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鼻内镜手术导航系统的三维立体显示模式研究

李亮  
【摘要】:近年来,内镜下鼻窦手术(ESS)在极大程度上取代了传统的开放手术,成为外科治疗鼻腔鼻窦疾病的主要手段。随着鼻内镜技术的广泛应用及手术范围、适应征的不断拓展,眼眶、颅底损伤等严重并发症也随之增多。在精准手术理念的要求下,内镜手术导航系统应运而生。现有的手术导航系统能够根据术前影像学资料向术者准确提供手术中器械与重要解剖结构之间的相对位置信息,指导术者安全准确的完成手术操作。目前临床所用的各类导航系统(电磁、红外等),在物理追踪精度及使用便捷程度方面均已能够满足手术需求,但在图像显示方面却都沿用着“三视图”模式。术者需根据导航屏幕中器械尖端在矢状位、冠状位及水平位图像上的坐标及鼻内镜术野内的真实图像在头脑中重建出器械与解剖结构之间的位置关系,从而指导手术。正确还原解剖结构之间的位置关系,在很大程度上依赖于术者基于解剖学基础及临床经验的主观思维和判断。因而立体图像的构建往往因不同术者对影像资料判读的准确程度不同,以及对解剖结构的熟悉理解程度不同而具有较大差异。此外,现有的导航系统多是利用探针来验证相应的解剖标志,这就需要经常中断手术而导致费时较多。基于上述问题,在现有导航系统硬件配置的基础上,我们研究了基于增强现实技术的立体显示模式。将基于术前影像资料的三维虚拟图像与畸变校正后的内镜真实图像匹配、融合并渲染,使内镜图像与重建出的鼻窦颅底影像实时、同步的显示于屏幕,使术者能够立体的观察到术区表面、深面及周边的解剖结构。从而让导航界面更友好,信息获取更直观,为精准安全的内镜手术提供更为便捷的信息支持。第一部分三维立体显示模式下导航系统内镜坐标校准方法的研究目的为呈现实时立体显示的效果,首先要将现有导航系统对探针或器械尖端的定位转变为对于内窥镜尖端的定位。本部分研究目标即在于探讨并提出在三维立体显示模式下,导航系统中内窥镜坐标的校准方法,并通过模具实验对校准结果进行验证。最终将上述结果与导航坐标系转换矩阵相结合,形成本导航系统特有的定位方法。方法利用POLARIS Vicra:跟踪系统生产厂商提供的校准程序及我课题组自行研制的“内镜校准器”,通过“锥摆法”获得鼻内镜尖端的校准参数,以此对鼻内镜坐标进行重新定义。继而以标准测试探针顶端坐标的偏移误差为参照,对比内窥镜坐标校准效果,评价得到参数的可靠性。最终将校准参数代入到坐标转换矩阵,为下一步的导航精度验证打下基础。结果通过实验获得了内窥镜坐标校准参数,结合校正公式得出内镜坐标转换关系为:FEJR'(FRTx一51.50,FRTy+ 0.00,FRTz+230.50);通过软件对实现坐标转换的内窥镜进行校准偏差的验证,并与标准参照物进行比较,结果显示二者校准偏差值的均数分别为0.170±O.048mm. 0.153±0.055mm,经过T检验证实无统计学差异。将得到的校准参数代入导航坐标系转换矩阵,推导出了总的坐标转换关系Fv=RWVFW+TMV。结论在鼻内镜手术导航系统的三维可视化改造中,我们设计“锥摆法”实现了鼻内镜原点坐标的准确转换。验证结果表明,该方法具有可行性。将校准参数代入导航坐标系转换矩阵得到总体坐标转换关系。从而使系统能够对内窥镜尖端实时定位,并以该点坐标为基准对虚、实图像进行融合。第二部分内镜手术导航系统三维立体显示的可行性研究目的对追踪内镜尖端的导航系统显示效果和精确度进行验证,评估其可靠性和临床应用的可行性。方法通过体模实验及尸头实验测试导航系统的三维立体显示效果并获得其精度;通过比较本导航模式与传统导航模式辅助下模拟手术的时间、损伤等因素,以及基于主观评价的NASA-TLX评分,评估三维立体显示模式的作用及使用者的主观感受。结果基于增强现实技术的三维立体导航模式实现了对真实内镜图像与虚拟三维重建图像的精确融合。在尸头实验中,其导航精度为1.28+0.45mm,符合鼻内镜手术导航设备的技术要求;本导航模式与传统导航模式引导完成模拟手术的平均时问分别为88.27±20.45min.104.93±24.61min,(P0.05):术中受试者精神负荷综合评分分别为53.15+10.90、65.98+15.43,(P0.05)。三维立体的导航模式在以上两方面具有优势,其中低年资医师从中获益更为明显。结论我课题组自行设计的这种基于增强现实技术的鼻内镜手术三维立体导航模式较传统模式更符合临床医生的实际需要。它能为鼻科医生提供更直观、更富有层次感的图像信息,从而在复杂的鼻-颅底手术中减少术者的判断时间,缓解精神负荷。此外,具有三维立体显示模式的鼻内镜导航系统能够帮助低年资医生提高专业训练的效率。第三部分三维立体显示的内镜手术导航系统在鼻颅底手术中的初步应用目的对本导航系统进行初步的临床应用,进一步评估三维可视化的鼻内镜手术导航系统的精度,探讨其在鼻颅底外科手术中的应用价值。方法将三维立体显示模式的导航系统应用于12例鼻腔、鼻窦、颅底、眼眶占位患者的手术治疗,记录导航精度及并发症发生情况,并通过Likert问卷及NASA-TLX模拟量表反映术者主观获益程度。同时,尝试在一些关键的主客观指标方面与常规手术组进行对比。结果12例导航手术平均精度为1.35±0.53mm。在系统的引导下,导航组未出现手术并发症。Likert问卷结果显示:导航组术者中,有3人次在针对“本导航系统在性能方面是否符合临床需求”问题上持中立态度,其余均认可本系统在对操作者的主观帮助方面起到了积极的作用。NASA-TLX模拟量表反馈结果表明:在脑力需求、体力需求、时间需求、自信心、努力程度、挫败感等6项主观指标中,时间需求及主观努力程度平均分值在导航组与常规手术组之间比较时未出现统计学差异(P0.05);而其余4项平均分值在组间比较时均存在差异(P0.05),导航组术者在三维立体显示模式引导下精神负荷更小。结论经过三维可视化改进的导航系统精度可靠,显示直观,能够实时显示术区后方及周围的重要结构。更便捷的帮助术者确认解剖结构,有利于手术的顺利完成。鉴于样本量有限,三维立体的显示模式在鼻内镜导航手术中的应用价值还需在更多的临床应用中得到证实。


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