醫學影像技術發展現狀范文

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篇1

【關鍵詞】醫學；影像；物理；技術

【中圖分類號】R-0 【文獻標識碼】B 【文章編號】1671-8801（2015）03-0272-02

當前時代背景下的醫學影像物理和醫學影像技術發展以依靠功能成像為主，核心點即為人體心理生理成像和人體心理功能成像。我們通常所說的生理成像也就是基礎性參數成像，此項內容以生理參數形式在人體內部進行分布，上述分布形式需要相關人員進行數據重建才能獲得，之后在此基礎上還要給予其數次分析和詳細計算。心理成像技術的復雜性顯而易見，由于多少會聯系到實驗設計的準確性，成像設備設定過程中要對其進行被試控制以達到預期效果。但是心理成像臨床精神疾病診療實驗才會起突破最大的一個點，內生物法分析動態成像和反義核酸水動態成像是現下醫學領域多次討論和研究的科學問題之一，上述成像方法和成像技術會對醫療機構改革造成重大影響。

一、醫學影像物理要點分析

1.X射線成像要點分析

1970年之后出現了X射線斷層成像技術，X射線斷層成像技術是較為傳統的影像技術之一，以也是最為成熟的成像方法之一，X射線斷層成像技術速度之快足可以完成對心臟進行動態成像，將顯像增強劑XCT成像技術進行科學合理融入，可對血管病變進行檢查，同時也可對血腦屏障病灶破壞與否進行適時檢查，此項技術實質上歸屬于功能成像的基本范疇之內。需要注意的是，病人體內劑量接收和病人片厚接收過程中，醫生均應進行折中篩選，對比度因素提高和相關空間分辨率提高，二者會受到一定制約因素影響，但是多模態集成成像基本裝置中，新型PET和MRI都相繼問世，在某種程度上為用戶提供質量方法選擇權限，軟件水平元素和硬件水平元素之上的醫學影像集成有時呈多模態發展趨勢，此類狀況也是未來發展趨勢之一。

2.核磁共振成像要點分析

采集技術以成為操作主選，其發展態勢偏于良性化，但是氣體成像確是商業首選，肺部現象中的體現尤為突出，當下MRI基本功能成像設備應用范圍內，主要分為人腦認知功能成像內容，此種內容旨在對人體大腦工具機制進行實時性的心理測量，并在診斷過程中可以為腫瘤疾病等提供相應可靠治療信息，之后在此基礎上為體內腫瘤發展階段信息以及相關體內腫瘤擴散程度信息等且進行及時準確判斷，一般情況下，其以人腦功能可視化工具形式產生。MRI設備通過不斷更新與調整，其已然達到了10Tesla的高超操作水準，具體性結構系統發雜程度相對于設備維護因素和設備功能開發因素而言，其是及其重要的。單從數據采集角度而言，微電子技術會被適當應用到體素水平研究上，通過并行采集技術完成編碼技術脫離，使得MRI成像速度得到穩步提升。

3.超聲波成像要點分析

UI實質上以非電離輻射成像模態形式產生，主要分為平面成像產品和對應斷層呈現產品兩種，因為二維成像才是其重要組成部分和重點操作環節，還有就是血液流動彩色杜普勒成像儀器設備的合理接入，此項產品便難以流通，三維成像技術和相關三維技術產品普及程度不高，但是我們此處所談及的三維也并不是真正意義上的三維，其主要是指將二維切片進行疊加，在疊加之后得到所需的準三維圖像。需要注意的是，UI儀器設備發展過程中極有可能超過X射線成像，并會成為醫學影像工作中的首選醫學工具。應該了解到，超聲波成像具備成像安全可靠和操作價格低廉等優異性，所以診斷治療和介入治療以及相關影像檢測環節等都會得到不斷發展與完善，其數量基礎性增長速度已然超乎人類想象。

