超声引导下微波消融治疗机器人系统的初步研究

超声引导下微波消融治疗机器人系统的初步研究 维普资讯 ////0>. 维普资讯 ////. 专 超声转换到术中操作空间,经工作站控制将位于机器人末 端的穿刺导向装置快速准确的定位到术前预先指定的 位置,在工作站上实时显示二维超声平面、穿刺针针尖、 针杆、穿刺针虚拟延长线与三维超声的空间位置关系。 仪器: 型超声仪一 ,公 司,美国; 磁跟踪器 ,, 公司,美国 ; 采集穿刺机器 人各关节编码器角度数据的板卡 ?, 数字系统公司,美国。 微波治疗天线; 图 形工作站。 . 系统工作流程 超声引导微波消融治疗机器人系统的工作流程 图 如下:在治疗前,同步采集肿瘤及周围区域内的多 们必须得到超声图像上所代的实际目标的空间坐标 幅二维超声图像和超声探头位姿信息,并获取特征组 与固定在探头上的感应器相对于发射器的空间坐标之 织图像及位姿信息。然后将这些信息构成三维超声图 间的转换关系,这一过程为标定 图。 目前已有的 像,医生将在此基础上依据消融治疗肿瘤专家库进行 标定方法主要有平面法、交叉线法及 型线法等,这 消融治疗规划,确定消融器的进针部位和方向。治疗时, 些方法均需要处理大量的图像 张以上 ,需要消耗 通过周围组织特征图像将当前病人实体状态与治疗前 时间长达 小时之久,较难满足临床的实际使用『】。我 获得的三维超声图像和消融规划结果进行配准,依据 们改进了 型线法,仅需处理 张图像,并编写程序 实时超声图像信息,控制机器人运动。安装在机器人 简化了处理过程,全部标定仅需 分钟即可完成,完 终端的装置引导微波天线,实现立体精确定位治疗。 全满足实际操作需要。 . 术前超声图像信息的获取及三维超声重建 目前三维重构技术主要可以分成两大类:一类是 由于目前的三维超声仪不提供治疗中所需的空间 基于表面的方法,一类是基于体数据的方法。系统采 坐标,我们设计实现了基于磁定位的自由臂扫查三维 用两者相结合的方法,对肿瘤区域进行表面绘制,对 超声成像系统,并针对于超声引导下微波消融治疗的 周围区域的血管等组织进行体绘制。 目的进行了相应的优化设计。图像匹配 由于磁跟踪器所获得的空间位置信息是固定在探 治疗前后由于磁跟踪器发射器位置的改变及患者 头上的感应器 相对于发射器的空间坐标,并不 的移动,使得治疗中与治疗前获得的空间坐标不一致, 是超声图像上所代表的实际目标的空间坐标,所以我 因此需要通过图像匹配的方法使治疗前模型与治疗中 病人实体之间的空间坐标达到一致。这一步骤是治疗 过程中关键的一步,其精度直接决定了机器人系统精 度。针对肝癌微波消融治疗,我们采取了一种基于肝 脏血管结构解剖特征的配准方法,相对于体表标志点, 肝脏内部血管能够和周围的肿瘤一起运动,提供更好 的相关性,很好地避免因患者体位变化、呼吸运动和 心跳而造成的肝组织变形和位移。系统采用了一种基 于图像和特征的配准方法,该方法只要求在术前图像 中提取特征点,然后与术中的图像直接进行配准,无 ?一 ’ 《中国医疗器械信息》 年第 卷第 期 . .维普资讯 ////. 专题 超声 平面、穿刺针与三维超声的位置关系,并可从任意角 须再进行特征提取,该方法避免了对术中图像的分割, 度观察,同时给出实时超声图像及各种提示信息 图 极大地提高了配准效率和精度。配准过程包括术前血 。由于肝脏等器官的形状和位置会由于患者的体位变 管建模和术中血管的配准两个部分。血管的建模基于 化、呼吸运动及心脏跳动产生变化,目前已有的导航 血管中心线的提取,这种方法基于多尺度中心 均要求医生确定患者保持不动并屏住呼吸,在实际操 线提取方法『 。配准理论依据是基于血管横截面图像 作中有一定困难,并有可能出现错误。我们采用了对 经过合适的高斯滤波,血管中心线将成为图像中亮度 的极值。因此,当两幅血管图像对准时,术前血管图 比超声探头实时获取的 二维超声图像和用磁定位器姿 态信息从三维模型中切出来的二维图像,计算两幅图 像的中心线点就会和术中血管图像的亮度极值点重合, 像相关性来辅助医生判断病人的呼吸状态和器官的移 从而使得两幅图像配准。我们以肝脏内的血管分叉为 位。较为有效地解决呼吸运动等因素对导航精度的影响。 标志,利用该平面的唯一性及血管在图像中的位置实 现三维空间的坐标转换。 实验和结果 . 定位机器人 为了实现任意选择穿刺角度,我们设计了定位机 为了测试系统的精度和稳 定性,我们设计了水槽 器人。该装置采用了传统的关节式构型,包括机器人 模型 图 。以%的琼脂 糖经水浴加热后,注入模具中, 冷却凝固后取出,制成直径为 . 的球形穿刺目标。 臂和手腕。本机器人采用五自由度机构,前三个自由 用塑管制成血管分叉模型。穿刺目标和血管分叉模型 度主要确定机器人末端的位置,后两个自由度主要确 固定于透明容器中,为了防止超声反射产生噪声,容 定机器人的姿态 图 。考虑消毒性,机器人穿刺针引 导槽可以从机器人本体上拆卸下来。磁跟踪器发射器 器底部铺上厚的玻璃微球作为吸声材料。我们利 相对于机器人底座固定,磁跟踪器接收器固定于超声 用水槽实验模型对系统进行了初步的实验。 探头上。通过标定可以得到磁跟踪器发射器坐标系相 实验过程中,我们设计了两组实验,第一组实验 保持磁跟踪器发射器、水槽模型和机器人基座相对位 对于机器人坐标系之间的转换矩阵;通过超声图像的 标定可以得 维超声图像平面和磁跟踪器接收器之 置不变,这样,相当于治疗前和治疗中穿刺目标没有 相对运动,因此不需要配准。第二组实验在扫描完水 间的转化矩阵。这样,通过换算将得到医疗机器人和 槽模型之后,移动水槽,此时,机器人系统需要配准 二维超声图像之间的转换矩阵,从而将整个系统统一 之后才能进行定位。 到一个相对于磁跟踪器发射器的坐标系中。机器人各 第一组实验过程如下:扫查穿刺目标一进行三维 关节的角度通过编码器传送到工作站,工作站显示出 当前机器人位置和目标位置,操作者通过工作站显示 重建一规划穿刺路径 一移动定位机器人到指定位置一 的信息将机器人移动到指定的位置及姿态,当机器人 到达指定的目标位置,操作者锁定机器人的各个关节。 . 导航程序及信息显示 编写了导航程序,在显示器上实时显示二维超声 下转第 页 《中国医疗器械信息》 年第卷第期 . .