ﺏﺎﺼﻋﺍ ﻭ ﺰﻐﻣ ﻲﺣﺍﺮﺟ ﻲﻜﻴﺗﺎﺑﺭ ﻢﺘﺴﻴﺳ ﻱﺯﺎﺳﻩﺩﺎ ﻴﭘ ﻭ ﻲﺣﺍﺮﻃ

Transcript

1 طراحي و پيادهسازي سيستم رباتيكي جراحي مغز و اعصاب مهدي خالقيان عليرضا ا خوندي اصل مجيد نيلي احمدا بادي حميد سلطانيانزاده قطب كنترل و پردازش هوشمند ا زمايشگاههاي رباتيك و مهندسي پزشكي گروه مهندسي برق و كامپيوتر دانشكدة فني دانشگاه تهران چكيده در اين مقاله سيستم رباتيكي جراحي مغز و اعصاب كه در دانشگاه تهران طراحي و پيادهسازي شده است معرفي ميگردد. اين سيستم شامل يك بازوي مكانيكي پنج درجة ا زادي بدون موتور جهت تعيين مختصات شش بعدي پروب جراحي يك كارت واسط مبتني بر FPGA براي سنجش زواياي ربات نرمافزار نمايش سه بعدي و پردازش تصاوير پزشكي (مانند ( MRI مبتني بر زبان برنامهنويسي TCL/TK و كلاسهاي پردازش تصوير VTK است. براي محاسبة دقيق موقعيت نوك ربات نياز به دانستن پارامترهاي دقيق سينماتيك بازو است. بدين منظور نرمافزار كاليبراسيون ربات نيز توسعه يافته است. مراحل مقدماتي ا زمايش اين سيستم در اتاق عمل انجام گرفته است. ١- مقدمه با توجه به اينکه جراحي مغز و اعصاب و نمونه برداري از بافتهاي توموري نياز به دقت و ظرافت خاصي دارد امروزه سيستمهاي كامپيوتري براي كمك كردن به جراح در هدايت جراحي و نمونه برداري تومورهاي مغز و اعصاب و همچنين برنامهريزي جراحي قبل از عمل و همينطور تجزيه و تحليل سه بعدي اطلاعات تصويري مورد استفاده قرار ميگيرند [١] [٢] [٣] [٤]. با اينگونه سيستمها جراح قادر خواهد بود بهترين مسير را براي جراحي و نمونه برداري پيدا كرده و ا سيبرساني به مغز را به حداقل ممكن برساند. به علت دقت و پايداري خوب بازوهاي مكانيكي و همچنين ا سان بودن عمل انطباق تصاوير فيزيكي و پزشكي و مناسب بودن قيمت ا نها براي ارتباط پروب جراحي با سيستم كامپيوتري از ربات استفاده شده است [٥]. رباتها در دهة اخير در اعمال جراحي مغز به كمك جراحان ا مدهاند [٦] [٧]. پيش از ا ن در حدود يك سده استفاده از چارچوبهاي استريوتاكسي رايج بودهاست كه هماكنون نيز از ا نها استفاده ميگردد. بهطور كلي يك جراحي مدرن شامل مراحل مختلفي است كه هر يك از ا نها داراي اهميت بسزايي هستند. اين مراحل عبارتند از: طراحي عمل: قبل از عمل اطلاعات تصويري موجود در Data set هاي مختلف كه شامل تصوير برداريهاي T2-Weighted MRI T1-Weighted MRI SPECT PET CT fmri MRA ميشود به وسيلة روشهاي معمول براي انطباق تصاوير جمع شده و به صورت يك دسته داده واحد در ميا يد. سپس اين اطلاعات بدست ا مده ميتوانند براي نمايش سه برش از زواياي گوناگون و همچنين نمايش يك محيط سهبعدي مورد استفاده قرار بگيرند. نكتة مثبت در اين روشها نمايش همة اطلاعات در يك محيط واحد است كه باعث ايجاد درك بهتر از وضعيت و در نتيجه افزايش كيفيت جراحي ميشود. اطلاعات حجمي موجود را ميتوان جداسازي كرد. بعد از اين مرحله ميتوان براي بافتهاي مختلف رنگهاي مختلفي