二、醫學影像技術要素分析

處于首位層次上的工作和與處于首要層次上的硬件相關的軟件關系尤為密切，二者主要對成像裝置操作部件控制內容進行承擔，與此同時，數據采集內容和圖像預處理內容以及相關圖像重建內容等也被包含在內，并且也需要將臨床數據信息進行采集，之后在此基礎上對其加以分析。依據長遠角度而言，醫學軟件和醫學硬件的結合是醫學領域發展過程中的必然需求，以此種模式便可有效提高醫學水平的競爭力度。次要層次軟件核心針對環節是對機械數據進行分析和處理，需要醫護人員相互配合才能完成正規操作，現下我國沒有形成三位一體合作機制，現有商業軟件開發仍舊落后與他國。PACS技術的出現有力補漏了技術空缺，節點設置將成像設備作為主要內容，多模態形式之上的醫學影像資料信息會被不同類型專業圖像處理平臺加以處理以有效滿足基礎性醫院臨床工作需求。上述軟件與圖像工作平臺相互聯系，之后在此基礎上在于與PACS進行對接，以此種模式來完成局域網節點創建，適時通過與醫院就醫病人接診過程進行病人具體信息錄入，完成優良性質為主的圖像站創建。此時需要在作出科學合理病情診斷的同時打印出相關病情報告，圖像站中的工作人員可以對同意病人進行數據信息采集，然后與圖像配準環節有機融合，只有這樣才能在一定程度上提高醫院對病人的治療質量和診斷效率。

結束語

綜上所述，醫學影像物理和醫學影像技術是當前物理學整體中的核心分支結構，需要對成像問題和圖像處理問題以及相關醫學圖像臨床應用問題等有所了解。與此同時，物理問題內容和算法內容以及對應軟件設計內容也是其中重點，疾病診斷醫學影像內容和疾病治療醫學影像內容以及疾病科研醫學影像內容都是重要人體信息載體，合理分析影響物理和技術可促進行業內部的穩定發展。

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【關鍵詞】  矯形外科　醫療機器人　 圖像處理　手術仿真　術中配準　手術安全

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【摘要】  矯形外科是醫療機器人的重要應用領域，本文綜述了典型醫療機器人在矯形外科中的應用與發展，并對機器人技術在矯形外科中所涉及的手術機器人機構、醫學圖像處理、手術仿真、術中配準、手術安全等關鍵技術進行了分析，同時指出了今后的發展方向。

【關鍵詞】  矯形外科　醫療機器人　 圖像處理　手術仿真　術中配準　手術安全

application and development of robotic technology in orthopedic surgery

tian heqiang,wu dongmei,du zhijiang,et al.

state key aboratory of robotics and system,harbin university of technology,harbin 150080,china

    abstract：orthopedic surgery is important application of medical robot.the application and development of typical medical robots in orthopedic surgery are summarized in this paper.the key techniques such as surgical robot prototype design,medical image processing,surgery simulation,intraoperative registration,surgical safety are analyzed in detail.the trend of future development is forecast as well.

   

key words：orthopedic surgery;  medical robot;  image processing;  surgical simulation;  intraoperative registration;  surgical safety

矯形外科手術是手術室中最常見的一種手術，但是由于各種原因，一些病人的術后效果并不令人滿意。例如，在長肢骨骨折手術中，通常采用髓內釘對斷裂的骨頭進行內固定，但是斷骨的復位和髓內釘的鎖定對多數的外科醫生，有時甚至對經驗豐富的臨床專家都是一個巨大的挑戰。經椎弓根準確置入螺釘技術，穿透椎弓根皮質骨比例高達5.2％～28.1％。在關節置換手術中，被植入的裝置必須放到恰當的位置，并能夠和人體內的其它骨頭很好的配合。骨切開術則需要切口準確，在斷骨碎片自動愈合之前必須將它們固定到正確的位置。韌帶修復術、骨折恢復術和股骨髓內釘植入術等都需要很高的精度。

       

另一方面，機器人輔助外科手術系統可以明顯的改善手術的精度、質量、效率和穩定性，可以實現手術最小損傷，提高手術安全性，縮短治療時間，降低醫療成本。同時骨骼不像易于變形的軟組織，容易固定，還比較容易在ct、x線中成像，容易進行手術。機器人技術的顯著優點同矯形外科的實際需要緊密的結合起來，在醫療機器人研究領域占有率接近20％，使得矯形外科手術成為醫療機器人技術的主要應用領域。

