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CAS-R-2无框架脑立体定向仪手术系统研发背景、主要结构、技术性能及临床应用说明
(一) 简介
天津市华志计算机应用有限公司是在天津经济技术开发区内注册的高新技术企业, 是“国家高技术研究发展计划（863计划）智能机器人主题产业化基地”。我们以振兴民族产业为己任，致力于高科技科研成果的开发与转化。公司倡导人性化的管理模式，拥有一批高素质的员工，既有丰富的经验，又有蓬勃的朝气。我们以用户的需求和利益为追求目标，不断开拓、创新、奋进。
CAS-R-2型无框架脑立体定向手术系统是华志公司负责转化的国家863项目产品。该成果主要用于脑外科手术中的手术规划、导航和立体定向，由中国人民解放军海军总医院全军神经外科中心、北京航空航天大学机器人研究所和清华大学计算机科学与技术系联合研制，经专家论证，具有国际先进水平。这种世界上尚无同类产品的神经外科立体定向手术辅助设备，将手术规划系统、导航系统与手术平台完美地结合在一起，拓宽了应用范围、提高了手术安全性、减轻了病人痛苦。该设备的成功应用，深受广大医生、患者的好评。
(二) 系统特点
l 是国际上目前现有的唯一既能导航定位，又能作为操作平台的立体定向手术仪。将计算机手术规划、定位导航和操作平台结合在一起，简化了立体定向手术过程，保证了手术精度；
l 无框架设计避免了手术死角，扩大了手术适应症；避免了病人常规安装框架的手术痛苦，消除了病人的恐惧心理；
l 部分手术可在局部麻醉下进行，病人创伤小，术后恢复快；
l 计算机操作系统为窗口，软件操作简便，符合术者手术习惯；
l 与CT/MRI脱机工作，可通过多种途径获取影像信息；
l 缩短了手术时间，简化了手术过程，提高了医院手术床等设备的利用率
l 整机可方便地移动固定，占用手术空间小；
(三) 操作过程
? 在病人头部贴4个标志点，然后进行CT或MRI扫描；
? 将CT或MRI图像信息输入计算机；
? 勾画病灶轮廓，选取穿刺靶点，系统自动完成头部和病灶的三维模型建立；
? 在计算机空间规划确定最佳手术路径；
? 操纵机械臂在手术空间与规划的手术路径吻合，再以锁定的机械臂为手术平台，实施手术操作；
(四) 成功应用
1．手术类型
☆ 囊性脑肿瘤内放疗手术
☆ 脑胶质瘤植入后装管
☆ 脑深部病变活检
☆ 脑内异物摘除、小型脑瘤小孔洞切除等定位
☆ 脑深部脓肿
☆ 基底节区血肿
☆ 急诊治疗高血压脑出血
☆ 配合射频热凝仪做核团毁损
☆ 配合脑室镜做微创手术
☆ 配合显微镜做脑深部小肿瘤或病灶
☆ 颅内肿瘤的间质放疗（后装）和化疗
☆ 神经细胞移植
☆
2．现有（有框架）立体定向仪难以实现的功能
☆ 婴幼儿等不适合固定框架者
☆ 手术路径在脑深部重要结构中的术中显示
☆ 病灶体积、形状及靶点的显示
（五）技术指标
1． 机械臂，五个自由度，关节空间采用光电编码器测量，机械臂末端可以在人手的驱动下自由操作运动；
2． 机械臂末端探针可以到达一个300×300×300mm的立方体中的任意一点；
3． 位置光电编码器采集卡，四倍频，精度每转10000线；
4． 机械臂可以通过开关控制，在任意位置锁定各关节轴固定不动，其机械臂末端可承受负载重量1KG以上；
5． 四个标志点，特殊铝材的电极片，大小底座直径7mm，头部直径3mm；脂类小球：直径5 mm
6． 计算机辅助手术规划和导航系统的软件功能包括文件操作（打开图像、扫描图像、保存病历），图像处理（勾画病灶轮廓、清除病灶轮廓线、确定病灶靶点、手术规划、参数测量），定位操作（二维/三维切换、机械臂连接、标志点对准），显示操作（任意角度观测、显示规划路径、显示轮廓、片间插值、放大、缩小）；
7． 系统精度，机械臂沿不同轨迹使其末端到达空间某点时，通过各关节所得参数而计算得出的此点坐标与实际坐标的差值(即重复精度)小于1mm； CT/MRI扫描层间距2mm，系统映射精度小于2 mm。
(六) 系统原理
