶点的距离)输入计算机。系统采用第一步中使用的计算方法算出该点在立体定向仪框架坐标系统中的直角坐标。计算出该点与各体表标记点之间距离，结果带入CT或MRI图像坐标系统，利用该点与体表标记点之间的距离建立方程。通过方程求解，获得该点在CT或MRI图像坐标系统中的三维坐标(X、Y、Z坐标)值。其结果中的X、Y值乘以图片放大率，即为软件图片框中的坐标值，Z值即为相应层面的床位值，从而显示出该感兴趣点在图像中的位置。

本发明的有框架立体定向神经外科手术系统注册方法利用了体表标记点之间的距离以及头颅内部任意点与体表标记点之间的距离在不同的坐标系统中均保持不变的原理，实现了立体定向仪坐标系与CT或MRI坐标系的配准，解决了利用立体定向仪进行有框架的神经外科导航的注册的关键问题。保留了传统立体定向仪优良的机械精度与结构特性。此方法比已有的神经外科导航系统节约大量的成本，又拥有了相同，甚至更高的定位精度。