一种新型高精度脑立体定向手术仪
作者：陈超敏 周凌宏
单位：第一军医大学生物医学工程系，广州，510515
关键词：立体定向；弧形定向仪；仿真校验
摘要 摘要：目的 为了尽可能减少脑部手术造成的功能损害，最大限度提高和改善病人的生活质量。结果 研制出一种新型高精度脑立体定向手术系统。方法 它利用三维重建技术，在CT、MRI或DSA影像指导下，经计算机计精确算和仿真校验后，最后运用新型高精度脑立体定向手术仪进行各种脑部手术。结论 该系统不仅具有病变显示直观、定位准确、使用方便的显著优点，而且具有精度自保证的手术仿真，极大地保证了手术的安全和准确。
中图分类号：R651
脑立体定向技术是当今世界神经外科的先进技术，它是指在颅外建立稳定的三维参照坐标系，从放射影像资料得到颅内靶点的三维座标参数。并转换到导向装置上，经过术前的模拟仿真校验，最后对颅内靶点施行手术操作的系统。随着影像技术和计算机技术的发展，脑立体定向术向着定位更准确，使用更方便的方向发展。本系统的开发对于提高我国脑立体定向外科手术的水平，开拓新型治疗手段，提高治疗效果具有极大的意义和广阔的应用前景。
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1 立体定向手术系统的原理和组成
该高精度脑立体定向仪采用多种影像技术单独或融合定位，影像数据输入计算机进行图形三维重建，得到病变和关键组织的直观显示和靶心坐标、以及手术进入方向及深度。然后在病人头颅相对固定的头环上安装可精确定位的弧形定向手术仪，便可开展各种脑立体定向手术。该系统由以下四部分组成。
1.1 靶心定位系统 由固定头环和影像定标架组成。(1)固定头环采用四支不锈钢针牢固地固定于患者头颅上，提供相对不变可靠的坐标基准。头环上有三个球孔，用于外接各种影像定标架、校验头盔和定向手术仪。(2)根据影像设备和方法的不同，影像定标架有CT架、DSA架和 MRI架三种。
1.2 计算机计划系统 软件为自行研究开发的GOLDPLANNER-2.0 脑立体定向手术系统，它具有界面清晰和使用方便、计算快速准确等优点，全中文手术计划单自动给出病变组织中心三维坐标、最佳手术进入点和进入深度，以及定向手术仪各调整角度数据如滑动环转动角度、弓形弧把持器沿弧滑动角度、把持器导向轴摆动角度等。其硬件由SGI图形工作站、数据接口/扫描仪/数字化仪、打印机和586微机等组成。
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1.3 靶心仿真校验系统 用于验证整个系统定位的精度，确保手术治疗准确有效和安全。它包括深度校验头盔、靶心坐标仿真仪两部分。(1)深度校验头盔保证治疗过程头环安装精度; (2)靶心坐标仿真仪是精密三维坐标仪，根据治疗计划给出的靶心坐标，可模拟出靶心的空间位置。
1.4 定向仪 由底座，滑动环，弓形弧，把持器等共同构成极座标系统。
2 弧形定向手术仪的结构与组成
如图1所示, 主要由底座，滑动环，弓形弧，把持器所构成。圆环形的底座下部装有3个联接球，使之能与固定头环及仿真仪相匹配。(1) 底座开有凹槽，以配合滑动环的滑动；滑动环下部带有凸块以和底座凹槽相吻合，以底座中心点为圆心，可作360° 转动，转动至适当的位置，锁紧底座侧面螺钉，则滑块停止转动。(2) 弓形弧一端固定在滑动环上部的一个旋转轴上，另一端固定在一个滑块上，滑块在滑动环一侧的弧形伸出部分上开出的凹形槽内滑动。弓形弧可绕旋转轴中心范围为80° 的旋转，旋转至相应的位置，拧紧滑块一端的螺钉，固定滑块，弓形弧停止转动。(3) 弓形弧上配有上滑块和下滑块，可沿弓形弧作范围为210° 的滑动，滑动至指定的位置时，拧紧上滑块的锁紧螺钉，使上、下滑块同时受到一个压向弓形弧的力，上、下滑块的弧形开放槽得以和弓形弧紧密吻合，使滑块停止滑动。