基于电磁跟踪的神经介入手术图像导航关键技术研究

Neurointerventional surgery is a promising way of minimally invasive therapies of the cerebrovascular diseases. During the surgery, digital subtraction angiography (DSA) is used to locate the catheter's tip in the vessel,meanwhile,the contrast is injected into the patient's vessel frequently. The X-ray radiation derived from the DSA is harmful to both the neurosurgeons and the patients, and the contrast may also induce the contrast complications. We plan to locate the catheter's tip using the electromagnetic tracking technique instead of the DSA, and study the key techniques of an electromagnetic tracking based image navigation for the neurointerventional surgery. These key techniques include (1)the method of automatic extraction of the cerebrovascular skeleton, which is used for registration and path planning of the catheter's tip;(2)the mehtod of automatic segmentation of the cerebral vessels from magnetic resonance angiography (MRA) images, which is used to construct a patient-specific 3D cerebrovascular model;(3)the method of registraiton, which is used to establish the relationship among the coordinate systems of the patient, the image and the magnetic field. By sovling these key techniques, we will develop image navigation software for the neurosurgeons to depict the movement of the catheter'tip in the cerebral vessel in real time. This navigation is robust to the movement of the patient during the operation. With such an image navigation, the neurosurgeon can track the catheter's tip in real time even without the DSA. Therefore, the harm on the neurosurgeons and the patients from the X-ray radiation decreases, and the occurance of the contrast complications is also reduced. Such an image navigation plays an important role in improving the efficiency and the performance of the surgery, which has great signifiance of boosting the domestic neurointerventional surgery.

神经介入手术作为一种脑血管疾病微创治疗手段有广阔发展前景。但是，术中需要使用数字减影血管造影（DSA）确定手术导管相对血管的位置，需向患者注射造影剂。DSA对医生和患者产生X射线辐射危害，造影剂会引起相关并发症。本课题拟采用电磁定位技术代替DSA进行手术导管的定位，研究基于电磁跟踪的神经介入手术图像导航关键技术，主要包括血管骨架的自动提取方法研究，用于空间配准及导管路径规划；磁共振血管造影图像（MRA）中血管的自动分割方法研究，用于构建患者个体血管三维模型；空间配准方法研究，建立磁场坐标系、患者坐标系和MRA图像坐标系之间的关系。通过相关研究开发图像导航软件实时描述手术导管端部在血管中的运动。该导航具有实时性，而且不受术中病人移动影响，同时可以减少X射线对医生和病人的辐射危害，降低造影剂并发症发生的几率。该导航对于提高手术效率和效果具有重要作用，对于推动我国神经介入手术发展具有重要意义。

神经介入手术作为一种脑血管疾病微创治疗手段具有广阔的应用前景，但是术中的X射线辐射给医生和患者带来危害，而缺少三维立体图像引导则增加医生术中认知负担。本项目开展了基于电磁跟踪的神经介入手术图像导航关键技术研究，包括（1）血管中心线提取，提出一种基于距离场的主动轮廓模型方法提取血管中心线，该方法以可以有效保证血管中心线拓扑结构一致性，避免边界噪声干扰引起的冗余分支，提取的血管路径可用于导管路径规划及后续空间配准；（2）MRA图像中血管自动分割，提出一种血管中心线引导的MRA图像血管自动分割方法，分割准确度可达到90%以上，为图像导航提供血管模型；（3）空间配准，提出一种基于血管中心线和导管路径的动态空间配准方法，该方法可以避免传统基于体外标记物的配准方法精度容易受到标记物移动影响，配准精度可达到2.72±0.03mm。（4）开发具有人机交互的可穿戴式血管介入手术三维立体图像导航软件及装置，使医生通过佩戴三维立体眼镜观察导管在血管中运动的立体场景，同时通过头部运动即可控制观察角度，降低术中医生认知负担。此外，项目组还开展了其它关键技术研究，包括：（1）软组织物理建模，提出一种各向异性非线性质点弹簧模型，体外模型试验结果表明该模型模拟软组织形变在接触点处误差在2mm范围以内，可用于神经介入手术训练模拟；（2）研制一种六自由度微型力传感器，该传感器外径为10mm，最大力和扭矩检测范围为10N和160N•mm，力检测精度在，x, y和z轴方向分别为0.12 N，0.12N和0.50 N，轴向扭矩检测精度为7 N•mm，可用于检测导管操作过程中医生手部力感知，对于量化医生手术经验，指导新医生手术具有重要意义。本项目研究成果可以有效降低神经介入手术过程中的X射线辐射，降低医生术中认知负担，对于提高神经介入手术的效率和效果具有重要意义。