انتخاب كرد تا جراح را در تشخيص اين بافتها كمك كند. به اين ترتيب امكان نمايش اطلاعات حجمي موجود ميباشد. در نتيجه فاصلهها و زوايا و شرايط به صورت بسيار عالي نمايش داده ميشوند. همانطور كه قب لا گفته شد مهمترين عامل در جراحي مغز و اعصاب تشخيص بهترين مسير براي انجام عمل جراحي است. اهميت قضيه در اين است كه در مغز قسمتهاي بسيار مهمي قرار دارند كه به هيچ وجه نبايد ا سيبي به ا نها وارد شود. اين قسمتها شامل قسمتهاي مربوط به حسهاي پنجگانه و حركتي ميشود. هدايت جراحي و نمونه برداری: با استفاده از روشهايي كه براي تعيين محل وسيلة جراحي يا نمونه برداری وجود دارد بعد از تعيين موقعيت وسيلة جراحي در هنگام عمل در محيط سهبعدي شكل وسيلة جراحي مجدد ا ساخته ميشود و تصاوير دوبعدي نمايش داده شده نيز تغيير پيدا كرده و با توجه به موقعيت جديد وسيلة جراحي تصوير متناسب با ا ن نمايش داده ميشود. اگر از اطلاعات تصويري بدست ا مده در هنگام عمل استفاده شود نياز به تركيب كردن ا نها با تصاوير قبل از عمل است و اين كار بايد با سرعت و دقت بالايي انجام شود. ا ناليز حجمي: برای انجام كارهايي كه مربوط به اندازهگيري حجمي بوده و از تصاوير براي انجام ا نها استفاده ميشود نيز از اين سيستمها استفاده ميشود. در واقع در اينجا ميتوان براي قسمتهاي مختلف مورد بررسي مدلهاي مناسبي بدست ا ورد. همچنين ميتوان از نظر كمي پارامترهايی مثل اندازه و حجم قسمتهاي مختلف را مورد بررسي قرار داد.

2 سيگنال از سنسورها كارت (UPI) FPGA شمارندههاي انكودر نرمافزار كارت واسط TCP/IP اطلاعات سنسوري نرمافزار محاسبة موقعيت ربات( 3DMS ) نرمافزار پردازش تصوير TCP/IP دستگاه مرجع موقعيت نوك ربات نرمافزار انطباق نرمافزار نمايش تصوير مغز و نوك ربات اطلاعات نقاط مرجع روي سر شكل ١- تصوير ربات ساختهشده و نمودار بلوكي كل سيستم. در اين مقاله ابتدا به بررسي اجزاي سخت افزاري تشكيل دهندة سيستم جراحي پرداخته ميشود. در اين بخش نحوة طراحي سينماتيكي بازو بيان شده سپس ا زمايشهايي كه براي تعيين سنسورهاي زواياي ربات انجام گرفته است مطرح ميگردد. براي محاسبة زواياي ربات كارت واسطي طراحي شده است كه پالسهاي انكودرهاي ربات را شمرده از طريق گذرگاه ISA در اختيار نرمافزار قرار ميدهد. با استفاده از نرمافزار MAX PLUS II فيلتر ديجيتالي طراحي شده است كه احتمال خطا در تعيين زواياي ربات را به حداقل ميرساند. در ادامه طراحي اين فيلتر ديجيتال مطرح ميگردد و در پايان با بررسي زبان برنامه نويسي TCL/TK و كلاسهاي VTK به بررسي نرمافزار نمايش سه بعدي و پردازشي پرداخته و نحوه استفاده از اين نرمافزار براي جراحي مغز و اعصاب بيان ميشود. ٢- نمودار بلوكي سيستم جراحي مغز همان طور كه در شكل ١ مشاهده ميشود ابتدا سيگنال انكودرهاي ربات توسط كارت UPI Interface) (Universal Peripheral تبديل به زواياي مطلق شده به نرمافزار