基于增强现实的鼻内窥镜手术导航系统

 臧晓军,　翁冬冬,　王涌天,　刘越

(北京理工大学光电学院,北京　100081)

　  鼻内窥镜是一种能对鼻腔进行详细检查的光学设备.鼻内窥镜一般指的是硬管镜,视场角从0°~90°不等,由于视场内有良好的照明,加之本身管径较细(直径2·7~4·0 mm),可以很方便地通过狭窄的鼻腔和鼻道内的结构,通过配套的手术器械能对鼻窦炎、鼻息肉等进行精细的治疗,使手术达到传统手术无法到达的区域[1].

医生使用鼻内窥镜进行手术时,通过观察监视器上的内窥镜图像进行手术判断和操作,见图1.由于内窥镜图像只能显示病人鼻腔一个局部的二维图像,因此很大程度上依赖于医生的临床经验.鼻内窥镜手术常见的并发症有脑脊液鼻漏、颈内动脉出血、失明等[2].导致这一系列并发症产生的部分原因是因为医生只能根据术前对CT图像的阅读和认知来进行手术操作,无法实时看到病人鼻腔皮肤背后的组织结构,因而增加了手术中的风险.

基于增强现实技术的鼻内窥镜手术导航系统,将病人颅内组织的虚拟模型叠加到内窥镜视野中,使内窥镜产生实时“透视”的效果.增强现实(augmented reality,AR)技术[3]是近年发展起来的新研究方向.增强现实借助显示技术、交互技术、传感技术和计算机图形技术将计算机生成的增强信息和使用者周围的真实世界融为一体,同时展现给使用者,使其从感官效果上相信增强信息是其周围环境的有机组成部分.目前已有数个研究机构将增强现实技术应用于不同的医学领域.北卡罗来纳大学的计算机科学系是最早开展此项研究工作的机构.医生通过佩戴头盔显示器(head mounted display)对怀孕的妇女进行超声波检查.计算机将腹中胎儿的三维模型叠加到医生所观察的图像上,直观地反映了胎儿的健康状况[4]. Iseki等[5]提出了一种增强现实的内窥镜导航系统.该系统由内窥镜、光学跟踪系统和一个控制器组成.系统将肿瘤以及肿瘤附近的组织结构的三维模型实时叠加到内窥镜图像上. Paloc等[6]搭建了一个可以加深医生对肝脏实际状况理解的增强现实系统.术前需要在病人腹部粘贴反射式标志点以完成系统的三维注册.

目前,已经有很多的研究人员将增强现实技术应用于外科手术导航领域,但鼻内窥镜手术中,很少有人将增强现实技术应用其中.

文中提出了一套基于增强现实的鼻内窥镜手术导航系统.系统引入三维扫描仪,使病人术前进行CT或MRI扫描时无须粘贴人工标志点.系统将CT坐标系和光学跟踪器坐标系统一配准到三维扫描仪坐标系下.术中光学跟踪器实时跟踪手术器械,利用配准结果将病人颅内的组织或器官信息实时叠加到内窥镜视野中,对医生进行指引和提醒.