Aurora电磁跟踪系统在临床手术导航中的应用*

罗 伟 李珊珊 易春犍

Aurora电磁跟踪系统在临床手术导航中的应用*

罗 伟① 李珊珊②* 易春犍①

目的：针对临床上介入手术中的手术“盲区”以及微创手术中更精准的手术导航需求，采用新一代Aurora电磁跟踪技术辅助手术导航，通过与各种手术器械自由组合解决手术中遇到的各种难题。方法：采用Aurora电磁跟踪系统与含有金属材料的医疗手术环境相匹配，利用电磁跟踪系统自带的控制软件，采用其配备的软件开发工具包(SDK)，使用VC编程语言编写一套适合临床手术导航的实时显示系统。结果：通过临床应用，验证了该系统的优点，并体现出Aurora电磁跟踪系统的性能优越。结论：Aurora电磁跟踪系统手术的定位精确，且可供用户使用SDK，编程操作自由方便，与手术器械组合灵活，易于实现手术的智能导航，全面提升了手术导航的准确度和可控度，在医学手术导航中具有深远的意义。

Aurora系统；电磁跟踪；手术导航；电磁定位技术

[First-author’s address]First People's Hospital of Jingzhou City, Biomedical Engineering Laboratory, Jingzhou 434000, China.

随着计算机技术和现代医学技术的飞速发展，辅助医学手术导航系统在各类手术中得到广泛应用，既为医生手术提供了优化操作手段，也为患者减轻了手术痛苦，有效避免了手术中因“盲区”带来的医疗风险[1-3]。荆州市第一人民医院先后引进了美国GE公司的宝石能谱CT、DSA、MRI以及直线加速器等大型医疗设备。在开展介入治疗、内镜诊断和骨科手术的计算机辅助手术治疗中，手术导航中的辅助技术非常重要。但传统的光学跟踪技术和红外线定位技术设备较为昂贵，操作复杂，阻碍了定位系统在手术导航中的广泛应用。本研究通过对手术导航辅助技术的产品选型进行调查，甄选出NDI公司生产的Aurora系统，因其能够有效地解决手术中核心定位问题，从而全面提升手术的精准度和可控度，可极大降低手术风险，适用于实现微创、精准和安全的手术导航。

1 Aurora电磁跟踪系统

Aurora电磁跟踪定位系统具有无视线遮挡、精度高、抗金属干扰和易于集成等特点，已成功应用于介入治疗、内镜诊断和骨科手术的计算机辅助手术和治疗中，系统的超小型定位线圈可与多种介入工具结合，在体内提供实时定位和引导，如心导管、活检穿刺针、粒子放疗针及消融针等工具的引导。

Aurora电磁跟踪系统采用微小传感器线圈跟踪测量医用级别金属器件的技术，实现了在遮挡的情况下进行精准实时的空间三维测量，通过Aurora高级的电磁跟踪技术，系统提供可为特定科研应用定制的精确、可信赖的测量技术(如图1所示)。

图1 NDI Aurora电磁跟踪系统

1.1 NDI Aurora电磁跟踪特性参数

NDI Aurora电磁跟踪主要采用电磁跟踪测量原理，无遮挡效应，可用于手术室环境。设计和测试满足EN/IEC 60601-1，UL60601-1，CAN/CSA C22-2 No. 601.1和IEC60601-1-2： 2001关于CISPR 11和FCC B级射频发射的要求。其中磁场强度不受人体或一般物品的衰减影响，故能够保持测量精度和范围。同时支持5自由度(5DOF)和6自由度(6DOF)两种传感器线圈。

1.2 Aurora电磁跟踪系统的组成

该系统由磁场发生器、系统控制器、工具联结器和定位线圈组成，主要技术指标包括：①测量范围为90 cm×60 cm；②RMS测量精度可达0.7 mm；③小型5D定位线圈为0.55 mm×8 mm(直径×长度)；④小型6D定位线圈为1.8 mm×8 mm(直径×长度)；⑤抗金属对测量的影响；⑥可同时跟踪8个定位线圈；⑦定位工具开发软件；⑧API开发界面，方便用户进行系统集成和二次开发。其原理如图2所示。

图2 NDI Aurora系统的基本组成

其中，磁场发生器生成电磁场，传感器线圈主要功能是感应磁场发生器生成电磁场，可将传感器线圈嵌入到特定的工具中。传感器接口单元主要是SIUs系统控制接收单元SCU。系统实现了对发射天线分时发送信号，将接收天线感应到的信号采集到计算机进行汇总，通过优化的算法进行信号重建序列，从而计算出天线当前所处的具体位置。

2 电磁跟踪技术在医学手术导航中的应用

Aurora系统以特有的超小新一代NDI Aurora电磁定位系统广泛应用于医学研究、神经外科、放射肿瘤学治疗、手术辅助、介入放射学、脊柱外科手术操作、心脏病近距离放射疗法、腹腔镜和内窥镜操作、定制手术工具植入针、引导钢丝及医学仿真手术等[3-4]。该定位系统的感应器线圈可改进部分现有手术工具，以测量其的5D、6D数据，如探针、内窥镜、导管、骨螺钉和导丝等。