1  典型矯形外科機器人介紹

       

美國華盛頓大學第一次把機器人應用在全膝關節置換手術(tka)矯形外科中。隨著機器人技術在矯形外科應用的開展，出現了幾種典型的矯形外科機器人系統。

     

1992年integrated surgical systems公司推出其商業化產品robodoc系統［1］，該系統能夠完成一系列的骨科手術，如全髖關節置換術及全膝關節置換術(tha & tka)，也用于了全膝關節置換翻修術(rtka)(圖1)。使用robodoc系統進行全髖關節置換手術時，首先醫生在患者髖部置入3根標志針，這些標志針會被作為進行患者和機器人之間位置注冊的基準點。之后對患者進行ct掃描，并將ct數據導入規劃工作站。規劃結束以后，通過標志針的注冊，機器人也幾經移動到合適的位置，準備開始在股骨上切割用于安裝假體的空腔。切割過程中，robodoc在計算機屏幕上提供加工過程的可視化顯示。整個切削過程受到監控中，醫生可以在計算機屏幕上監控操作，一旦出現特殊情況醫生還可以馬上停止機器人的操作。當切割完成后，機器人會離開手術空間，之后的操作由醫生按常規手術過程徒手完成。利用此系統進行手術，股骨與假體的吻合程度是傳統手術的4倍多。

   　 robodoc在商業上的成功促使德國orto maquet公司在1997年推出了caspar手術系統［2］，該系統用于tha&tka中的骨骼磨削，以及前交叉韌帶重建術的隧道入點定位，磨削精度達到了0.1 mm(圖2)，在歐洲一些醫院里得到應用。

       

2001年英國imperial college開發了acrobot(active constrain robot)系統［3］，該系統是一個半自主的機器人，用于tka和微創膝關節單髁置換術(uka)，如圖3所示。使用時，醫生先把手術刀安裝在機器人的末端關節上，然后拉著機器人的手臂使手術刀沿著患者膝蓋上的預切割部位運動1周，機器人就可以通過自身所帶的力傳感器和位置傳感器記錄下相應的信號，在實際手術時，機器人通過所記錄的信號來防止醫生運動到安全區域外或者切割過多的骨頭，確保切削工具處于預期的切削體積之內。acrobot系統使用術前ct圖像進行手術規劃，術中配準使用基于基準針的［based on fiducials(pin)］配準方法，配準時，醫生把幾個基準點位置定在夾鉗上，夾鉗連接到股骨和脛骨上。

     

  　  象robodoc這樣的系統太過于龐大，一般從工業機器人演變而來。為了特定手術的需要，出現了一種較為緊湊型的機器人crigos，該機器人不像以前采用串聯機構的系統，它采用并聯平臺，也稱為stewart平臺。充分利用了并聯機器人剛度大、精度高、體積小等特點，來減少手術中醫生的誤操作、增加動作的穩定性。除此之外，比較典型的系統還包括韓國kaist開發的arthrobot系統［5］和美國卡內基梅隆大學開發的mbars系統［6］，以及以色列technion開發mars系統，并被mazor醫療技術公司商業化推出spine assist系統［7，8］。這些系統和crigos一樣采用了并聯機構，比crigos還要先進的地方是他們固定在骨骼上，并不需要較大的工作空間來執行任務，使用在主動模式中。