(4) 把持器安装在弓形弧下滑块的一侧，同时，在下滑块的这一侧开有凹槽以和把持器上的凸块相吻合。把持器可绕下滑块的锁紧螺杆中心作120° 范围旋转，当旋转至需要的位置时，拧紧锁紧螺母，把持器停止转动。(5) 把持器的一端是一个有缺口的圆环，套筒安装这个圆环内，可根据手术器械的不同而采用不同内径的套筒。锁紧圆环缺口端的螺钉，就固定了套筒。探针安装在套筒内，探针上同时套有一个可定位的深度锁紧器，探针进入合适的深度时，深度锁紧器可以指示深度的数值，将深度锁紧器固定在这个数值上，临床进行手术时，就可直接刺入，一步准确到位。
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图1 导向手术仪
2.1 工作原理 弧形定向仪在使用前必须先获得靶点的三维坐标、入路方向和深度。入颅点选择的原则是避开重要功能区及大血管且距靶点较近的位置，入颅点与靶点之间的连线即是手术的入路。确定了这些数值后，可经过计算，得到定向仪各部件相应调整的数据。即由入颅点和靶心共同确定一个和头环相垂直的大脑平面并在这个平面上由入颅点和靶心两点的连线确定手术的入路。把定向仪的弓形弧调节到平面上，定向仪的把持器调节到连线上。就完成了定向仪导向的过程。在定向仪上进行调整后，可先将定向仪和仿真仪相连接，进行校验。如果不相吻合，应检查弧形定向仪的调整角度、定位等是否正确。通过校验后，再可以将弧形定向仪和头环相连接，并开始施行手术。
2.2 定向仪的调整 分为五个部分：(1)弓形弧的辅助调整：如图2所示其目的是为了消除立体定向的盲点及手术的死角，使手术操作更加方便。因为手术器械和把持器等附件有一定的体积，使得手术器械的中心偏离滑动环中心所在的Z轴，调节弓形弧和滑动环可以使二者中心相互吻合。(2)滑动环的调整：滑动环调整的目的是通过凸块在底座上的滑动，将弓形弧所在的平面调整至已选定的入颅点和靶心这两点所决定平面(此平面和滑动环所在的平面相互垂直)。如下图3所示，将靶点和入颅点投影至滑动环所在的平面。通过计算得滑动环调整角度A。(3) 弓形弧滑块的调整：弓形弧滑块调整的目的是为了将探针移动至颅骨入颅点处。如图四所示，在弓形弧所在的平面，由几何计算容易得到弓形弧滑块的调整角度C。(4) 把持器的调整：把持器调整目的是为了调整探针的入颅角度，使探针符合选定的手术入路。如图4所示，经过计算，可得到把持器的旋转角度B。(5) 探针的调整：探针调整的目的是调整探针进入大脑的深度，使探针准确的命中靶心并锁定探针。
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图2 滑动环的调整
图3 弓形弧滑块的调整
图4 把持器的调整
2.3 实施校验和手术 在进行检查治疗工作之前，可将定向仪安装在仿真仪上，进行精度的校验。最后，从仿真仪上卸下，将定向仪装在固定头环上，即可开始手术。
3 结论
(1) 通过接口或数字化仪、扫描仪将图像资料输入计算机，直接得出靶点的三维坐标，免除手工计算，提高靶点坐标的准确性； (2) 应用仿真校验仪对手术全过程的进行模拟仿真，检验手术靶心和手术器械进入颅内的深度，确保手术的准确、安全；(3) 采用碳纤维制造的图像定位架，消除图像伪影，提高计算准确性。CT、X光、DSA和MRI等多种影像资料可用于该系统； (4) 采用独特设计思想制造的弧形手术器械夹持机构，最大限度显示手术野减小机械装置对手术操作的影响，消除定位盲点和手术死角。
作者简介：陈超敏，男，1966年出生，1988年7月毕业于华中理工大学，硕士，讲师，电话85148498
参考文献
1 赵亚伟.脑立体定向技术的发展.国外医学-临床放射学分册, 1995, 5(3): 112
2 陈超敏,周凌宏,陈运钦.X刀头环定位系统的研制.医疗卫生装备, 1998,11(6):1