医学手术导航系统通过将患者术前或术中影像数据和患者的解剖结构准确对应，在手术中跟踪手术器械在患者影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对患者解剖结构的位置一目了然。按照NDI Aurora电磁跟踪系统的软件开发工具包(software development kit，SDK)接口API版的要求，结合5自由度和6自由度两类工具设计出适应器械使用的跟踪信号采集系统软件模块，开展系列实验和临床应用。

2.1 介入手术

介入手术通常采用经数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)下实时观察。由于设备存在一定的辐射量，手术中会遇到一些血管畸形和开口重叠的情况，极大地增加了手术的难度和对医生的伤害。采用Aurora系统的微型5D OF定位线圈，可与导管和导丝结合。只需在导管和导丝的前端安装该系统的微型定位感应器，便可使导管前端的情况实时显示于计算机屏幕上，为介入手术提供实时、准确的图像信息，有效地丰富了手术中的直观感受[5，7，9](如图3所示)。

图3 电磁跟踪系统辅助介入手术操作关系图

2.2 内窥镜检查

将NDI Aurora电磁跟踪系统的探针与内窥镜安装在一起，通过内窥镜的导管及导丝，系统的界面上可以实时得到前端在人体体内的实时形态[6，13]；可指导肠镜的操作，提高诊治成功率，减少并发症的发生，减轻患者的痛苦；还可指导内镜逆行胰胆管造影(endoscopic retrograde cholangiopancreatography，ERCP)导丝的插入，提高ERCP的成功率。同时可以指导胆道、胰管支架的放置等操作，避免了因为角度和背光问题，出现的操作“盲区”(如图4所示)。

图4 电磁跟踪系统实时控制界面

2.3 肿瘤放射治疗

由于NDI Aurora电磁跟踪系统具有6DOF定位线圈呈圆柱形状，其自由度的传感器线圈为1.8 mm×9 mm，可与细小工具整合，同时提供线形定位器可即时使用，促进了与手术器械的无缝融合和易于分解的优点。配合放射治疗计划(treatment planning system，TPS)系统，切实提高TPS运行效率，为物理师提供了新的标志物，对于锁定肿瘤组织、快速标识出肿瘤的具体位置、减少患者的照射剂量、准确治疗和保护正常组织具有深远的意义。

2.4 心脏手术

NDI Aurora电磁跟踪系统在介入手术操作时与手术工具无缝结合，能够在术后分离，有很强的复用性。系统提供的工具界面可动态地显示出探针、导丝等细小手术工具到达人体心脏的具体三维坐标，有效地提高了手术的成功率，保证了导丝等微小器械不损伤血管或健康组织，保障了患者的生命安全。经过准确定位，电脑显示屏会显示出手术刀在探针指引下安全到达的器官组织，确保万无一失。采用导航技术后手术的定位精度可以从厘米级变为毫米级，导航精度的平均值＜2 mm。

3 Aurora电磁跟踪系统应用结果

(1)通过使用该跟踪系统有效地对手术中需要辅助的位置和角度进行精准的定位和实时的反馈，使医生在手术中的操作更心中有数，游刃有余。本研究对该定位跟踪系统进行了系列实验，其结果见表1。在不

表1 5D OF工具和6D OF工具精度测量结果表

(2)采用Aurora电磁跟踪系统，与含有金属材料的医疗手术环境相匹配，电磁跟踪系统自带的控制软件采用其配备的SDK接口，使用VC.net编程语言编写出一套适合临床手术导航的实时显示系统。该显示系统主要由电磁跟踪系统单元、手术器械固定件、传感器电缆、电磁跟踪系统控制软件界面、SDK衍生出的相应实例应用程序。为了让应用实例更加适应与医疗诊治，在不同的医学手术导航应用中进行了300余次性能测试和操作对比实验，测量出了跟踪系统的精确程度，统计出对应不同手术应用情况。

(3)通过多种手术器械和在不同医疗手术导航中的实验，按照5D和6D OF工具精度测量情况所得到的数据，整理出了对应两种不同定位线圈所适合手术器械情况对照表，并对手术导航使用效果进行了统计。6D OF定位线圈适用于内窥镜诊断、放射治疗、妇科手术、骨科手术、神经外科手术及粒子放疗，但不适用于介入治疗。5D OF定位线圈适用于介入治疗和粒子治疗。两种定位线圈可较好地覆盖所有手术导航操作需要(见表1)。

Aurora电磁跟踪系统可在遮挡的情况下进行精确实时的空间三维测量，使手术更加安全。在手术过程中系统工具屏幕上出现“实时显现”的脑部结构显示图，避免了传统算法下的图像位置畸变问题。准确实时监测，避免各种原因造成的手术部位移位、变形所产生的误差[11，12，14]。

4 结语

采用Aurora电磁跟踪系统可与多数常用手术器械和设备相连，连接方便快捷，拆卸容易，且价格合理。根据本研究实验所得配型参照表，因事而异，准确搭配相应的手术器械和技术参数，为临床诊疗工作提供了更新、更广阔的应用空间，全面提升了手术导航的准确度和可控度。通过对该系统的不断完善，可有效提高系统稳定性和安全性，促进手术导航的规范化、标准化，为医疗事业的发展提供强大的技术支持。参考文献[1]田和强，吴冬梅，王继虎，等.基于电磁定位的手术导航探针可视化与实时跟踪技术[J].机器人，2011，33(1)：59-66.

