醫(yī)療定位系統(tǒng)的精度測(cè)試方法研究

沈劉娉　孫迎　孫毅勇

[摘 要] 利用計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)圖像處理及三維可視化技術(shù)的空間三維定位導(dǎo)航系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)輔助治療領(lǐng)域的熱門(mén)研究，該系統(tǒng)可對(duì)進(jìn)入人體的醫(yī)療器械進(jìn)行精確定位。為了對(duì)系統(tǒng)的核心指標(biāo)定位精度進(jìn)行驗(yàn)證，提出了定位系統(tǒng)的精度測(cè)試方法。通過(guò)平面和空間球面兩種測(cè)試裝置，分別使用平面測(cè)試算法和基于尋優(yōu)算法設(shè)計(jì)的球面校準(zhǔn)算法，自動(dòng)計(jì)算定位系統(tǒng)的精度，從而實(shí)現(xiàn)全方位的性能評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，定位系統(tǒng)的平均定位誤差小于1mm。該測(cè)試方法有效可行。

[關(guān)鍵詞] 定位精度；測(cè)試；醫(yī)療器械

中圖分類(lèi)號(hào)：R331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)：2095-5200（2015）05-011-03

引言

利用計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)圖像處理及三維可視化技術(shù)的空間三維定位導(dǎo)航系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)輔助治療領(lǐng)域熱門(mén)研究。通過(guò)該系統(tǒng)可對(duì)進(jìn)入人體的醫(yī)療器械進(jìn)行精確定位，顯著提高診斷及治療效果[1-2]。

介入式醫(yī)療定位系統(tǒng)最核心性能指標(biāo)就是定位精度。在患者體內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)部位，很微小偏差都將可能造成非常嚴(yán)重后果[3]。為了對(duì)系統(tǒng)核心指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證、判斷其定位精度是否滿足臨床手術(shù)需要，本研究設(shè)計(jì)了測(cè)試算法及平臺(tái)，用于系統(tǒng)精度測(cè)試。

1 精度測(cè)試原理

醫(yī)療定位系統(tǒng)能夠在指定范圍內(nèi)精確定位，將與系統(tǒng)配套感應(yīng)器放置于該范圍內(nèi)，可獲取坐標(biāo)信息，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送回系統(tǒng)。利用坐標(biāo)信息便可分析整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定度和精度。本研究分別通過(guò)基于平板和球面兩種方式進(jìn)行精度性能評(píng)價(jià)。其中，平板測(cè)試用于評(píng)價(jià)整個(gè)定位范圍內(nèi)精度性能；球面測(cè)試用于評(píng)價(jià)空間不同角度可能對(duì)精度產(chǎn)生影響。此外，通過(guò)在定位范圍內(nèi)放置常規(guī)手術(shù)器械，以模擬手術(shù)室環(huán)境，來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境對(duì)醫(yī)療定位系統(tǒng)影響[4]。

2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

2.1 平板測(cè)試

2.1.1 測(cè)試裝置 本研究設(shè)計(jì)測(cè)試方法針對(duì)醫(yī)療定位系統(tǒng)平面定位精度進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，于定位精度測(cè)試平板上加工打孔5×5方陣，共計(jì)25個(gè)孔，編號(hào)依次為1-25，見(jiàn)圖1。為了盡可能減小測(cè)試誤差，采用激光校準(zhǔn)方式，測(cè)量出小孔兩兩之間距離，準(zhǔn)確度等級(jí)MPE（maximum permissible error）為±4.5μm。此組距離值將作為平板測(cè)試過(guò)程中真值。

使用50cm厚墊塊3塊（其厚度取決于精度范圍），置于測(cè)試平板下，可測(cè)試空間不同層高定位精度。

2.1.2 測(cè)試步驟 將定位精度測(cè)試平板置于一塊50cm高墊塊上，感應(yīng)器置于編號(hào)為1孔內(nèi)，通過(guò)軟件采集第一個(gè)標(biāo)測(cè)點(diǎn)，采樣單位為100個(gè)數(shù)據(jù)。根據(jù)獲取坐標(biāo)信息，計(jì)算并顯示出該點(diǎn)100個(gè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定度SD，設(shè)Xs為采集100個(gè)數(shù)據(jù)在X方向上標(biāo)準(zhǔn)差，Ys為采集100個(gè)數(shù)據(jù)在Y方向上標(biāo)準(zhǔn)差，Zs為采集100個(gè)數(shù)據(jù)在Z方向上標(biāo)準(zhǔn)差，則有下列計(jì)算公式：