(收稿日期：1998-08-26), 百拇医药
单位：第一军医大学生物医学工程系，广州，510515
关键词：立体定向；弧形定向仪；仿真校验
摘要 摘要：目的 为了尽可能减少脑部手术造成的功能损害，最大限度提高和改善病人的生活质量。结果 研制出一种新型高精度脑立体定向手术系统。方法 它利用三维重建技术，在CT、MRI或DSA影像指导下，经计算机计精确算和仿真校验后，最后运用新型高精度脑立体定向手术仪进行各种脑部手术。结论 该系统不仅具有病变显示直观、定位准确、使用方便的显著优点，而且具有精度自保证的手术仿真，极大地保证了手术的安全和准确。
中图分类号：R651
脑立体定向技术是当今世界神经外科的先进技术，它是指在颅外建立稳定的三维参照坐标系，从放射影像资料得到颅内靶点的三维座标参数。并转换到导向装置上，经过术前的模拟仿真校验，最后对颅内靶点施行手术操作的系统。随着影像技术和计算机技术的发展，脑立体定向术向着定位更准确，使用更方便的方向发展。本系统的开发对于提高我国脑立体定向外科手术的水平，开拓新型治疗手段，提高治疗效果具有极大的意义和广阔的应用前景。
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1 立体定向手术系统的原理和组成
该高精度脑立体定向仪采用多种影像技术单独或融合定位，影像数据输入计算机进行图形三维重建，得到病变和关键组织的直观显示和靶心坐标、以及手术进入方向及深度。然后在病人头颅相对固定的头环上安装可精确定位的弧形定向手术仪，便可开展各种脑立体定向手术。该系统由以下四部分组成。
1.1 靶心定位系统 由固定头环和影像定标架组成。(1)固定头环采用四支不锈钢针牢固地固定于患者头颅上，提供相对不变可靠的坐标基准。头环上有三个球孔，用于外接各种影像定标架、校验头盔和定向手术仪。(2)根据影像设备和方法的不同，影像定标架有CT架、DSA架和 MRI架三种。
1.2 计算机计划系统 软件为自行研究开发的GOLDPLANNER-2.0 脑立体定向手术系统，它具有界面清晰和使用方便、计算快速准确等优点，全中文手术计划单自动给出病变组织中心三维坐标、最佳手术进入点和进入深度，以及定向手术仪各调整角度数据如滑动环转动角度、弓形弧把持器沿弧滑动角度、把持器导向轴摆动角度等。其硬件由SGI图形工作站、数据接口/扫描仪/数字化仪、打印机和586微机等组成。
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1.3 靶心仿真校验系统 用于验证整个系统定位的精度，确保手术治疗准确有效和安全。它包括深度校验头盔、靶心坐标仿真仪两部分。(1)深度校验头盔保证治疗过程头环安装精度; (2)靶心坐标仿真仪是精密三维坐标仪，根据治疗计划给出的靶心坐标，可模拟出靶心的空间位置。
1.4 定向仪 由底座，滑动环，弓形弧，把持器等共同构成极座标系统。
2 弧形定向手术仪的结构与组成
如图1所示, 主要由底座，滑动环，弓形弧，把持器所构成。圆环形的底座下部装有3个联接球，使之能与固定头环及仿真仪相匹配。(1) 底座开有凹槽，以配合滑动环的滑动；滑动环下部带有凸块以和底座凹槽相吻合，以底座中心点为圆心，可作360° 转动，转动至适当的位置，锁紧底座侧面螺钉，则滑块停止转动。(2) 弓形弧一端固定在滑动环上部的一个旋转轴上，另一端固定在一个滑块上，滑块在滑动环一侧的弧形伸出部分上开出的凹形槽内滑动。弓形弧可绕旋转轴中心范围为80° 的旋转，旋转至相应的位置，拧紧滑块一端的螺钉，固定滑块，弓形弧停止转动。(3) 弓形弧上配有上滑块和下滑块，可沿弓形弧作范围为210° 的滑动，滑动至指定的位置时，拧紧上滑块的锁紧螺钉，使上、下滑块同时受到一个压向弓形弧的力，上、下滑块的弧形开放槽得以和弓形弧紧密吻合，使滑块停止滑动。