计算机导航在骨科手术中的应用
如何理解计算机导航系统在骨肿瘤手术中的作用
方案 ， 主要体现在 ： １ 基于肿瘤术前 Ｃ 、 Ｒ 等影像 （） ＴＭ Ｉ
学检 查进 行精 准 的设 计 ， 定 肿 瘤 切 除 范 围；２ 采 用 确 （） Ｍｉ ｃ ｍｉ ｓ等设计 软 件 模 拟 肿 瘤 切 除后 骨 缺 损 ， 并进 行 重 建设 计 ；３ 术 中图像 配准 以及 与 术 前 图像 进 行 融合 ， （）
解 剖 变异或 各 种 原 因所 致 的解 剖 标 志 缺 乏 ， 往 会 给 往
方案也很难做到完全 的统一， 计算机 导航辅助技 术在 某 种程 度上 可 以使 手 术 具 有 统 一 性 ， 因为手 术 需 要 遵 循相同的标准， 中具有客观 的参数记录， 于术后评 术 便
价 和分 析 ， 利于 类似 手术 的质 量控 制 。 有 由于计 算机 导 航 辅 助 技 术 需 要 术 前 计 划 ， 中 需 术 要再注 册 ， 以及 术 中 的 实 时监 控 ， 于 手 术 医 师 ， 论 对 不 是低 年 资还 是 高 年 资 ， 可 以通 过 虚 拟 的 肿 瘤 三 维 结 都 构 与现 实解 剖 结 构 进 行 拟 合 ， 时修 正 自己的 错 误 主 随 观 想法 。 因此 ， 一 技 术 可 以使 低 年 资 医 师 更 快 地 意 这
术 前设 计进 行 ， 有 偏 离 既定 的 术 前 计 划 。对 于 骨 肿 没 瘤 手术 ， 由于肿 瘤 患 者 的个 体 特 异 性 和 手 术 医 师 的 经 验 和体会 不 同， 即使 是 在 同一个 骨 肿瘤 治疗 中心 ， 术 手
肿瘤 的立体特征 ， 确定手术部位。但是， 如果 患者存在
中华 临床 医师 杂 志 （ 子版 ）０２年 ６月 第 ６卷 第 １ 电 ２１ ２期
Ｃ ｉ Ｃｉｉ ａｓ Ｅｅｔ ｎｃＥ ｉｏ ）Ｊｎ ５２ １ ， ｏ． ， ｏ１ ｈｎＪ ｌ ｃ ｎ（ ｌ ｒ ｉ ｄｔ ｎ ， ｅ１ ， ２ Ｖ １６ Ｎ ．２ ｎｉ ｃｏ ｉ ｕ ０
骨科手术导航系统在椎弓根螺钉固定术中的应用
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骨科手术导航系统在椎弓根螺钉固定术中的应用
作者：毋强华
来源：《中外医疗》2013年第19期
目前，随着计算机技术及精密机械自动控制技术的日趋成熟，使得医学影像设备质量不断提高，在医学图像处理、三维可视、空间三维定位导航、临床手术等方面取得了更为广泛的应用。
目前，由定量诊断、手术模拟及预测、立体定向导航等组成的计算机辅助外科手术系统已经成为生物工程与临床医学研究的重点课题。
骨科手术导航系统是计算机辅助外科手术系统的一个重要分支，它可以在不改变临床医师传统手术习惯的基础上，结合现代医学影像技术，立体定位技术、可视化技术等为骨科手术提供更全面的信息。
计算机辅助导航系统及其骨科应用
见 临床 应 用报 道 。它 允许 医 生在 机器 人 控 制 的安 全 且 可在 特定 位 置 夹住 或放 置 手术 器 械 ；缺 点 是术 中
范 围 内随 意移动 手 术 工具 ，但 如果 手 术超 越 此安 全 较 为笨 拙 ，施 加在 机 械手 上 的压 力 可使 数 据 发生 变
开 重要 的解 剖结 构 ，确 保 手术 的安 全 。 还可 以模 拟 导 航系 统 。该 系 统具 有 定位 精度 高 、处理 灵 活 的优