將計(jì)算所得到距離值與定位精度測(cè)試平板激光校準(zhǔn)所得到距離真值做比較，計(jì)算出兩者之間偏差，便可判斷整個(gè)醫(yī)療定位系統(tǒng)于50cm高處定位準(zhǔn)確性。分別加高一層和兩層墊塊，重復(fù)以上標(biāo)測(cè)點(diǎn)采集，可測(cè)得醫(yī)療定位系統(tǒng)于100cm和150cm高處定位準(zhǔn)確性。

本測(cè)試采用自編數(shù)據(jù)采集與計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)以上數(shù)據(jù)采集及穩(wěn)定度與精度計(jì)算，同時(shí)輸出測(cè)試報(bào)告。測(cè)試所得到數(shù)據(jù)用于評(píng)估醫(yī)療定位系統(tǒng)可達(dá)到精度。

2.2 球面測(cè)試

2.2.1 測(cè)試裝置 本測(cè)試采用半球上有50個(gè)深插孔，如圖2，每一個(gè)深插孔旁固定距離有一個(gè)淺插孔。使用帶兩個(gè)插桿分別裝有傳感器蓋子，可將一個(gè)長(zhǎng)插桿插入半球某一個(gè)深插孔內(nèi)，另一個(gè)短插桿同時(shí)插入深插孔旁短插孔內(nèi)，用于鎖緊使得蓋子和半球不能相對(duì)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。蓋子上帶有光學(xué)顯影點(diǎn)，可通過(guò)光學(xué)定位裝置獲得光學(xué)顯影點(diǎn)坐標(biāo)值。此組坐標(biāo)值將作為半球測(cè)試過(guò)程中真值。

2.2.2 測(cè)試步驟 將球面置于磁場(chǎng)范圍內(nèi)，定位系統(tǒng)運(yùn)行正常。將一個(gè)蓋子固定于球面上某一特定孔內(nèi)作為參考點(diǎn)，另一個(gè)蓋子插入標(biāo)有編號(hào)為1孔內(nèi)，采集數(shù)據(jù)。將蓋子移至標(biāo)有編號(hào)為2孔內(nèi)并采集數(shù)據(jù)。以此類(lèi)推，直至48個(gè)數(shù)據(jù)采集完成。

運(yùn)行校準(zhǔn)算法程序，計(jì)算定位系統(tǒng)平均定位誤差。

2.2.3 校準(zhǔn)算法設(shè)計(jì) 將一個(gè)蓋子插入某一個(gè)孔內(nèi)，通過(guò)長(zhǎng)短插桿將其鎖定，使其相對(duì)半球無(wú)移動(dòng)，作為參考點(diǎn)Sensor1，同時(shí)可以獲得參考點(diǎn)感應(yīng)器Sensor148組三維坐標(biāo)，記為。通過(guò)光學(xué)定位裝置獲得另一個(gè)蓋子上光學(xué)顯影點(diǎn)坐標(biāo)，得到48個(gè)三維坐標(biāo)值作為半球孔相關(guān)真值坐標(biāo)，記為，

48；蓋子內(nèi)帶有Sensor2用于采集實(shí)時(shí)變化位置坐標(biāo)，手動(dòng)將裝有Sensor2蓋子依次插入48個(gè)插孔，通過(guò)感應(yīng)器得到48組三維坐標(biāo)，記為，48。

蓋子上光學(xué)顯影點(diǎn)相對(duì)于Sensor2有一個(gè)固定坐標(biāo)，記為，。光學(xué)顯影點(diǎn)相對(duì)于電磁定位系統(tǒng)零點(diǎn)坐標(biāo)為，而相對(duì)于Sensor1坐標(biāo)為。

（2）通過(guò)（1）得到X值，可計(jì)算得到變換誤差。之后通過(guò)在6個(gè)方向上搜索鄰域，并重新計(jì)算6個(gè)方向上得到X和e，找到e值最小方向，以此為新起點(diǎn)繼續(xù)以上搜索過(guò)程，直到e不再減小。此算法收斂后，將得到估算出與，同時(shí)得到收斂后e。

