电磁导航红外导航使用对比

* 手稿（全文：摘要、参考、图注、声明等）

标题：通过同时使用两套独立的无框架立体定位系统进行电磁跟踪定位技术和光学跟踪定位技术比较

作者：Christopher R. Mascott医学博士

      爱尔兰都柏林爱尔兰皇家外科医学院神经外科系

作者联系方式：Christopher R. Mascott

Department of Neurosurgery

Beaumont Hospital

Dublin 9

Ireland

Tel: 011 353 87 69 05632

Fax: 011 353 1809 2302

MascottDommelly@netscape.net

标题：体内电磁跟踪定位和光学跟踪定位比较

摘要

目标

目的是比较电磁跟踪系统和光学跟踪系统在影像配准和术中的计算准确度和真正手术准确度。

方法

有70个手术病例同时使用了两套经过FDA批准的商用无框架立体定位系统。Compass Cygnus-PFS系统采用的是磁场参考和跟踪方法。StealthStation系统采用的是光学参考和跟踪方法。利用带有粘性的基准标记物（fiducial marker）、颅内植入标记物、解剖标志或综合利用这些标志对每套系统进行影像配准。术前成像包括容积CT和/或MRI成像。系统配准后的计算准确度采用均方根值（RMS）。手术准确度是通过将每套系统的解剖准确度与多个可辨认术内解剖标志进行对比来评估的。

结果

电磁系统的计算准确度（RMS）是1.4mm+/-0.6，光学系统的计算准确度是1.4mm+/-0.8。在42例带有颅内植入物标志的病例里，计算准确度分别为1.0mm+/-0.5（电磁）和0.9mm+/-0.4（光学）。在60个病例中（共70个病例），真正手术准确度都非常好（3mm或更低）。在2个病例中，两套系统的表现都不好。在8个病例中，有一个系统的结果不准确，其中电磁系统为3例，光学系统为5例。

结论

在计算准确度和真正手术准确度方面，电磁跟踪定位和光学跟踪定位方法相差不大。磁场中来自金属物体的干扰很少看到。

前言

近年来，用于神经外科图像导航的无框架立体定位系统被广泛应用。但大多数神经外科医生对这种系统的应用水平非常有限。这部分是因为这种技术需要经过学习才能掌握，同时另一方面，神经外科医生不太愿意将这种图像导航技术用于所有颅内病例，因为许多系统在设置和术中操作时都比较麻烦。随着计算机能力的迅猛增强，许多系统将要或者已经在体积上变得更加纤小。用来悬吊装置或或支撑手术显微镜的机械臂系统已经几乎从手术室绝迹（4、10、25），有线或无线指示器取而代之（5-7、22）。当今最常用的跟踪系统通过利用定点设备的2到3台摄影机（红外或环境光）进行光学跟踪，而定点设备与固定在颅骨固定装置上的坐标装置有关。这要求在配准和手术时摄像机和指示器/坐标之间要视线无阻挡。在手术过程中，定点设备经常需要定向以便能被摄影机捕捉到。此外，还采用了其他空间参考方式。超声是最早用来进行手术空间参考和跟踪的技术之一（20）、（1、19），但由于超声传输受气候和湿度的影响而缺乏稳定性，因此该技术逐渐失宠。磁场可用来提供参考，以便确定指示器的空间位置。尽管这种技术在1991年就已经推出（9），并且在1997年以FDA批准的图像导航系统形式进行了商业化（14、21），但这种电磁导向技术只是在最近才受到比较多的关注（16、17、24、26）。许多公司最近推出了不同形式的电磁导航定位系统。在一项体模研究中，Bernadete等人发现光学导航、电磁导航以及机械臂导航系统之间没有多大差别（2）。人们对电磁参考和跟踪技术最为关注的事情之一是金属手术器械在实际手术过程中可能造成干扰，从而导致手术准确度受影响。为此，我们对两套独立的图像导航系统（电磁跟踪系统和光学跟踪系统）的术内计算和手术准确度进行了直接比较。原来进行的惟一一次临床研究不是将光学跟踪系统与电磁跟踪系统进行横向比较，而是进行纵向比较。我们不想进行系统量化，而且图像系列也仅限于鼻窦手术（18）。