手术 器 械 的前进 和 后退 ，存储 手术 路 线 ，测 量植 入 点 ，但 其 红 外线 接 收装 置容 易 受术 中手 的遮 挡及 周 物 的角度 、长度及 直径 ，便 于 医生客 观地 进行 手术 。 围光 线或 金属 物 体镜 面 反射 的影 响 。 利用 Ｃ ＡＮＳ可减少 术 中 Ｘ 线机 的使 用 ，进 而减 少患 １ ２ ２ 磁 （ ．． 电磁 场 ）定 位 ：利 用每 个 电磁产 生 的线 者及 手术 室 工作 人员 的 Ｘ线 摄人 ，维护 其健 康 。 圈 定义一 个空 间方 向 ，３ 个线 圈确 定三个 空 间方 向 ， 然后 再 根 据 已知 的相 对 位置 关 系 即可确 定 目标 的空 １ Ｃ Ｎ 的分 类及 其原 理 特点 ＡＳ 间 位置 。 电磁 定位 系统 定 位精 度 较高 ， 属于 非接 触
研 、用 究应 。
１ ２ 按照 导航 信号 分 四类 ．
幸
外 关节外 计算 科、 科 机
．． 红外 线 ） ：该 导航 系统 是 目前 导航 辅 助骨科导 航技术 利 用计 算机 计算 出信号 传 输和 接 收 发射器 位 置 点 的 １ ２ １光学 定 位 （ 数据 ，得 出所需 的各 种 曲线和 角度 ，使 无形 、虚 拟 系 统 中 的主 流定 位 方法 。 以 ＣＣＤ 摄像 机 作 为传 感 的人 体参 数 转变 成直 接 的动 画 图像 。同 时可 使 手术 器 ，利 用 安装 在 手术 器 械上 的红 外发光 二 极 管 发出 器械 的位置 在术 中影像 上 实 时更新 显 示 ，让 医 生 随 的 红 外线 的 空 间位置 ，判 断 出手术 器 械 的位 置和 姿 时 了解 手术器 械 的位置 与 患者 解剖 结 构 的关 系 ，避 态 ， 指导 医生 完成 手术 操作 ， 德 国蛇牌 Ｏｒｈ ｐｌｔ 如 ｔｏ ｉ ｏ
骨科手术导航系统的设计与应用
骨科手术导航系统的设计与应用随着医疗技术的发展，骨科手术的稳定性和精度越来越高，但作为医生却难免会遇到一些比较特殊的病例，有时需要直接对病人进行手术。
这时，手术导航系统的应用就显得尤为重要，可以有效提高医生的操作精度和手术成功率。
一、骨科手术导航系统的基本原理骨科手术导航系统是一种通过计算机技术和医学图像处理技术实现的技术手段，可以帮助医生在手术中更加准确地定位和操作手术部位。
一般而言，手术导航系统由以下三个部分组成：1. 感知装置：感知装置主要是指一些传感器和定位器，如声音、视频、磁场等，可以实时地判断病人当前部位位置和姿势。
2. 导航软件：导航软件是整个导航系统的核心部分，通过对先前拍摄的病人影像进行三维空间重建，可以实现对病人各个部位的定位和跟踪。
医生在手术操作时，系统会自动显示手术器械和病人内部结构的位置信息，方便医生对手术部位进行判断。
3. 显示器：显示器是将实时获取到的病人影像和手术器械的位置信息合并并直观地呈现给医生的装置，可以使医生更加直观地了解手术部位的情况，提高手术精度。
基于上述原理，骨科手术导航系统被广泛应用于医疗机构，特别是在复杂的骨科手术中，可以使医生在保证手术精度的同时，减少手术时间和术后并发症。
二、骨科手术导航系统的设计与构成骨科手术导航系统的设计，需要深入了解医学和计算机技术，掌握医学图像处理技术和3D建模技术，并在初始化设计阶段，围绕着病人影像处理、器械跟踪、手术指令和影像呈现等重要环节，确定完整的系统框架和技术实现路线。
