CT微创介入实时机器人导航系统研究

With high spatial and density resolution, CT guided puncture is commonly used in minimally invasive surgeries. However, puncture and scanning is carried out alternately, and correction of puncture route is made by multiple CT scans. This results in extended operation time and increased patients'pain. This project is intended to study the effect of patients' respiratory and body movement on the anatomical structure, with the aim to develop a real-time image correction system. The preoperative scanning is conducted to obtain the CT images; sensors are stick to patient's skin to detect the movement of certain points. These signals are input to the computer which processes the information and makes real-time correction of the CT images. A spatial displacement sensor is installed on the needle to detect the position of the needle during puncture; the result is displayed on the screen. With this navigation system, doctors could see the movement of patients' anatomical structure and the location of the needle, which makes it possible for one puncture to the target. This project uses the knowledge of medical imaging and minimally invasive treatment, to solve the problem that CT-based navigation does not show the real-time images. Accurate and rapid puncture is the basis for interventional treatment. Results of this project could be applied in biopsy, tumor ablation and other minimally invasive therapies.

CT影像具有较高的空间和密度分辨率，利用CT影像引导穿刺是微创介入治疗中常用的方法，但是目前在临床上穿刺和扫描是交替进行的，通过多次CT扫描来修正穿刺路线,即耗时又增加了患者的创伤和痛苦。本项目拟研究患者呼吸运动和身体移动对其解剖结构的影响，并在此基础上研制一种图像实时修正系统。以术前CT扫描图像为基础利用位置传感器检测患者体表若干点的位移，将这些信号输入计算机对CT图像进行实时修正。在穿刺针上安装传感器，探测穿刺过程中针的位置并显示在屏幕上。利用这套系统医生可以随时了解患者当前的解剖结构和穿刺针的位置，一次性地精确地将针插入到病灶。通过机械手辅助增加穿刺的准确性和精确性。本项目属于医学影像与微创介入治疗的交叉领域，准确而快速的穿刺是介入治疗的基础，本项目最终研发具有自主知识产权的高端医疗设备，广泛地应用于CT穿刺活检、肿瘤消融等微创介入治疗。

在国家自然科学基金的支持下，本项目组主要做了以下研究工作。.首先，对近年来医疗领域国内有的电磁导航、光学导航和机械臂定位导航系统进行了对比研究，分析各种导航系统的优缺点。在此基础上结合临床实际需求研制了一套CT导航穿刺机器人系统。.这套系统包括一套电磁定位系统和一个机械臂，其中机械臂包括五个自由度，穿刺针固定在机械臂末端，由计算机控制机械臂各部分运动，使穿刺针瞄准患者体内的病灶进行穿刺进针。电磁定位系统包括一个方形磁场发生器，一个安装在穿刺针尖内的电磁传感器，另几个定位贴粘在患者体表。这套电磁定位系统能够测量穿刺针的空间位置和角度，而且能够实时监测患者呼吸引起的体表运动。.为了研究呼吸对穿刺精度的影响，本课题组以人体胸部作为手术穿刺研究对象，制作了一个人体实验模型。模型表面设有穿刺进针孔，内部有模拟肿瘤的靶体。利用充气球使模型顶部产生类似于呼吸的运动。本课题组利用此自行研发的CT导航系统和呼吸模型进行了体外模型实验，并进一步做了动物实验研究，证实该系统具有较高的精准度和安全性，在此基础上提出了一种改进的穿刺方法，该方法根据术中监测的呼吸幅度及身体位移，利用插值方法计算靶点的实时位置。目前临床工作中是参考术前扫描的静止CT影像根据经验进行“盲穿刺”，这种改进的穿刺方法能够动态地预测靶点的实时位置，因此其穿刺精度优于传统的穿刺方法。.在上述研究的基础上，本课题组初步进行了新开发的“低剂量CT透视引导监测穿刺介入项目”的延伸研究。具体做法是将穿刺模型置于CT扫描孔径内，进行连续低剂量透视扫描，按照CT透视显示的穿刺针与靶点的空间位置，通过遥控装置来改变穿刺针位置和进针深度达到穿刺靶点。此方法可以实时观察到穿刺针在患者体内的位置，并能够全程观察穿刺针的进针过程及其引起的组织变化和发现并发症如出血、气胸等，为及时处理并发症提供第一手资料，真正实现CT实时穿刺手术操作，具有传统CT引导无法比拟的优势。