该定向系统是一种新型无框架立体定向手术的计算机与机器人化导航及操作平台系统，该系统由计算机辅助手术规划系统、手术导航系统、五自由度机械臂、机械臂锁定控制装置、标志点识别固定等部分组成，其主要操作过程是：（1）首先将标志点固定在病人头上，然后进行CT/MR扫描；(2)将CT扫描的图像送入计算机，进行三维重建；(3)在图像空间进行四个标志点和手术靶点的坐标测量，在计算机上进行病灶勾画、病灶靶点确定和手术路径规划，并将规划好的路径显示在重建的三维模型上；（4）在实际手术过程中，病人的头部与手术床相对固定（可以用固定头架或塑形枕），然后用机械臂在手术空间对标志点进行测量，并利用标志点在手术空间和图像空间的测量结果，计算从手术空间到图像空间的映射变换；（5）在手术空间中移动机械臂末端的手术探针，导引软件将此时探针的位姿实时地显示在图像空间中；（6）当手术探针图像的轴向与规划的轨迹重合时锁定机械臂；（7）医生以固定在机械臂末端的支架作为手术平台，进行常规立体定向外科手术操作。
系统主要包括以下三个部分：
（1） 基于四个标志点的手术空间与图像空间的映射关系；
（2） 一套实用的计算机辅助手术规划和导航系统软件；
（3） 带关节锁定的五自由度数字机械臂；
1.基于标志点的计算机图像空间与手术空间的映射
在机器人化导航及操作平台系统中，首先需要解决的问题是如何实现脑部图像三维模型与临床手术现场环境的标定，即需将计算机图像空间中的预定病灶点位置映射到手术空间中病人实际病灶点的位置。
传统的解决方式是采用有框架映射方法。首先在患者头部固定安装一个框架，由于框架可以在CT或MRI中成像，医生确定了穿刺靶点后，就可以得出靶点在框架坐标中的位置。在立体定向手术中，医生通过附加到框架上的一个定向装置进行手术。这种方法虽达到了定向准确，但安装框架必然也给患者带来一些痛苦和不便，同时由于框架的存在，某些位置手术器械难以操作。
机器人化导航及操作平台采用了一种新型的无框架映射方法，通过连接到计算机上的机械臂完成立体定向。于是，系统中就有了三个坐标空间（图1所示）：即脑部图像三维模型所在的计算机图像空间坐标系（简称图像空间），病人头部实际所在的手术空间坐标系（简称手术空间），机械臂所在的机械臂操作空间（简称机械臂空间）。实际操作时，在图像空间内确定病灶点和手术路径，手术器械安装在机械臂空间中的机械臂末端，实际手术操作则在手术空间内进行。
三个坐标系的映射是通过数字机械臂对在患者头部固定的四个标志点的探测来实现的。实施手术前，先在病人头部贴附四个标志点。然后对病人进行CT或MRI扫描。由于标志点可以在扫描片上成像，医生可以在扫描数据中清楚准确地辨认出来。
2计算机辅助手术规划和导航系统
计算机辅助手术规划和导航系统分为两部分：一是基于二维图像的术前规划系统，二是数字机械臂导航与定位系统。这两部分是相辅相成的，基于二维图像的术前规划系统提供了病人的具体病灶信息，并且辅助医生做出病情诊断，对病灶进行定位，从而为数字机械臂导航与定位系统提供准确的信息。二维术前规划系统实现的主要功能有：（1）CT/MRI图像的扫描输入，自动分割和轮廓线半自动提取、自动对准；（2）病灶的手工提取，靶点和标志点的输入；（3）病灶的参数测量和病历的自动输出。
数字机械臂导航与定位系统在术前规划的基础上，在计算机上对机械臂进行导航与定位，同时根据病人的部分CT或MRI扫描图像在计算机中重构出病人的脑部三维信息，使医生在不开颅的情况下，从计算机中观察到机械臂运动与病人脑部病灶位置的对应关系。医生可以操纵机械臂，使机械臂的实际位姿与预先规划的手术路径重合，实现准确定位，进而通过机械臂实施无框架立体定向手术。其主要功能包括：（1） 病灶三维模型的重构及显示；（2）标志点确定及手术路径规划；（3）机械臂导航的定位。
3．五自由度数字机械臂
机械臂作为一种人机交互装置，是无框架立体定向系统中的主要组成部分，其五个关节全部采用转动副的运动方式，保证机械臂末端以各种姿态到达被测点（手术靶点）。
机械臂末端的探针作为虚拟手术引导器械，将映射到计算机三维模型中。通过D-H参数变换，求解机械臂正向运动学方程，构造变换矩阵将机械臂五个关节转角数值变换为唯一确定的末端探针位姿，然后将其对应地映射到计算机图像空间中。软件系统读取角度信息，计算出位姿状态，并在计算机模型上显示出一根与实际观察棒位姿相一致的虚拟探针。通过移动机械臂来操纵图像中的探针，使之以不同的方位和角度穿越原来的计算机脑部三维模型。采用这种方法，医生就可以在计算机图像空间进行手术插入轨迹的规划和选择，观察虚拟探针与脑部模型的相互关系，进行手术规划并验证所选择手术方案的正确性与可行性。
机械臂不仅可作为手术的导航与定位装置，而且可以作为无框架立体定向手术的操作平台，其末端可安装各种手术器械。机械臂各关节在任意位置可锁定，采用摩擦片的制动原理专门采用了电磁失电锁定控制装置，制动能力强，工作性能可靠。
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