在设计阶段，需要考虑到医疗设备的多样性和操作体验效果，同时特别考量设备的通用性，保证医疗生态的稳定性和持续性。
另外，还需要注意到设备的制造成本与开放性，并围绕着现有的医疗设备设计开放接口，方便不同设备间的数据共享。
三、骨科手术导航系统的应用场景骨科手术导航系统是一个综合性医疗设备，应用广泛。
特别适合在一些高难度的骨科手术中使用，例如骨折复位术中，骨臂修复手术中，脊椎手术中等。
智能导航系统在手术中的应用AI助力精准定位
智能导航系统在手术中的应用AI助力精准定位智能导航系统在手术中的应用：AI助力精准定位导言：随着人工智能技术的不断发展，智能导航系统在医疗领域的应用越来越广泛。
特别是在手术过程中，智能导航系统带来了许多便利和效益。
本文将探讨智能导航系统在手术中的应用，以及AI技术如何助力精准定位。
1. 智能导航系统的基本原理智能导航系统是基于人工智能技术开发的一种创新医疗设备，它利用高精度的传感器和智能算法，能够实时获取患者的解剖结构信息，并将其与医生的手术操作相结合，实现精准定位和导航。
2. 智能导航系统在手术中的应用2.1 神经外科手术中的应用神经外科手术是一种高风险且具有复杂性的手术，需要医生对患者的神经解剖结构有着精准的了解。
智能导航系统通过实时扫描患者的大脑结构，能够提供精确的数据，帮助医生在手术中定位和导航，最大限度地减少手术风险。
2.2 骨科手术中的应用骨科手术需要医生准确地找到患者的骨骼结构，然后进行手术操作。
传统手术方式下，医生需要依靠自己的经验和观察来进行定位，容易受到人为因素的影响。
而智能导航系统可以根据预先扫描的患者骨骼结构图像，为医生提供准确的位置信息，使手术操作更加精准。
2.3 心脏手术中的应用心脏手术是一种高风险的手术，对医生的要求非常高。
智能导航系统可以通过监测患者的心脏结构和功能，为医生提供实时的数据反馈和引导，帮助医生准确定位手术部位，并提供最佳的手术路径，大大提高手术的安全性和成功率。
3. AI技术助力智能导航系统人工智能技术是智能导航系统的核心驱动力。
通过深度学习算法和大数据分析，AI技术可以比医生更快速、精准地识别和定位患者解剖结构，从而为手术过程提供更为高效和准确的导航。
此外，AI技术还可以根据手术历史数据和文献资料，为医生提供最新的临床指导和决策支持，进一步提高手术的精确性和安全性。
4. 智能导航系统的优势和挑战4.1 优势智能导航系统能够提供实时的准确导航和定位信息，帮助医生更加精确地进行手术操作，减少手术风险，提高手术成功率。
骨科手术导航技术的现状与未来
随着医疗技术的不断发展，骨科手术 对精准度和安全性的要求越来越高， 传统的手术方法已经难以满足需求， 因此骨科手术导航技术应运而生。
技术原理
原理
通过计算机系统将患者的医学影像资料（如CT、MRI等）与实际手术位置进行 匹配，利用图像处理技术进行三维重建，实现手术部位的精准定位。
技术流程
获取患者医学影像资料→建立三维模型→注册配准→导航定位→手术操作。
临床应用范围
01
02
03
脊柱手术
导航技术可辅助医生进行 脊柱肿瘤、脊柱侧弯、脊 柱骨折等手术，提高手术 精度和安全性。
关节手术
导航技术广泛应用于髋关 节、膝关节、肩关节等关 节置换手术，提高假体植 入位置的准确性。
创伤手术
对于骨折复位、骨肿瘤切 除等创伤手术，导航技术 有助于减少手术创伤和并 发症。