       

arthrobot系統是一種新型的關節造型術機器人系統，適用于全髖關節置換術(tha)。mbars系統用于髕股關節成形術(pfa)，整個準備空腔的過程需要大約2 min，速度比手工過程的平均時間要快。spine assist系統是以色列mazor公司在2002年推出的一種mars商品化產品，是專門用于脊柱手術的微型機器人，主要進行椎弓根螺釘手術和經椎板關節突關節螺釘固定手術(圖4)，該系統采用了微型化的并聯機器人結構，機械本體的體積顯著縮小，可以直接安裝在骨骼上，定位精度達到1.7 mm以內。該系統可以幫助醫生確定手術儀器和植入物的精確位置、可縮短手術時間、提高手術精確度，從而使脊柱內固定手術中因植入物位置不當而造成的醫源性損傷的風險降低到最低。在進行手術時，通過專用的夾鉗固定實現機器人和患者骨骼的相對位置固定。將術前規劃導入系統的工作站，再采集2張正、側位的x線圖像，術前規劃的結果會自動集成到術中的x線圖像上。機器人就會自動運動到規劃的位置上，醫生可以通過機器人上的導航臂，按照規劃的位置和姿態完成手術。

     

另一個新的方法是開發固定在骨骼上的小型機器人，具有較少的自由度(一般為2個)，用于對全膝關節置換手術(tka)手術中導引工具的定位。相應的例子有praxiteles，galileo、gp系統。通常這些機器人與商業化的導航系統一起工作。2005年法國praximmedivision公司開發了praxiteles系統［9］(圖5)，主要用于tka。praxiteles安裝在遠端股骨上對圍繞遠端股骨的導鋸器定位。praxiteles同導航系統集成在一起，導航系統提供tka手術的無圖像導航。

小型機器人的概念由手持式的機器人發揮到了極限。這類機器人不直接進行骨骼切削，而是通過醫生的手工進行，是半主動的。這些機器人的例子有itd、pfs。itd是一款六軸并聯機器人，用于對手的顫動和解剖物的運動進行補償。他采用了光學跟蹤系統來測量目標位置。2004年美國卡內基梅隆大學和西賓夕法尼亞州醫院聯合開發了pfs［10］(precision freehand sculptor)(圖6)，該系統由手持工具、跟蹤系統和顯示器組成，跟蹤系統監視手持切削工具的位置，計算機提供刀具位于期望切削區的可視化顯示。

   

盡管近年來對緊湊型機器人的研究興趣高漲，大型外科機器人的研究并沒有停止。2004年，東京大學研制了一款重達900 kg的9軸機器人系統［11］，用于tka手術。2005年法國medtech、zimmer公司研制一個安裝在輪式推車上的小型六軸機器人brigit系統［12］，該系統用于高位脛骨截骨術(hto)，也可以用于tha、tka手術。另外在機器人結構形式上出現了串并混連結構的矯形外科機器人系統。串并混連結構可將串聯結構和并聯結構的優點集中在一起。2007年，意大利的stefano bruni等［13］就采用串并混合結構的機器人應用于tka。其中機械本體采用串聯結構，加工頭采用并聯結構。

       

除了上述典型的矯形外科機器人系統外，國內研究機構把機器人技術應用于矯形外科也進行了不同的嘗試，根據國情自主開發了一些矯形外科機器人系統。

       

2004年，北京航空航天大學機器人所開發了一套雙平面機器人導航系統［14］，解決了經x線圖像導航機器人完成髓內釘的遠端孔鎖定手術的難題，該系統在北京積水潭醫院完成了首次接骨手術。2004年哈爾濱工業大學機器人研究所開發了一套基于x線圖像導航的機器人輔助骨科手術系統［15］。該系統引導1臺并聯機器人模仿長骨骨折復位手術中傳統臨床治療操作，通過牽引裝置進行斷骨復位，引導另1臺基于motoman工業機器人的串聯機器人引導醫生完成髓內釘鎖定。這個系統中的所有功能在臨床尸體樣本實驗中得以證明和實現。

2  矯形外科機器人系統的關鍵技術

       

通過上述典型系統的介紹可以看出，除去機器人主體部分外，矯形外科機器人系統主要有以下幾個組成：術前處理系統，包括醫療圖像獲取、處理及三維建模、手術規劃與仿真等模塊；術中干預系統，包括機械臂執行機構、手術目標三維模型與現實空間的配準、安全監控等模塊；術后評價系統，包括手術數據分析等模塊。因此其關鍵技術包括以下幾個方面［16～19］：