كارت واسط ارسال ميشود. نرمافزار محاسبه كنندة موقعيت نوك ربات از طريق پروتكل TCP/IP اطلاعات سنسوري را از نرمافزار كارت واسط دريافت كرده موقعيت شش بعدي پروب جراحي را در دستگاه مختصات تصوير محاسبه ميكند و سپس اين موقعيت را به نرمافزار پردازش تصوير ارسال ميكند. نرمافزار پردازش تصوير با توجه به مكان و جهت پروب جراحي سه تصوير عمود برهم دو بعدي Axial) (Sagittal, Coronal, را به دست ا ورده و پس از بازسازي سه بعدي تصوير مغز و پروب جراحي از زاوية ديد مورد نظر تصاوير را نمايش ميدهد. در ابتداي عمل جراحي براي يكسان سازي دستگاههاي مختصات ربات و تصاوير پزشكي احتياج به انطباق دو فضا ميباشد ٣- اجزاي رباتيكي براي ا ن كه بتوانيم تشخيص دهيم يك ربات براي جراحي مغز مفيد ميباشد يا نه عمل جراحي مغز شبيهسازي شده است. در نرمافزار 3DMS يك انسان كه روي تخت عمل جراحي قرارگرفته است در شكل ٢ نشان داده شده است. در اين شبيهسازي نوك ربات به سمت مغز بيمار حركت ميكند و پس از ا ن به صورت حلزوني سطح مغز را پويش ميكند در هر جايي كه بخواهيم ميتوانيم پويش حلزوني ربات را متوقف كرده جهات مختلف وارد شدن پروب جراحي به داخل مغز را نشانهگيري كنيم.

3 شكل ٢ -شماي نرمافزار 3DMS و تصوير بازسازي شدة متناظر با ا ن در نرمافزار.3DUT Slicer θ(off) D(cm) A(cm) α(deg) رابط ١ ٣٢/ ٢٦٧ ٠/ ١٩٨ ٨٩/ ٨٥٩ ٩٠ / ١٢٥ ٢ ٥٠/ ٥٣٢ ٠/ ٤٧٧ ٢٨/ ٣٧ ٠/ ٠٠٤ ٣-٠/ ١٨٢-٠/ ٤١٢ ٨٩/ ٨١٢ ١٥٥ / ٧٧٢ ٤ ٤٩/ ٠٠٤ ٠/ ٠٤٣ ٩٠/ ٩٤٥ ١٩١ / ٩٠٨ ٥ ٣/ ٧٣١ ٢٩/ ٧٣٠ ٠-٩/ ٧٦١ β ٠/٥% جدول ١ - پارامترهاي Denavit-Hartenberg-Hayati ربات جراحي ساخته شده. ٣٦٠ درجه ٠/٥% شكل ٣ - محور افقي زاويه و محور عمودي تفاضل زواياي حاصل از خروجيهاي پتانسيومتر و انكودر ميباشد. پس از اين مرحله ربات در جهت مستقيم وارد مغز شده پس از رسيدن به ٣-١- تومور فرضي مستقيم ا به عقب برميگردد. بازوي جراحي بايد بتواند سه عمل فوق را به راحتي انجام دهد. پس از شبيهسازي رباتهاي مختلف و ا زمايش حركات فوق بر روي نقاط مختلف سر رباتي با پارامترهاي جدول ١ براي جراحي مغز مفيد تشخيص داده شد. توجه داشته باشيد كه پارامترهاي جدول ١ مقادير شناسايي شدة ربات ساخته شده است [٨]. با داشتن سنسور خارجي ايدها ل و انكودر ٨٠٠٠ پالس بر دور و رباتي كه هيچگونه لقي نداشته باشد و نسبت به دما پارامترهاي ا ن تغيير نكند طبق نتايج شبيهسازي به دقت ١/٥ ميليمتر ميتوان دستيافت. تعيين سنسورهاي زاويه از پتانسيومتر و انكودر ميتوان براي سنجش زواياي ربات استفاده نمود. ابتدا ميزان دقت مطلوب زاويهسنج مفاصل ربات را محاسبه ميكنيم. با داشتن رباتي با ابعاد هماندازة انسان در كشيدهترين حالت ربات طول ا ن حدود ١/٥ متر خواهدبود. اگر بخواهيم حداكثر خطاي مو ثرانتهايي ١ ميليمتر باشد احتياج به يك انكودر درحدود ١٠٠٠٠ پالس بر دور يا پتانسيومتر با درصد غيرخطي در حدود ٠/٠١ ميباشد.