医疗成本
手术导航技术的成本较高，可能会增加患者的经济负担，需要关注 其经济影响。
医疗质量与安全
手术导航技术的应用可以提高手术的精确性和安全性，但也可能导致 过度依赖技术，忽视医生的专业技能和经验。
政策建议与展望
加强监管
政府应加强对骨科手术导航技术的监管，制定相应的法规和标准， 确保技术的安全和有效性。
交叉学科融合与应用
医学影像技术
01
与医学影像技术相结合，利用影像学数据为手术导航提供更加
精准的定位信息。
生物力学
02
与生物力学学科相融合，深入研究骨骼、关节的生物力学特性，
为手术导航提供更加科学的依据。
神经生理学
03
与神经生理学相结合，研究神经生理机制，提高手术导航的安
全性和舒适性。
未来临床应用前景
骨科手术导航技术的现 状与未来
骨科手术中的导航技术应用与操作指南
骨科手术中的导航技术应用与操作指南导航技术的应用在骨科手术中发挥了重要作用，它可以帮助医生准确地定位和导航手术切口、骨折修复、关节置换等过程中的关键步骤。
本文将介绍导航技术在骨科手术中的应用以及操作指南。
导航技术是一种借助计算机辅助设备的技术，在手术过程中通过实时的图像导航为医生提供准确的位置指引和解剖结构信息。
它可以用于导航手术切口位置、确定骨折修复位置、辅助关节置换手术等，有助于提高手术的精确性和安全性。
在骨科手术中，导航技术的应用主要包括以下几个方面：1. 骨切口导航：传统的手术切口定位依赖于医生的经验和手动测量，存在一定的误差。
而借助导航技术的帮助，医生可以通过预先标记的参考点或特定软件来确定切口位置，有效降低了手术切口的误差。
2. 骨折修复导航：导航技术能够提供高精度的三维解剖定位信息，为医生在复杂的骨折修复手术中提供准确的导航指引。
通过导航系统的实时影像显示，医生能够直观地了解骨折的位置、角度和关系，从而更好地规划手术方案，减少手术时间和创伤。
3. 关节置换导航：在关节置换手术中，导航技术可以提供关节的解剖信息以及手术切口和假体定位等指导。
通过导航系统的引导，医生可以在手术过程中实时调整手术方案，确保假体与周围组织的高度适配和稳定性。
导航技术在骨科手术中的操作指南如下：1. 前期准备：在手术前，医生应根据患者的病情和手术需求选择适合的导航系统，并对系统进行充分的了解和熟悉。
同时，需要对患者进行影像学检查，获取患者的三维图像数据，以供导航系统使用。
2. 导航系统设置：在手术现场，医生需要将导航系统与手术器械和影像设备进行连接，并进行系统校准。
校准过程中，医生需要准确标定参考点，以确保导航系统的准确性。
3. 手术过程中的导航操作：手术过程中，医生通过导航系统的实时影像显示和定位指引，可确定手术切口位置、骨折修复位置等关键步骤。
医生可以通过系统提供的功能调整影像的方向、角度和放大倍数，更好地观察和导航手术区域。
计算机导航全膝关节置换术在创伤后股骨干严重畸形患者中的应用
（ 华 扶他 林 杯 征文 ） 诺
计算机导航 全膝关节置换术在创伤后股骨干 严 重 畸形 患者 中 的应 用
王诗 军 赵 宇驰 张树 栋 马卫 华 王 雏光 赵 中原 刘 克贵 孔 刚
【 摘要 】 目的
中 的应 用 。 方 法
介绍计算机导航辅 助全膝关节置换术 （ Ｋ 在伴 有关节外 股骨严重 畸形患者 Ｔ Ａ）
中华 关 节外 科杂 志 （ 电子 版 ）ｏ １ ｌ ２ ｌ 年 ２月第 ５卷第 ６期