方法

在70个颅内病例中，同时使用了两套独立的图像导航系统。StealthStation（Medtronic SNT, Louisville, CO）利用光学参考和跟踪技术，Cygnus-PFS（Compass International, Rochester MN）则采用电磁参考和跟踪技术。病例详细信息可参见表1。在所有病例中，术前容积图像是利用CT（1-3mm断层，0’机架，GE9800或Lightspeed）和/或MRI（SPGR1.5mm断层，GE Signa 1.5T）采集的。在成像前，所有病人都粘贴了颅骨基准标记物（IZI Medical Products, Baltimore, MD），在42个病例中，除了基准标记物之外，还在颅内植入了4-6个螺钉标记物。基准标记物的定位应尽量确保其在头皮上不移位。它们通常定位在乳突区域，但不要定位在其他头后区域，以免在图像采集过程中被头部遮盖。

成像数据集被加载到两套独立的经过FDA批准的商用系统上——Cygnus-PFS和StealthStation。图像重建和配准按照常规方式在两套系统上进行。设计了一个支架以便在手术过程中同时使用这两套系统（图1）。在手术时，病人的头部利用3点固定装置（Mayfield头托，OMI, Cincinnati OH）进行固定。支架与头托相连，头托后面是Cygnus磁场发生器和Stealth参考头架（图2）。手术配准然后按照常规方式在两套系统里进行。在颅内植入螺钉标记的病例中，在确认植入标记具有良好的计算准确度之后，在进行图像配准时可不用基准标记物。两套系统要求的计算配准准确度应小于3mm。靠近头托销的基准标记物可能会随头皮移动，由于这会导致图像配准不准确，所以它们将被弃用。

在手术铺单之后，按照常规方式，为电磁系统使用第二条消毒接收器电缆，为光学系统使用第二条消毒探针电缆和消毒光学参考头架。

电磁系统和光学系统的计算准确度（均平方根）被标记出来。由于在得到类似的数字计算准确度和类似的图像表面准确度之前，初始配准针对两套系统进行了优化，因此，尽管两套系统的计算准确度可进行统计比较，但是没有实际价值。

比较术内准确度（应用准确度）是本研究的目的。然而，试图量化术内准确度可能会带来一些概念上的挑战。评估应在浅表区域尽早进行，以避免由于CSF损失或病变组织摘除导致的结构变化影响（3、8），同时可在不易受变化影响的颅底或中线旁的深处组织进行。尽管手术过程中良好解剖准确度的主观印象对外科医生的临床有用，并且带来了准确度高的全面印象，但是对于本研究而言，量化程度更高的途径是必不可少的。有三种类型的组织结构标记可用于术内准确度的评估。对于每个病例而言，至少应选择4个“空间点”靶区进行准确度评估。这通常是血管分叉（静脉或动脉）或其他可明确辨别的点（即内侧隐窝、闩、小的病变组织，如血管和肿瘤之间的包囊或交集）（图3）。采用的第二种组织结构标记是线性标记，比如：血管或幕骨切口（图4）。第三种组织结构标记是面。这通常是肿瘤的深表皮（图5）或明确可辨结构的表皮（如海马状突起或颅底或大脑镰区域）。当利用上述参数的轨迹图像时，高准确度被定义为3mm或低于3mm的在屏测量准确度。对所有病例进行了全部组织结构标记（点、线和面）测量。如果屏幕上有可见的误差，对误差进行测量，超过3mm的欧几里德误差被认为是低准确度。这种策略导致了感知误差的广泛取样，但这仅仅是“半量化”，因为这些指定标记都没有达到毫米准确度，而且测量距离的绝对量化没有意义。如前所述，避免在脑后位置进行测量。利用两套系统同时或先后对各种组织结构标记进行了评估。

结果

电磁跟踪系统的计算准确度（RMS）是1.4mm+/-0.6，光学跟踪系统的计算准确度是1.4mm+/-0.8。电磁系统的计算配准范围为0.4mm（最好）到2.6mm（最差），光学系统则为0.4mm（最好）到3.0mm（最差）。如前所述，当怀疑可能发生移动的情况下，弃用易移动区域的基准标记物。在这种方式下，根据常用无框架配准原则，为每套系统针对配准进行优化。同时，还应指出，通过对颅骨标记（如外耳道和鼻梁）进行目测，配准为准确度进行了优化，即使这会导致选择的配准会有更高的计算平均误差。

对于42个采用颅内植入标记进行配准的病例而言，计算准确度为1.0mm+/-0.3（电磁系统）和0.9mm+/-0.4（光学系统）。由于进行了上述优化，计算准确度的比较没有太大实际意义。在全面配准（单样本T测试；P=1.0）或利用颅内植入标记进行的配准（单样本T测试；P=0.2）方面，没有统计意义上的差别。

