研究论著THESIS&RESEARCHREPORT
位置的同时，计算出靶点在特殊设定的解剖坐标系中的X/Y/Z空间位置。
该穿刺系统软件的主要功能包括：图像采集与处理；制定治疗计划，生成穿刺坐标与目标容积。
2.2.1图像采集与处理
图像采集与处理包含很多的环节，独立去开发这些技术需要耗费很大的精力和成本。在本次设计中，借鉴了Internet上的免费软件MITK（MedicalImagingToolKit）———医学影像处理与分析算法研发平台。该软件提供了丰富的可视化、分割、配准等3类医学影像处理算法，通过简单的调用和小的修改，即可生成功能强大的应用程序，用以处理多维（一维、二维、三维）、多源（CT、MRI等）、多态（以像素矩阵形式表达的图像信息、以像素集合形式表达的目标信息以及以几何形状形式表达的知识信息）的医学影像数据。本次设计中应用到图像处理的算法主要包括：DICOM格式图像的读取；图像窗宽、窗位的调整；三维重建；任意层面的显示等。
2.2.2制定治疗计划，生成穿刺坐标与目标容积
治疗计划的根本目的就是获取穿刺目标的坐标，用以引导穿刺针的运动以及目标的体积（容积），用于下一步可能的治疗。由于CT图像的宽度、高度、层距以及层数提示了人体的三维坐标系，同时，用于定位的框架自定了一套三维坐标系统，因此，通过定位框架的刻度，可以很方便地确定框架内人体空间的任意一点。假定确定穿刺点至少需要长、宽、高（W/H/L）三点坐标的话，那么，至少还需要加入穿刺角度（X/Y两个方向）及进针深度D等3个参数才能最终确定穿刺目标，这6个参数决定了穿刺机械臂的设计至少包含6个方向的自由度。至于目标容积相对简单，用一个简单的二次积分就能解决了。
图1是一个应用程序的界面，图中显示的是已完成的某穿刺计划，表格中显示了一组穿刺坐标系。
图1
应用程序—ControlandGuidePunctureSystem界面
2.3硬件设计
三维穿刺系统的硬件部分主要包括两部分：定位床和穿
刺机械臂（图2）。为了尽快实现系统的功能，缩短研制周期，直接引进国内某公司生产的体部X刀的定位框架作为该系统的定位床，需要自主设计的只有穿刺机械臂了。通过上述软件功能的分析，机械臂应能满足6个方向自由度的运动。通过分解设计，根据功能需要，把机械臂分解为两大部分：定向机构部分和穿刺进给运动机构部分。
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医疗卫生装备·2008年11月第29卷第11期
ChineseMedicalEquipmentJournal·Vol．29No．11November2008
图2
定位框架、机械臂设计图
2.3.1定向机构
定向机构主要包括滑块（一副）、圆形导轨、圆形导轨角度测量仪、圆形导轨上的滑块及其角度测量仪等零部件。
对于设计要求中需要的自由度，定向机构都能完成（除进针运动外）。
长度方向上的运动是通过两边的滑块在床板上的前后同步滑动实现的。为保证滑块滑动时在一条直线上作运动，在滑块底部有凸台，凸台和床板的导轨凹槽的配合实现了导向功能。
宽度方向和高度方向上的运动是通过滑块在圆形导轨上作圆周滑动来实现的。在做圆周运动时，把位移分解为这两个方向上的位移量，由于圆周运动是在特定的函数关系下作的运动，所以，这两个方向上的位移量是存在一定关系的。
圆周导轨上开有圆槽，滑块就是沿着圆槽作精确运动的，滑块和圆槽是用两线接触的方式而不是用面接触的方式来提高定位精度。
由于穿刺的方向不一定指向圆周导轨的圆心，所以在圆形导轨的滑块上又设计了转向机构。转向机构可以偏转一定角度，并随时锁定。
2.3.2进针机构
在进针方向确定以后，就是进针运动。进针运动机构是通过滑块在燕尾槽导轨上的滑动来实现的。燕尾槽导轨就是上述转向机构的一部分，它们是一体的。进针时，滑块可以在任何位置锁定，在此滑块上可以安装穿刺用的针或打孔用的电钻，为保证坐标转换方便，穿刺针或电钻头的回转体中轴线和长度方向上滑块上的中心孔的竖截面在同一平面内。
以上两大部所涉及到位移和角度都可以准确地测量，在行程范围内的任何位置都可以锁止。
3
结果
根据以上设计方案，在较短的时间内完成了设计，制作
出样品，并在人体模型上进行了试验。试验的过程如下：
（1）在医用人体模型内放置一粒塑料小球，作为穿刺目标，固定；
（2）用负压袋把模型固定在定位床上；（3）在穿刺目标区域做CT扫描；（4）把CT图像输入工作站；
（5）在工作站里完成CT图像重建等工作，确定穿刺的目标及进针路线等，系统生成机械臂进针的各参数；
（6）根据给定参数调整机械臂进行穿刺。通过改变穿刺角度、深度等多
(荩荩下转第27页荩荩）
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