4 PA ب- Schmit Trigger الف- شمارش" 1 " هاي داخل بافر تعداد " ١ "هاي بافر ج- توليد پالس تعيين جهت شمارش و صفركردن شمارنده شكل ٤- فيلتر ديجيتال براي سنجش زاوية انكودر نسبي. به علت كوچك و ارزان بودن پتانسيومتر در مقابل انكودرهاي موجود ا زمايشي انجام گرفت تا امكان كاليبراسيون پتانسيومتر با درصد خطي كمتر از ٠/٠١ به عنوان زاويهسنج بازوي جراحي محك زده شود. براي اين منظور چارچوبي حاوي يك انكودر (٨٠٠٠ پالس بر دور) و يك پتانسيومتر (%٠/٥ غيرخطي) با شفتهاي تزويجشده ساختهشد. يك كارت (٢٤ A/D بيت و ١٠ هرتز) كه روي شيار ISA قرار ميگيرد طراحي و پيادهسازي شد. همچنين يك كارت مبتني بر تكنولوژي FPGA كه براي شيار PC104 جهت خواندن انكودرها طراحي شده بود تبديل به كارتي شد تا بتوان بر روي شيار ISA از ا ن استفاده نمود. پس از قراردادن اين دو كارت در كامپيوتر و اتصال اين دو كارت به چارچوب ساختهشدة فوق از يك طرف و خواندن خروجيهاي اين دو كارت توسط نرمافزار 3DMS از طرف ديگر و با حركت دادن شفت مشترك اطلاعات مربوطه ثبت گرديد. پس از چندين بار چرخش كامل و ثبت اطلاعات منحنيهاي مختلفي به دست ا مد. همانطور كه در شكل ٣ ملاحظه ميگردد ميزان لقي پتانسيومتر تقريب ا برابر درصد خطي ا ن ميباشد. در نتيجه نميتوان پتانسيومتر را به اندازة دلخواه (١٤ بيت) كاليبره نمود. بنابراين نميتوان از پتانسيوتر مورد ا زمايش به دقت مطلوب براي اين ربات دست يافت. از طرف ديگر چون انكودرهاي معمولي حجم و وزن زيادي (حدود ١٠٠ گرم) دارند براي بازوي نهايي يك انكودر سينوسي در نظر گرفته شده است كه او لا داراي خروجي ديجيتال بوده ثاني ا بسيار كوچك و سبك (حدود ١٥ گرم) ميباشد [٩]. -٢-٣ فيلتر ديجيتال براي سنجش زاويه از انكودر با يك نقطة صفر( Z ) و دو سيگنال A وB استفاده گرديد. براي داشتن زاويه بايد لبههاي بالا و پايين رونده سيگنالهاي A و

5 B استخراج شده شمارندة زاويه يكي اضافه و يا كم گردد. براي جلوگيري از شمارش اشتباه (بر اثر نويز موجود در سيگنالهاي انكودر) فيلتر ديجيتال شامل يك فيلتر پايينگذر و يك Schmitt Trigger با فاصلة Hysteresis مناسب طراحي و پياده سازي شد. اين عمل توسط نمونه برداري با فركانس زياد و Shift Register و شمارنده و مقايسه كننده صورت ميپذيرد. با توجه به شكل ٤ -الف سيگنال A به يك ثبات ٢٠ بيتي وارد ميشود. با استفاده از بلوك الف از شكل ٤ تعداد 1 هاي موجود در ثبات توسط شمارنده به دست ميا يد. هرگاه تعداد 1 هاي اين بافر از ١٢ بيشتر شود خروجي سيگنال 1 PA ميگردد هرگاه تعداد 0 هاي اين بافر از ١٢ بيشتر شود خروجي سيگنال 0 PA ميگردد (شكل ٤ ب-.( اين فيلتر ديجيتال بر سيگنالهاي B و Z نيز اعمال ميگردد پس از ا ن توسط بلوك ج از شكل CLK ٤ شمارنده و جهت شمارش توليد ميشوند. حال اگر فرض كنيم انكودر ٢٠٠٠ پالس بر دور بزند و حداكثر با سرعت ٥٠ دور بر ثانيه بچرخد سيگنالهاي A و B حداكثر داراي فركانس ١٠٠ KHz خواهند شد. با استفاده از فيلتر فوق بايد ١٣ يك و يا ١٣ صفر در زمان ٥µs داشته باشيم در اين صورت فركانس نمونه برداري برابر ٢/٤MHz خواهد شد. فيلتر فوق در