按照“方法”部分说明的标准，在60个病例（共70个病例）中，两套系统的真正手术准确度都比较高（3mm或更小）。在2个病例中，两套系统都不准确。在8个病例中，两套系统中的一套被认为是不准确的。其中电磁系统不准确的病例数是3个，光学系统不准确的病例数是5个（Mc Nemar chi2;0.73）。具体的不准确原因还不清楚。误差的假设原因将在下面的“讨论”部分阐述。

讨论

在大多数病例中，正如方法部分所说到的那样，电磁系统和光学系统的应用准确度都比较高。这与原来的体内和定性研究的结果一致（2、18）。一般而言，应用准确度被定义为有框架或无框架立体定位系统在立体定位手术空间里正确定位组织结构的最终准确度（13）。量化手术应用准确度始终很难，而且大多数量化研究（有框架或无框架系统）都是在实验室的体模上进行的。决定无框架图像导航技术的应用准确度的因素包括图像采集模式和质量、手术配准、导航系统的机械和物理准确度、手术过程中头部或坐标的移动以及术内脑移位。本文将不对这些因素进行讨论，Maurer等人对此进行了详细探讨（15）。对于光学系统和电磁系统而言，这些技术因素被考虑进来是为了优化系统的准确度。在本研究中采用了带有相同标记的相同病人，并且使用了相同的成像图像。两套系统针对所有病例都采用了逐点配准，而没有采用表面匹配模式。配准标记对称布置在脑部，因为堆在一起的标记会导致较低的应用准确度，尽管其计算准确度较高。在本研究的早期病例中，采用的是3mm层厚的CT扫描，因为老式扫描仪（GE9800）的采集时间太长，这导致病人在采集期间会移动。对于更快速进行采集的新系统（GE Lightspeed）而言，我们通常使用1mm断层厚度。我们知道断层厚度和像素尺寸是影响应用准确度的因素。为了进一步提升准确度，我们经常采用颅内植入钛标记（Stryker-Leibinger, Freiburg, Germany）。通过这种方式，我们可获得堪比框架立体定位系统的准确度，因为颅内标记不像头皮上的标记或表皮上的标记一样容易移位（11、23）。

尽管术内准确度的主观印象不是没有价值，但是我们特意选择了特定手术标记，试图对两套系统进行量化程度更高的评估。体内靶位的可靠确定依然是一个挑战。如果可确定和定义真正的毫米级非位移靶位，那么这个靶位的欧几里德定位误差就不能反映大型组织结构和表皮的全面颅内定位误差。体模研究使用了多个点来评估准确度。为了优化我们的评估，在两套系统的所有病例里，我们都是以对称方式使用点、线、面标记。很明显，这种途径是大多数医生采取的一种直观方式，而且比绝对准确度值的“半量化”程度更高。在60个手术病例（共70个病例）的无数个靶位上，我们发现了相当的术内准确度（3mm或更小）。两套系统定位都明显不准确的两个病例是颅后窝手术病例。我们可以回顾性方式解释这两个病例。在这两个病例中，病人分别处于俯卧和3/4俯卧位置。两个病例都使用了基准标记物（没有使用颅内植入标记）。光学系统给出了一个计算误差的全面估计（均方），并以最大的计算误差（相对于配准的误差）显示标记，电磁系统给出了一个均方根值误差，同时提供了每个独立标记的计算误差读数（相对于配准的误差）。我们注意到，即使是在没有明显移动的头皮区域，在下侧标记上都有对称性的更高计算误差。我们认为，这表明了与成像仰卧位相比，在采取俯卧位时，重力对头皮的影响要比预期的大。在随后的病例中，对后入路手术我们采用了颅内植入标记，通过这种方式，两套系统都获得了较高的准确度。其他研究人员也为后入路手术病例采用了颅内植入标记（R. Maciunas, R Bucholz——personal communication）。

我们再看看有一套系统的定位结果不准确的8个病例。这种讨论依然是假设性的，因为我们没有对这些病例的肯定性解释。一些误差根源可以排除——如果它们总是影响系统的准确度。这包括成像过程中的移动（对两套系统都产生影响）或手术过程中头部在头托中滑动。实际上，我们的确有3个病例我们没有注意到手术过程中的头部滑动，最后导致两套系统的结果都不准确。幸运的是，这3个病例都采用了颅内植入标记，我们可以非常容易重新进行图像配准，从而纠正问题。对于电磁系统定位结果不准确的3个病例而言，磁场干扰可能性必须考虑在内。当大型金属设备（如C臂），位于磁场发生器附近时，可以看到这种干扰，当三个大型脑部自留牵开器位于切口位置时可看到程度要轻一些的干扰。这种干扰可很容易地排除，比如使干扰设备处于较远的位置或将牵开器的数量缩减到1个。现在已经推出了非磁性自留牵开器。由于病例开始阶段的配准对于两套系统而言是类似但不相同，这就成了导致系统差异的另一个可能原因。另一方面，配准过程中参考磁体没有移动，利用齿轮固定装置固定在头托上。在铺单后，接收器探针从用于配准的未消毒探针变成了消毒探针。由于每个接收器都针对磁场进行了单独校准，这种变化是一个假设性误差根源。

