計算機輔助導航系統(tǒng)及其骨科應用.pdf
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國內(nèi)講堂
21 繼續(xù)醫(yī)學教育 第21 卷第1 2 期
計算機輔助導航系統(tǒng)及其骨科應用
楊永宏 鄭杰(解放軍第一一七醫(yī)院骨一科, 杭州，310013 )
作者簡介
楊永宏，男，主任醫(yī)師，科主任。 研究方向：脊柱
外科、 關(guān)節(jié)外科、 計算機
輔助骨科導航技術(shù)。
計算機輔助導航系統(tǒng)(Computer Assisted
Navigationsystem, CANS ) 將空間立體導航技術(shù)、計算機圖像處理及可視化技術(shù)與臨床手術(shù)結(jié)合起來，利用計算機計算出信號傳輸和接收發(fā)射器位置點的
數(shù)據(jù)，得出所需的各種曲線和角度，使無形、虛擬
的人體參數(shù)轉(zhuǎn)變成直接的動畫圖像。同時可使手術(shù)
器械的位置在術(shù)中影像上實時更新顯示，讓醫(yī)生隨
時了解手術(shù)器械的位置與患者解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，避
開重要的解剖結(jié)構(gòu)，確保手術(shù)的安全。還可以模擬
手術(shù)器械的前進和后退，存儲手術(shù)路線，測量植入
物的角度、長度及直徑，便于醫(yī)生客觀地進行手術(shù)。
利用CANS 可減少術(shù)中X線機的使用，進而減少患
者及手術(shù)室工作人員的X線攝入，維護其健康。
1 CANS 的分類及其原理特點
1.1 按照導航工具與手術(shù)環(huán)境交互方式的不同分三
類
1.1.1 主動式結(jié)構(gòu)：主要指機械手、手術(shù)機器人，即
術(shù)中無須人為的干涉，完全憑借機械手進行操作。
但由于機械手在靈活性方面遠不能和人手相比，因
此往往難以滿足復雜手術(shù)的要求, 從而限制了機械
手在臨床的廣泛應用。
1.1.2 被動式結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)導航系統(tǒng)在術(shù)中通過提
供手術(shù)工具的實時空間位置及運動軌跡，并將該信
息提供給手術(shù)操作者，無須手術(shù)醫(yī)生的判斷，協(xié)助
其準確地完成手術(shù)操作。是目前臨床使用最廣泛的
一種導航定位方法。
1.1.3 半主動式結(jié)構(gòu)：該類型的導航系統(tǒng)屬于第二
代機器人手術(shù)系統(tǒng)，多數(shù)處于實驗研究階段, 尚未
見臨床應用報道。它允許醫(yī)生在機器人控制的安全
范圍內(nèi)隨意移動手術(shù)工具, 但如果手術(shù)超越此安全
范圍, 系統(tǒng)將終止操作。該系統(tǒng)不但確保了手術(shù)的
安全性，還充分發(fā)揮了人手的靈活性，有待進一步
研究、應用。
1.2 按照導航信號分四類
1.2.1 光學定位(紅外線) ：該導航系統(tǒng)是目前導航
系統(tǒng)中的主流定位方法。以 CCD 攝像機作為傳感
器，利用安裝在手術(shù)器械上的紅外發(fā)光二極管發(fā)出
的紅外線的空間位置，判斷出手術(shù)器械的位置和姿
態(tài)， 指導醫(yī)生完成手術(shù)操作， 如德國蛇牌Orthopilot
導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有定位精度高、處理靈活的優(yōu)
點，但其紅外線接收裝置容易受術(shù)中手的遮擋及周
圍光線或金屬物體鏡面反射的影響。
1.2.2 磁(電磁場)定位：利用每個電磁產(chǎn)生的線
圈定義一個空間方向, 3 個線圈確定三個空間方向,然后再根據(jù)已知的相對位置關(guān)系即可確定目標的空
間位置。電磁定位系統(tǒng)定位精度較高, 屬于非接觸
式定位。但該系統(tǒng)磁場對工作空間中任何金屬物體
的引入都很敏感，有可能影響到定位的精確性。如
Ascension Technology 公司的Flock of Birds 系統(tǒng)。
1.2.3 聲學(超聲信號)定位：在手術(shù)器械上放置
N (至少大于3 )個超聲波發(fā)射器, 通過測量超聲波
的傳播時間來計算發(fā)射器與接收器間的距離，從而
計算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。但溫度對超聲波的
影響、空氣位移及空氣非均勻性對定位精確性的影
響是該系統(tǒng)的弊端 ......