收斂后e包含了光學(xué)定位系統(tǒng)誤差、電磁定位系統(tǒng)誤差及每次進(jìn)行插孔誤差?？紤]到光學(xué)定位系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)小于電磁定位系統(tǒng)誤差，插孔與插桿之間配合緊密且通過(guò)兩根插桿固定，因此誤差基本可以反映電磁定位系統(tǒng)誤差。

2.3 環(huán)境因素對(duì)精度影響測(cè)試

由于醫(yī)療定位系統(tǒng)在手術(shù)室環(huán)境中使用，該環(huán)境中不可避免地會(huì)存在金屬材料手術(shù)器械或其他設(shè)備。最安全方法就是避免金屬干擾物在醫(yī)療定位系統(tǒng)附近，但這使得其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用受到很大限制，因此需要評(píng)價(jià)手術(shù)器械對(duì)其精度影響[6-8]。

定位失真不僅與金屬類(lèi)型有關(guān)，還與它大小、形狀、位置和角度有關(guān)。因此，僅針對(duì)某一種典型情況作分析[9-10]。通過(guò)放置各種手術(shù)刀和大金屬薄板，分別模擬一般手術(shù)室普遍存在手術(shù)器械和手術(shù)床，將各種金屬器材放置于醫(yī)療定位系統(tǒng)附近，重復(fù)2.1測(cè)試，并與未放置手術(shù)器械時(shí)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 平板測(cè)試

將感應(yīng)器依次放置于25個(gè)孔內(nèi)，在每一層高度采集得到25組數(shù)據(jù)，計(jì)算得到系統(tǒng)穩(wěn)定度與距離偏差均值，結(jié)果如下表1所示：

由以上數(shù)據(jù)可知，隨著高度增加，穩(wěn)定度和距離偏差性能指標(biāo)均有一定程度下降，但完全可接受。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)定位精度指標(biāo)滿足接收標(biāo)準(zhǔn)SD<=0.2和D<=1mm。

3.2 基于球面校準(zhǔn)算法

使用半球測(cè)試工裝，固定一個(gè)Sensor在某一小孔作為參考，另一個(gè)蓋子依次遍歷半球工裝上所有小孔，采集得到48組數(shù)據(jù)，計(jì)算其與真值間平均配準(zhǔn)誤差A(yù)vg = 0.646mm，表明該系統(tǒng)定位精度指標(biāo)滿足接收標(biāo)準(zhǔn)Avg<=1mm，與平板測(cè)試結(jié)果基本一致。

3.3 環(huán)境因素影響測(cè)試

在精度測(cè)試范圍內(nèi)放置金屬物，重復(fù)2.1測(cè)試，高度設(shè)置為150mm，得到數(shù)據(jù)為無(wú)金屬物環(huán)境：穩(wěn)定度0.038，距離偏差0.459mm；放置金屬物環(huán)境：穩(wěn)定度0.042，距離偏差0.959mm。

金屬干擾測(cè)試選擇高度為150mm位置，該位置為磁場(chǎng)精度范圍內(nèi)最差位置，即測(cè)得結(jié)果為最壞情況下能夠達(dá)到精度。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，金屬物對(duì)定位精度有一定影響，但仍然滿足SD<=0.2和D<=1mm接收標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了醫(yī)療定位系統(tǒng)精度測(cè)試方法，通過(guò)兩種方式對(duì)醫(yī)療定位系統(tǒng)穩(wěn)定度和精度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，一種為基于尋優(yōu)算法設(shè)計(jì)球面校準(zhǔn)測(cè)試方法，另一種為基于平板測(cè)試方案，兩者結(jié)果基本一致。

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果分析，可知醫(yī)療定位系統(tǒng)自身精度非常高，平均定位誤差小于1mm，能夠滿足SD<=0.2和D<=1mm接收標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)環(huán)境因素測(cè)試，得知手術(shù)器械對(duì)醫(yī)療定位系統(tǒng)精度干擾可接受，該系統(tǒng)完全適用于手術(shù)環(huán)境。其他大型醫(yī)療設(shè)備對(duì)其精度影響需要作進(jìn)一步地研究分析。

參 考 文 獻(xiàn)

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