صورتي خطا ميكند (يعني در حالت اشتباه باقي ميماند و يا به يك حالت اشتباه ميرود) كه حداقل ٧ بيت خطا در بافر موجود باشد در نتيجه احتمال خطاي فيلتر عبارت است از: (١) به طوري كه p احتمال بروز خطا در يك بيت ميباشد. به عنوان مثال اگر p=٠/٠١ باشد احتمال خطاي فيلتر از رتبة -١٠ ١٠ ميباشد. اهميت اين مسا له هنگامي بيشتر درك ميشود كه بدانيم به ازاي هر شمارش اشتباه دقت انكودر به نصف دقت فعليش تقليل مييابد. البته با دريافت صحيح سيگنال Z هرگونه خطاي احتمالي تصحيح ميگردد. ٤- نمايش و پردازش تصاوير با بررسیهای به عمل ا مده بر روی نرمافزارهای مختلف موجود در زمينه انجام پردازش تصوير و بررسی توانايی ا نها برای انجام عمليات خاص برای جراحی مغز و اعصاب و امکان گسترش و افزودن توانايیها و توابع مورد نياز و همچنين زبان برنامه نويسی مورد استفاده نرمافزار 3D Slicer به عنوان نرمافزار پايهای مورد استفاده قرار گرفت و بر اساس ا ن نرمافزار 3DUT Slicer توسعه يافت [١٠]. زبان برنامه نويسی مورد استفاده در اين نرمافزار TCL/TK بوده و برای انجام عمليات پردازشی از Toolkit) VTK (Visualization استفاده شده است. اين نرم افزار اين قابليت را به کاربر میدهد تا امکانات مورد نياز خود را به سيستم اضافه کند. در واقع با استفاده از توابع جامع و کاملی که برای انجام عمليات رياضی و پردازشی در VTK در نظر گرفته شده و همچنين توانايی بالای TCL/TK برای انجام عمليات گرافيکی يک روش مشخص و مناسب برای انجام عمليات مورد نظر در اختيار برنامهنويس قرار ميگيرد که با استفاده از اين روش و الگوريتم ميتوان عمليات مورد نظر را بر روی نرمافزار پياده کرد و توانايی مورد نظر را به نرمافزار افزود. توابع استفاده شده در قسمت پردازش تصوير دارای دقت بالايی بوده و علاوه بر اين سعی شده است که سرعت مناسبی نيز داشته باشند. اين توابع يک مجموعه استاندارد بوده و به صورت دايمی بر تعداد ا نها افزوده شده و همچنين توابع موجود نيز بهتر ميشوند. يک قابليت مهم اين توابع امکان دخل و تصرف در ا نها و همچنين افزودن توانايیها و يا تغيير ساختار در ا نها است. اين توابع بر اساس اصول برنامه نويسی شیگرا نوشته شده و در نتيجه در صورت استفاده از فرمتها جديدتر به راحتی میتوان عمليات مورد نظر را بر روی ا نها بارگذاری کرد و همچنين از خاصيت مهم ارثبری استفاده کرد. بنابر اين به طور کلی سيستم پردازشي مورد استفاده دارای تواناييهای اوليه مناسبي بوده که برای انجام عمليات پردازشی بسيار مناسب بوده و علاوه بر اين اين امکان را به نرمافزار نويس ميدهد تا امکانات مورد نياز خود را به سيستم اضافه کند. از طرف ديگر قسمت گرافيکی نيز به نحوی در نظر گرفته شده است تا امکانات اوليه مورد نياز به صورت مشخص وجود داشته و بتوان از توابع مربوط به ا نها برای انجام کارهای مورد نظر استفاده کرد. در واقع با استفاده از يکی از خواص بسيار مهم و کاربردی TCL/TK که همان امکان استفاده از چند فايل جداگانه برای انجام عمليات مختلف است اين امکان در اختيار برنامه نويس قرار گرفته است تا با استفاده از اين قابليت بتواند توابع خاصی را