[2]严志刚，原魁.一种获得磁跟踪系统参数的简单方法[J].仪器仪表学报，2007，19(1)：81-84.

[3]罗伟，田夫，李珊珊.虚拟现实技术在医学中的应用[J].中华医院管理杂志，2005，21(12)：837-838.

[4]Anderson.Pulsed-DC，position and orientation measurement system：United State Patent5，453，686[P].1995.

[5]杨述华，傅德皓.计算机辅助导航系统及其在骨科的应用[J].中国医疗器械信息，2007，13(2)：1-4.

[6]Ebmeier K，Giest K，Kalff R.Intraoperative computerized tomography for improved accuracy of spinal navigation in pedicle screw placement of the thoracic spine[J].Acta Neurochir Suppl，2003(85)：105-113.

[7]刘越，王涌天，胡晓明.用于人机交互的交流式电磁跟踪系统的研究[J].系统仿真学报，2002，14(9)：11.

[8]李建新，陈新，刘心宇.用四面体结构磁偶极子对内窥镜定位探头微型化的研究[J].福州大学学报，2002，30(6)：809-813.

[9]Hott JS，Papadopoulos SM，Theodore N，et al.Intraoperative Iso-C C-arm navigation in cervical spinal surgery：review of the first 52 cases[J].Spine，2004，29(24)：2856-2860.

[10]王成焘，钱晓军，赵理为.数字医学与计算机辅助手术[J].中国医疗器械杂志，2007，31(5)：313-323.

[11]蒋新胜，马光彦，李华兵，等.基于磁阻传感器的虚拟现实跟踪系统[J].传感器技术，2002，21(5)：62-64.

[12]何文辉，颜国正，郭旭东.基于磁阻传感器的消化道诊查胶囊的位置检测[J].仪器仪表学，2006，27(10)：1187-1190.

[13]罗伟，李珊珊.仿真手术刀在虚拟外科手术系统中的应用与研究[J].生物医学工程学进展，2010，32(3)：149-152.

[14]Ito Y，Sugimoto Y，Tomioka M，et al.Clinical accuracy of 3D fluoroscopy-assisted cervical pedicle screw insertion[J].J Neurosurg Spine，2008，9(5)：450-453.

[15]孙胜利，闫达远.六自由度磁跟踪器的研究[J].电子测量技术，2000(1)：1-3.

Research on the aurora electromagnetic tracking system in the medical surgical navigation application

/LUO Wei, LI Shan-shan, YI Chun-jian// China Medical Equipment,2014,11(1):22-25.

Objective:For clinical interventional procedures in surgery, "blind spot", as well as minimally invasive surgery more precise surgical navigation requirements, this paper explores the use of a new generation of Aurora electromagnetic tracking technology assisted surgical navigation through free combination with a variety of surgical instruments, surgical further addressed various problems encountered.Methods:Aurora electromagnetic tracking system used with metal-containing material that matches the medical surgical environment, the use of electromagnetic tracking system comes with control software, the use of which is equipped with the SDK (secondary development package), I use a set of VC programming language suitable for clinical surgical navigation, real-time display system, and in our hospital different medical surgical navigation application performance test and comparative experiments measured the accuracy of the tracking system, the statistics of various surgical instruments corresponding to different surgical applications.Results:By author in Jingzhou City, First People's Hospital conducted a series of clinical application, verify the advantages of the system, allows doctors during surgery even more powerful, fully reflects the Aurora electromagnetic tracking system, superior performance, as well as in the medical surgical navigation important far-reaching significance.Conclusion:By using a variety of surgical instruments and medical surgical navigation in different experiments, we found that Aurora electromagnetic tracking system surgery centimeter-level positioning accuracy can be changed from the millimeter level, navigation accuracy average of less than 2 mm, and is available for user secondary development package, free easy programming operation, combined with surgical instruments and flexible, easy to implement intelligent navigation surgery. For clinical work provides an updated, more broad application space, enhancing the overall surgical navigation accuracy and controllability.

Aurora system; Electromagnetic tracking system; Surgical navigation; Electromagnetic positioning technology

1672-8270(2014)01-0022-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.008

2013-10-18

湖北省教育厅教学项目(HBJ2014-03-44563) “基于VTK技术的腔镜培训系统的设计与应用”

*专利：国家发明专利(201010543896.X)“构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法”

①荆州市第一人民医院生物医学工程实验室 湖北 荆州 434000

②荆州市中心血站质管科 湖北 荆州 434000

*通讯作者：magic889@hotmail.com

罗伟,男,(1978- ),硕士，高级工程师。荆州市第一人民医院生物医学工程实验室主任；湖北省生物医学工程学会生物医学仪器专业委员会委员。研究方向：医学图像处理、生物医学光子学、人工智能交互技术。