2.1  機器人結構設計

       

矯形外科機器人系統從早期的工業機器人平臺到目前的專用機器人，從早期的大型復雜結構到目前的小型模塊化結構，從早期的簡單定位功能到目前的多功能操作，從較多自由度發展到具有較少的自由度小型機器人系統和便攜式的機器人。小型化、專用化和模塊化的趨勢比較明顯。所以在研制矯形外科機器人時注意以下幾點：選擇合適的機構形式，串聯結構、并聯結構還是串并混合結構；小型化，結構緊湊，便于安裝和維修；根據實際要求可以選擇有動力或無動力，無動力一般用于手術導航或定位，同時具有較高的安全性；是否使用傳感器，為了增加手術安全，提高手術精度，一些位置傳感器、力傳感器等設計中要考慮，提供誤差補償和觸覺反饋信息；是否符合醫生的操作習慣；是否方便消毒，保證系統的安全性等。

2.2  醫學圖像三維建模

       

醫學圖像是手術的主要信息來源，尤其對基于圖像導航的矯形外科機器人系統是非常關鍵的問題。醫學影像三維重建就是研究由ct、mri等這些醫療成像設備獲取的二維影像序列構建組織或器官的三維幾何模型，并在計算機屏幕上“真實”繪制與顯示。逼真的三維幾何模型能夠為外科醫生進行手術模擬、手術導航、手術定位、制定手術方案提供客觀、準確、直觀、科學的信息。同時由于這些圖像信息具有準確性和可靠性，也被作為醫療機器人、特別是手術支援機器人的控制信息源。

2.3  手術仿真

       

矯形外科手術中常常需置入假體，確定最佳的假體形狀、置入位置和方向以及人體骨頭接觸面的切割是手術成功的關鍵。虛擬手術仿真系統可以預演手術的整個過程，使醫生可以事先發現手術中的問題，并幫助醫生合理、定量地制定手術方案，選擇最佳的手術路徑，減小手術損傷，減少對周圍健康組織的破壞。對提高定位精度、開展復雜的外科手術和提高手術成功率具有重要的意義。

2.4  術中配準

       

機器人輔助矯形外科手術，確定機器人末端手術器械和患者手術目標及其術前圖像的相對位置，通常是通過確立一些基準點來實現二者的配準。這些基準點通常是在骨頭里鉆入的—些小的金屬釘用做基準點。但是，這些在人體中人工加入的標志會給病人帶來額外的痛苦。配準的誤差是矯形外科機器人手術系統誤差的主要來源，所以必須解決好配準的精確與精度問題。因此術中配準的精度、速度，以及對病人帶不帶來創傷都是術中配準要研究的問題。

2.5  手術安全

       

醫療機器人是個復雜的系統，涉及許多交互的子系統，包括計算處理、傳感器，機構和人機交互接口。然而，醫療機器人在臨床應用中是直接同人進行交互的，安全問題不容忽視。一般要求機器人工作過程可控。必須確保不存在引起醫療機器人失控或者危及病人的故障因素。醫生也需對機器人系統的功能和缺陷清楚的了解。醫療機器人的研發、測試和維護中要仔細按照文件規定，嚴格遵守操作規程。消毒和生物適應性是醫療機器人特別要關注的問題。安全性問題較為復雜，目前還未能夠形成一個普遍承認的安全標準。

3  結  論

       

矯形外科醫用機器人技術已經展示出了自己的發展特色，正在發展成為一個新興的、前沿性的學術領域，帶動了多種技術學科的發展，已成為數字化醫療的未來重要發展方向。擁有新型的機器人構型、更靈活的手術操作方法、更適宜的醫用傳感器、更安全的機器人控制技術、更合理的手術操作規范等以此來提高系統安全性和臨床可接受度的矯形外科醫用機器人將是今后研發的重點。以傳感器技術、微機電技術為基礎，適應微創手術的發展需求，小型化、模塊化和智能化已成為未來一段時間內矯形外科醫用機器人技術發展的重要趨勢。

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