Ｃ ｉ Ｊ ｏ ｔ ｕｇ Ｅｅｔ ｎ ｄｔｎ ，ｅｅ ｂｒ ０ １ Ｖ １５ Ｎ ． ｈｎ ｉ ｒ（ ｌｃｏｉ Ｅ ｉｏ ）Ｄ ｃｍ ｅ １ ， ｏ． ， ｏ６ Ｊｎ Ｓ ｒ ｃ ｉ ２
．２ ． ５
【 关键词 】 外科手术 ， 机辅助 ； 关节成 形术 ， ， ； 畸形 计算 置换 膝
Ｎａ ｉ ａ ｅ ０ ａ ｎ ｅ ａ ｔ ｒ ｐ ａ ｔ ｎ ｐ ｔ ｎ ｔ ｅ ｅ ｅ ｅ ｔ ａ ａ ｔ ｕ ａ ｅ ｒ ｌｄ ｆ ｒ ｔ Ｗ ｖ ｇ ｔ ｄ ｔ ｔ ｌｋ ｅ ｒ ｈ ｏ ｌ ｓｙ ｉ ａ ｅ ｔ ｗｉｈ ｓ ｖ ｒ ｘ ｒ ・ ｒ ｉ ｌ ｒ ｆ ｍｏ ａ ｅ ｏ ｍｉｙ ｉ ｓ ｃ ＡＮＧ Ｓ ｉ ｎ，ＺＨ ｕ ｃ ｉ ＺＨ ＮＧ Ｓ ｕ 如 ， ｈ ＡＯ Ｙ —ｈ ， Ａ ｈ 一 ＭＡ Ｗｅ— ｕ ｉ ａ，ＷＡ ｉ ｕ ｎ ＺＨ ｏ ｇ ｙ ａ ，Ｌ Ｕ Ｋ — ｈ ＮＧ Ｗｅ— ａ ｇ， ＡＯ Ｚｈ ｎ — ｕ ｎ Ｉ ｅ ｇ
【 ｂｔ ｃ】 ０ ｊｃｖ Ｔ ｅ ｅ ｕ ｘｅ ｅｃ ｉ ｃ ｐｔ — ｓｔ ｔ ｎｅａｈｏｌ ｔ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｂｅｔｅ ｏｒ ｉ ｏ ｅｐｒｎｅ ｎ ｏ ｕ ｒ ｓｓ ｄｔａ ｋｅ ｒ ｒ ａ ｙ ｉ ｖｗ ｒ ｉ ｍ ｅ ａ ｉｅ ｏ ｌ ｔ ｐｓ
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Referencing
Automatic compensation of patient and camera motion.
Reference coordinate system is attached anywhere on patient.
Matching
The transformation between the patient world and the CT image world is found
easy setup, mobile, only 80 x 80 cm each
Surgical instruments are tracked by a camera
Camera Infrared
LED Shield
Best tracking technology
• High precision
针，十字韧带重建等。
(二)．二维X线依赖的导航
• C臂现在已经成为骨科手术的基本设备。其最 大的特点是实时迅速的显象，无须术前模拟。在 手术器械上和传感器上安装两套光发射二级管（ LEDS）通过显示屏来配准（11）。其配准过程包 括X线的建模和补偿由于C臂转动带来的图象变形 。示踪器安放在C臂上，可以计算控制功能参数 ，最先被Ｈofsteterr使用（１2）。通过C臂的转 动获得图象，是一对多的图象，相当于使用了多 个C臂，这是2维显象的一个优势。另一个优势是 图象可以更新，随时可以获得最新的图象，有利 于复杂骨折的复位。现在2维依赖的导航已经广泛 应用于关节置换、锁式髓针，DHS，十字韧带重 建中。
Tool Set Spine
Tool Set Pelvis
• 4 chisels • Pelvis • Fragment • Calibration • Pointer • VK
Simultaneous tracking of 9 tools!
