12第7章正颌外科手术导航系统实现.doc.docVIP

正颌外科手术导航系统实现 正颌外科手术导航系统除了相应的软件模块之外，还需要一定的硬件支撑才能将导航技术引入到正颌外科手术领域，针对正颌外科开展手术导航。本文第三章到第六章中我们给出了针对每个关键技术的解决方案，同时基于VC++和VTK完成了算法和功能的实现，因此本章对软件部分的具体实现不做赘述。本章首先介绍了导航系统硬件配置，并完成了与正颌外科手术相关的手术工具的设计，为正颌外科手术导航提供了硬件支撑。然后取医学实验用成年男性头颅模型1例进行了手术导航实验，验证手术导航系统的手术精度，为3D OsteoSimNav手术导航系统的临床应用迈出坚实的一步。 导航系统硬件配置 与大多数基于光学跟踪的手术导航系统相似，3D OsteoSimNav手术导航系统的主要硬件配置包括如下几部分： 高性能图形工作站 综合权衡性价比，我们选用了DELL AW-PRECISION 450DT 高性能工作站，Intel? XeonTM处理器.80GHz； 内存1GB； 显卡nVidia QuaoroFX 500 VGA/DVI图形卡，显存为128MB； 硬盘：SCIS，70G，7200RPM； 操作系统：选用主流操作系统Windows XP Pro，主要因为其有着丰富的应用软件和开发包支持，便于开发工作的进行。 活动工作台 根据手术导航系统的需要，自行设计并制作了活动工作台，用于固定和支撑三维光学立体定位设备（摄像头和控制箱等）以及安放图形工作站主机和显示器等。该工作台被设计为可以任意推动并可随时自锁固定，以保证摄像头能处于最佳追踪范围内，并保证不防碍医护人员的视野和手术操作。 三维光学立体定位设备 本文采用加拿大NDI公司的Polaris光学立体定位跟踪仪。Polaris立体定位系统的核心设备是位置传感器(Position Sensor/Localizer)和探测工具（Sensing Tool）。位置传感器是由一组装有红外线滤波片的CCD 摄像头构成的，摄像头周围有一圈红外线发射器。摄像头的个数是位置传感器最根本的特性，二摄像头传感器(2-Camera Sensor, 2CS)的CCD 摄像头采用的是二维阵列的CCD 晶片，每一个摄像头在工作时均会产生一幅二维图像，其显示了测量空间中的点状红外能量。该点与相应摄像头中心的连线表示了红外能量在摄像头坐标系中的位置和方向。Polaris立体定位系统通过两个CCD摄像头来追踪安装在工具上的若干特制标记物来最终确定探测工具的空间位置，位置传感器与探测工具之间存在某种能量交换，通过换算可以得到探测工具的空间位置。 Polaris立体定位系统同时追踪的最大工具件数为12件（有源的3件，无源的9件），定位精度为0.35mm，追踪范围为2×1×1m。该设备通过RS232通讯接口与计算机相连，提供了工具管理及追踪测试软件，同时可通过串口编程对其进行二次开发。 图7-1 3D OsteoSimNav硬件系统 Fig. 7-1 Hardware System of 3D OsteoSimNav 相关手术工具设计 针对正颌外科手术的需要，我们进行了探测工具设计、手术器械与探测工具接口设计、头部支架设计以及手术器械校准系统的设计。 探测工具设计 为了用探测工具表征测量目标在位置传感器中的坐标信息，需要将探测工具与测量目标设计成一体，如此便可以通过探测工具的空间位置以及两者之间的坐标变换关系求得测量目标的空间位置。 探测工具根据工作原理不同分为有源工具和无源工具，本节从设计的难易、使用的灵活性、定位精度和成本四个方面对这两种工具进行了比较，为手术工具的设计提供依据。 设计的难易。有源工具需要将一组红外发光二极管集成在刚体上，发光二极管按特定的顺序发射红外光，摄像机接受信号，根据发光二极管的发光顺序和在摄像机敏感元件上的成像位置可以确定发光二极管的空间位置。而无源工具用特征比较明显的标记集成在刚体上，由立体视觉原理来实现目标识别。有源工具的设计不仅需要设计刚性的框架，还需要设计发光二极管的电路，工序复杂，而无源工具只需将无源标记固定在一个设计好的刚性框架上。 使用的灵活性。有源工具在使用的时候需要将其描述文件固化到追踪系统的控制箱程序中，而无源工具的描述文件可以在追踪系统初始化之前动态加载。有源工具带有连接线，而无源工具不带连接线，从而避免了对手术空间和无菌环境的干扰。所以无源工具的使用更灵活。 定位精度。有源工具的精度比无源的高，有源工具可主动发射红外线，而被动工具是反射摄像机发射过来的红外线，被动工具红外线的行程是主动工具的2倍，由于红外线反射球对光的敏感性，有时手术室灯光会造成系统不能持续看到反射球。而且，反射球是靠表面的涂层反射红外线，沾上血污或部分磨损后也会影响工作。 成本。包括原始成本和追加成本。原始成本是指第一