که فکر میکند به ا نها نياز وافری دارد را به صورت مشخص و کلی تهيه کرده و از ا نها به صورت دايمی استفاده کند. برای مثال يکی از مهمترين کارهايی که در يک نرمافزار پردازش تصوير و جراحی مغز و اعصاب مطرح است امکان انتخاب رنگ دلخواه است. اين توانايی لازم است در قسمتهای مختلف وجود داشته و مورد استفاده قرار بگيرد. با استفاده از اين نرمافزار اين امکان برای نرمافزار نويس بوجود ميا يد که با استفاده از اين قابليت بتواند برای سيستم خود توابع خاصی را که کاربرد زيادی دارند به صورت مجزا تهيه کرده و از ا ن در موارد مورد نياز استفاده کند. VTK -١-٤ VTK در واقع مجموعهاي از كلاسه يا پردازشي بر روي تصاوير نوشته شده است ++C است كه براي انجام كارهاي [١١]. در بسياري از كارهاي پردازشي كه بر روي تصاوير انجام ميشود از اين كلاسها استفاده ميشود. VTK در P( Error) = 19 i= 7 19 p i i ( 1 p) 19 i

6 موارد متعددی کاربرد دارد که از ا ن جمله می توان به 3D Computer Graphics و Image Processing و Visualization اشاره کرد. VTK بسياری از الگوريتم های نمايشی را در بر دارد. برای مثال می توان به روش های scalar وvector وtensor وtexture و volumetric اشاره کرد. VTK از الگوريتم های پيشرفته ديگری مثل مدلهای مجازی و روشهای کاهش تعداد چندضلعی ها (Polygons) و نرم کردن مش و بسياری از الگوريتمهای ديگر استفاده می کند. در طراحی VTK اصول برنامه نويسی شیگرا کام لا رعايت شده است و در نتيجه امکان بنا نهادن روش های جديد بر اساس برنامه های قبلی به راحتی وجود دارد. اين کلاسها در سيستم عاملهای Windows وUnix قابل استفاده هستند. به طور کلی VTK دارای بيش از ٢٠٠٠٠٠ خط برنامه است. VTK دارای مزايای بسيار زيادی است که در اينجا به چند مورد اشاره می کنيم : TCL/TK -٢-٤ TCL بهينه بودن کدها ارتباط بسيار راحت با کدها ا سان بودن گسترش برنامه ها در دسترس بودن Help های کامل که همان Tool Command Language است يک زبان مفسر است که برای کنترل کردن و نمايش برنامه ها ساخته شده است [١٢]. در واقع TCL در نهايت به يک مجموعه کد C تبديل می شود. با روی کار ا مدن سيستم عامل ويندوز و برای استفاده مناسب از TK TCL بوجود ا مد. در واقع TK مدل تحت ويندوز TCL است. با کمک TK امکان ايجاد پنجرههايی که در سيستمهای ويندوز متداول هستند وجود دارد. نکته مهم در مورد TCL/TK اين است که کدهای نوشته شده برای يک سيستم عامل در يک سيستم عامل ديگر قابل استفاده است. برای مثال کد نوشته شده برای سيستم عامل ويندوز در سيستم عامل Unix قابل استفاده است و برعکس. با ترکيب TCL و TK ميتوان به چهار امکان بسيار مهم دست يافت که در اين قسمت به اين موارد اشاره می کنيم : يک زبان مفسر بسيار قوی : برای انجام يک کار بسيار حجيم می توان از چند خط برنامه که با TCL/TK نوشته شده استفاده کرد. سپس می توان با مفسر اين کد را با برنامه اصلی ترکيب کرد. رشد بسيار سريع : با استفاده از اين مفسر می توان در مدت زمان بسيار کوتاهی برنامه های بسيار کاملی تهيه کرد که در مرحله بعد قابل تبديل به کد C است. در نتيجه نيازی به استفاده