Tool Set Hip Prosthetics
SurgiGATE® Components
计算机导航在骨科手术中的应用
一.基本概念
•
CAOS即利用各种影象设备如CT、MRI、
PET、DSA、US等结合导航系统，对人体骨骼解
剖结构及手术器械进行显示和定位，通过计算机
制订手术计划，在术中进行操作干预的一项技术
。最早应用于神经外科领域的立体定位，肿瘤切
除化疗等。其最大的优势是：简化了手术操作，
• long and compact tools
• Many objects tracked • multiple tools and bones
• Large Field of View (FOV)
• needed for C-Arm and other applications
三个条件：
• 1．校准（calibration）：对于描述骨骼的几何形 状校准是必需的。即在操作器械上安装跟踪器， 是提高图象配准精度及定位精度的第一步。 2．配准(registration)：其目的是在VO和术前图 象的基础上对手术器械定位，提供相对应的定位 显象。 3．参照(reference)：动态参照系统（dynamic reference bases,DRB）可以弥补由于导航仪和 骨骼位置的移动带来的误差。
缩短了手术时间，减少了手术创伤，减弱了术中
放射线的照射，使骨科手术变的更安全、更准确
、更微创。
Basic principle
基本设备:
• 不同的导航系统有不同的设备，但其中最基本的 设备是一致的。大概有以下三种分类： （1）SO（surgical object）:手术操作实体，在 骨科领域，主要是骨骼及相关联的组织结构。 （2）VO（virtual object）成像设备。现在常用 的CT，X线，MRI ，PET，DSA 等影象设备，可 以实时准确地提供图象及数据。 （3）NAV（navigator）：导航仪。即在SO 和 VO 之间的连接装置。获取操作器械在人体的定 位和方向。
Define Landmark in Image
Find Landmark on Patient
Matching methods
Methods:
• Paired-Point Matching • Surface Matching
Digitization of points
Surgical Navigation
Step 3: Navigate
Action Image
OR Setup
三．基本类型
• (一)CT依赖的导航系统
•
最早应用于神经外科，目前在骨科应用比较广泛，最
早应用于脊柱椎弓根螺钉固定系统（6）。目前典型的系
统有DiGioia(7)等开发的Hipnav系统，Langlotz(8)等开
发的脊柱导航系统。术前将获得CT扫描图像，并将患者的 模拟仿真数据导人计算机中；术中，通过定位跟踪器获得 手术工具与解剖结构之间的空间位置关系，并与术前的CT 图像进行配准，在计算机中实时显示手术工具在仿真模型
中的位置关系，以指导医生实施手术操作。配准是其最关
键的技术，有过去的点匹配（9）和现在的面匹配（10） 。该导航最大的优点是可以获得良好的三维图象，有利于 术前计划和模拟。其缺点是，需要严格的配准和参照才能 获得更好的图象，而且无法实时显象，图象无法更新。，
现在已经广泛应用于全髋置换和全膝置换，DHS，锁式髓
．控制手术器械到达要求的部位，从而实施相
应的手术操作。
Step 1: Placement of the Reference Base
Reference coordinate system is attached anywhere on patient.
Step 2: Shoot images
Image stored in the computer
PatientLeabharlann Image二.工作模式
•
医生通过术前或术中x线／CT／MRI对人
体手术部位进行显示，定位，然后规划模拟，
术中手持装有跟踪器的操作器械对患者实施操
作，手术工具的空间立体定位及瞄准过程均在
跟踪器的实时控制之下，跟踪器能够精确地给
出术中解剖部位与多模图像之间的位置关系，
经过相应坐标转换(平移、旋转等)的配准过程