21 繼續(xù)醫(yī)學教育 第21 卷第1 2 期
計算機輔助導航系統(tǒng)及其骨科應用
楊永宏 鄭杰(解放軍第一一七醫(yī)院骨一科, 杭州，310013 )
作者簡介
楊永宏，男，主任醫(yī)師，科主任。 研究方向：脊柱
外科、 關(guān)節(jié)外科、 計算機
輔助骨科導航技術(shù)。
計算機輔助導航系統(tǒng)(Computer Assisted
Navigationsystem, CANS ) 將空間立體導航技術(shù)、計算機圖像處理及可視化技術(shù)與臨床手術(shù)結(jié)合起來，利用計算機計算出信號傳輸和接收發(fā)射器位置點的
數(shù)據(jù)，得出所需的各種曲線和角度，使無形、虛擬
的人體參數(shù)轉(zhuǎn)變成直接的動畫圖像。同時可使手術(shù)
器械的位置在術(shù)中影像上實時更新顯示，讓醫(yī)生隨
時了解手術(shù)器械的位置與患者解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，避
開重要的解剖結(jié)構(gòu)，確保手術(shù)的安全。還可以模擬
手術(shù)器械的前進和后退，存儲手術(shù)路線，測量植入
物的角度、長度及直徑，便于醫(yī)生客觀地進行手術(shù)。
利用CANS 可減少術(shù)中X線機的使用，進而減少患
者及手術(shù)室工作人員的X線攝入，維護其健康。
1 CANS 的分類及其原理特點
1.1 按照導航工具與手術(shù)環(huán)境交互方式的不同分三
類
1.1.1 主動式結(jié)構(gòu)：主要指機械手、手術(shù)機器人，即
術(shù)中無須人為的干涉，完全憑借機械手進行操作。
但由于機械手在靈活性方面遠不能和人手相比，因
此往往難以滿足復雜手術(shù)的要求, 從而限制了機械
手在臨床的廣泛應用。
1.1.2 被動式結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)導航系統(tǒng)在術(shù)中通過提
供手術(shù)工具的實時空間位置及運動軌跡，并將該信
息提供給手術(shù)操作者，無須手術(shù)醫(yī)生的判斷，協(xié)助
其準確地完成手術(shù)操作。是目前臨床使用最廣泛的
一種導航定位方法。
1.1.3 半主動式結(jié)構(gòu)：該類型的導航系統(tǒng)屬于第二
代機器人手術(shù)系統(tǒng)，多數(shù)處于實驗研究階段, 尚未
見臨床應用報道。它允許醫(yī)生在機器人控制的安全
范圍內(nèi)隨意移動手術(shù)工具, 但如果手術(shù)超越此安全
范圍, 系統(tǒng)將終止操作。該系統(tǒng)不但確保了手術(shù)的
安全性，還充分發(fā)揮了人手的靈活性，有待進一步
研究、應用。
1.2 按照導航信號分四類
1.2.1 光學定位(紅外線) ：該導航系統(tǒng)是目前導航
系統(tǒng)中的主流定位方法。以 CCD 攝像機作為傳感
器，利用安裝在手術(shù)器械上的紅外發(fā)光二極管發(fā)出
的紅外線的空間位置，判斷出手術(shù)器械的位置和姿
態(tài)， 指導醫(yī)生完成手術(shù)操作， 如德國蛇牌Orthopilot
導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有定位精度高、處理靈活的優(yōu)
點，但其紅外線接收裝置容易受術(shù)中手的遮擋及周
圍光線或金屬物體鏡面反射的影響。
1.2.2 磁(電磁場)定位：利用每個電磁產(chǎn)生的線
圈定義一個空間方向, 3 個線圈確定三個空間方向,然后再根據(jù)已知的相對位置關(guān)系即可確定目標的空
間位置。電磁定位系統(tǒng)定位精度較高, 屬于非接觸
式定位。但該系統(tǒng)磁場對工作空間中任何金屬物體
的引入都很敏感，有可能影響到定位的精確性。如
Ascension Technology 公司的Flock of Birds 系統(tǒng)。
1.2.3 聲學(超聲信號)定位：在手術(shù)器械上放置
N (至少大于3 )個超聲波發(fā)射器, 通過測量超聲波
的傳播時間來計算發(fā)射器與接收器間的距離，從而
計算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。但溫度對超聲波的
影響、空氣位移及空氣非均勻性對定位精確性的影
響是該系統(tǒng)的弊端 ......
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