(4) 把持器安装在弓形弧下滑块的一侧，同时，在下滑块的这一侧开有凹槽以和把持器上的凸块相吻合。把持器可绕下滑块的锁紧螺杆中心作120° 范围旋转，当旋转至需要的位置时，拧紧锁紧螺母，把持器停止转动。(5) 把持器的一端是一个有缺口的圆环，套筒安装这个圆环内，可根据手术器械的不同而采用不同内径的套筒。锁紧圆环缺口端的螺钉，就固定了套筒。探针安装在套筒内，探针上同时套有一个可定位的深度锁紧器，探针进入合适的深度时，深度锁紧器可以指示深度的数值，将深度锁紧器固定在这个数值上，临床进行手术时，就可直接刺入，一步准确到位。
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图1 导向手术仪
2.1 工作原理 弧形定向仪在使用前必须先获得靶点的三维坐标、入路方向和深度。入颅点选择的原则是避开重要功能区及大血管且距靶点较近的位置，入颅点与靶点之间的连线即是手术的入路。确定了这些数值后，可经过计算，得到定向仪各部件相应调整的数据。即由入颅点和靶心共同确定一个和头环相垂直的大脑平面并在这个平面上由入颅点和靶心两点的连线确定手术的入路。把定向仪的弓形弧调节到平面上，定向仪的把持器调节到连线上。就完成了定向仪导向的过程。在定向仪上进行调整后，可先将定向仪和仿真仪相连接，进行校验。如果不相吻合，应检查弧形定向仪的调整角度、定位等是否正确。通过校验后，再可以将弧形定向仪和头环相连接，并开始施行手术。
2.2 定向仪的调整 分为五个部分：(1)弓形弧的辅助调整：如图2所示其目的是为了消除立体定向的盲点及手术的死角，使手术操作更加方便。因为手术器械和把持器等附件有一定的体积，使得手术器械的中心偏离滑动环中心所在的Z轴，调节弓形弧和滑动环可以使二者中心相互吻合。(2)滑动环的调整：滑动环调整的目的是通过凸块在底座上的滑动，将弓形弧所在的平面调整至已选定的入颅点和靶心这两点所决定平面(此平面和滑动环所在的平面相互垂直)。如下图3所示，将靶点和入颅点投影至滑动环所在的平面。通过计算得滑动环调整角度A。(3) 弓形弧滑块的调整：弓形弧滑块调整的目的是为了将探针移动至颅骨入颅点处。如图四所示，在弓形弧所在的平面，由几何计算容易得到弓形弧滑块的调整角度C。(4) 把持器的调整：把持器调整目的是为了调整探针的入颅角度，使探针符合选定的手术入路。如图4所示，经过计算，可得到把持器的旋转角度B。(5) 探针的调整：探针调整的目的是调整探针进入大脑的深度，使探针准确的命中靶心并锁定探针。
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图2 滑动环的调整
图3 弓形弧滑块的调整
图4 把持器的调整
2.3 实施校验和手术 在进行检查治疗工作之前，可将定向仪安装在仿真仪上，进行精度的校验。最后，从仿真仪上卸下，将定向仪装在固定头环上，即可开始手术。
3 结论
(1) 通过接口或数字化仪、扫描仪将图像资料输入计算机，直接得出靶点的三维坐标，免除手工计算，提高靶点坐标的准确性； (2) 应用仿真校验仪对手术全过程的进行模拟仿真，检验手术靶心和手术器械进入颅内的深度，确保手术的准确、安全；(3) 采用碳纤维制造的图像定位架，消除图像伪影，提高计算准确性。CT、X光、DSA和MRI等多种影像资料可用于该系统； (4) 采用独特设计思想制造的弧形手术器械夹持机构，最大限度显示手术野减小机械装置对手术操作的影响，消除定位盲点和手术死角。
作者简介：陈超敏，男，1966年出生，1988年7月毕业于华中理工大学，硕士，讲师，电话85148498
参考文献
1 赵亚伟.脑立体定向技术的发展.国外医学-临床放射学分册, 1995, 5(3): 112
2 陈超敏,周凌宏,陈运钦.X刀头环定位系统的研制.医疗卫生装备, 1998,11(6):1
(收稿日期：1998-08-26), 百拇医药