在光学系统定位结果不准确的5个病例中，如上所述，初始配准类似但不相同成了应用准确度差别的原因之一。光学系统用于确定手术空间的参考框架是带有LED的头架，通过机械臂与头托固定。用于初始配准的头架是未消毒的，在进行手术时需要更换为消毒头架。参考头架的更换可能会导致图像导航的不准确。我们有时发现了这种误差，并通过重新配准进行纠正。但我们在此谈论的病例中，并没有明显的头架更换。这5个病例中，光学系统的定位结果不准确可能是由于固定头架的关节装置滑动，加上更换头架导致的。这种风险可通过在手术过程使用同一头架（套上消毒塑料袋）来降低。

在本研究中我们设定的应用准确度阈值是3mm。对于电磁系统而言，有93%（65/70）的病例达到了这个标准，而光学系统则有90%（63/70）的病例达到了这个标准。尽管一直宣称有框架立体定位系统的应用准确度为1mm，但许多研究发现其准确度在2-6mm之间（12、13）。没有固定参考框的无框架立体定位系统其误差可能比有框架立体定位系统大。为了优化图像导航的准确度，在本研究中，60%的病人采用了颅内植入标记。我们认为这可带来更高的应用准确度。有3个采用颅内植入标记的病例，其中一套系统的定位结果不准，但没有两套系统都不准的植入标记病例。

从实际角度出发，金属干扰准确度的可能性依然是电磁跟踪技术的主要关注问题。光学跟踪系统不存在这种担忧。另一方面，大多数光学系统在手术过程都是以“快照图”形式定位指示器或其他设备。电磁导航技术的一个巨大优势是，能连续跟踪，而不需要重新定向。理想的跟踪设备是颅内手术期间可广泛利用的抽吸探针。作者认为抽吸探针的连续跟踪是常规图像导航的理想选择。

结论

我们发现电磁跟踪图像导航系统和光学跟踪图像导航系统在大多数病例下都有较高的准确度，极少数病例会出现不准确的定位。两套系统相比，准确度方面没有太大差别。因为电磁导航系统在实际手术应用中有许多优点，可考虑推广应用电磁导航技术。在本研究过程中，我们发现采用两套系统进行验证和备份非常有用。开发使用多种互补性定位跟踪技术的系统将会非常有趣。

鸣谢

非常感谢Valerie Lauwers-Cances提供的统计数据。

声明

本文作者与文中述及的两个生产商没有商业利益关系。过去，作者曾经获得过两家公司的材料资助，包括提供试验原型，并且Compass International还提供了用于系统共用的支架。

参考文献

图注

图1

病人处于手术位置，光学和电磁导航系统固定在3点头托装置上。头部沿着参考摄影机视线定位在标准光学参考头架中间。在这套系统里，在铺单之后利用消毒头架代替未消毒头架。固定在头托装置上的磁体应这样定位：磁场中心应尽可能靠近手术野。参考磁体固定在头托装置上，位于手术铺单下面。允许两套系统共同的手术支架由Compass International公司根据要求定制。最近，一些新推出的头部固定装置允许利用多套定位导航系统（Spetzler^TM头托，M.Mueller, San Carlos,CA）。

图2

两套系统已经就位的手术室设置。光学跟踪系统包括一个工作站（A）、带有LED的光学参考头架（B）、带有LED的探针（C）以及固定在支撑杆上的跟踪摄影机（D）。电磁系统包括一个工作站（便携式计算机和磁体）（A’）、磁场发生器（B’）和固定在磁场接收器上的一次性探针（C’）。

图3

作为空间解剖靶位的脑闩。本病例没有病变块状效应，而且没有产生位移。图上显示的是屏幕截图，显示了图像上脑闩（更靠后）和术中定位位置（2.8mm测量定位误差）之间的测量距离。

图4

Labbe静脉线性靶位图（光学系统屏幕截图）

图5

肿瘤表面靶位图（电磁系统屏幕截图）

图6

光学系统和电磁系统并行屏幕采集图。这个颞叶癫痫病例的靶位为扁桃核区域前部的小囊肿。

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表1  手术病例信息