مستقيم از C نيست. تست ا سان : با توجه به اينکه در اينجا از يک زبان مفسر استفاده می شود برای رفع ايراد برنامه نيازی به Compile مجدد برنامه نيست و در هنگام اجرا میتوان ايرادات احتمالی را برطرف کرد. ا موزش راحت : با نوشتن چند برنامه ميتوان از ا نها برای نوشتن برنامه های ديگر استفاده کرد. در واقع با بکار بردن چند دستور کليدی امکان تهيه برنامه های بسيار قوی وجود دارد. 3DUT Slicer -٣-٤ در اين قسمت به بررسی قسمت های مختلف نرم افزار 3DUT Slicer میپردازيم. همانطور که در شکل ٥ مشاهده می شود در اين نرم افزار امکان مشاهده سه تصوير دو بعدی و همچنين محيط سه بعدی برای نمايش حجمی جسم در نظرگرفته شده است. اولين اقدام Load کردن اطلاعات مربوط به تصاويری است که بر روی ا نها می خواهد عمليات خاصی انجام بگيرد. برای اين کار نياز به استفاده از يک سری داده با فرمت اسمی مشخص است. البته در صورتی که بخواهيم از اطلاعات تصويری DICOM استفاده کنيم نيازی به استفاده از يک فرمت خاص برای تصاوير نيست و همان استانداردهای DICOM قابل استفاده است. مراحل انجام كار بعد از بارگزاري به صورت زير است: :Thresholding در اين قسمت با استفاده از دوسطح ا ستانه امكان انجام اين عمل بر روي يك يا همة برشهاي موجود ميباشد. با استفاده از اين روش ميتوان قسمتهاي مختلفي از مغز را به راحتي جدا كرد. به عنوان مثال ميتوان استخوان و مغز را از هم جدا كرد. يك كار بسيار مهم و اساسي كه ميتوان با استفاده از اين گزينه انجام داد اعمال سطح ا ستانه براي همة برشها است. با اين كار ميتوان به سرعت يك حجم خاص را جداسازي كرد. البته برای داشتن دقت بسيار زياد نه تنها استفاده از اين روش مناسب نيست بلكه استفاده از خود Thresholding نيز ميتواند منجر به كاهش دقت شود. بنابر اين استفاده از اين روش به كاربرد ا ن بستگي داشته و بايد به ا ن توجه كرد. :Remove Island با استفاده از اين ابزار بسيار مفيد ميتوان در يك يا همة برشها سطوح با مساحتهاي كمتر از حد تعيين شده در داخل يك سطح با يك رنگ مشخص را از بين برد. در واقع اين روش بعد از استفاده از Thresholding بسيار مفيد بوده و باعث از بين رفتن ناخالصيهاي موجود در سطح مورد نظر ميشود. :Measure Island در برخي موارد لازم است كه حجم قسمتهاي جدا شده محاسبه شود. براي انجام اين كار كافي است داخل بافت مورد نظر موس را فشار دهيم. در نتيجه حجم و تعداد پيكسلهاي موجود را نشان ميدهد. براي اين كار برنامه تعداد پيكسلها در دو جهت را اندازه گرفته و سپس در اندازه پيكسل ضرب کرده و سپس در اندازة ضخامت برش ضرب می نمايد. :Erode از اين ابزار براي انجام عمليات مورفولوژيکی Erode/Dilate استفاده ميشود. در واقع با Erode ميتوان براي حذف پيكسلهايي كه در اطراف سطح انتخاب شده قرار دارند استفاده کرد. از Dilate براي گسترش دادن يك سطح در اطراف خود استفاده می شود. Erode وقتي مناسب است كه كه در يك كاربرد خاص نياز به حذف قسمتهاي مياني براي جدا كردن دو قسمت متفاوت لازم

7 شکل ۵- صفحة اصلي نمايش نرمافزار و نحوة ارتباط از طريق. Socket باشد. بر عكس Dilate وقتی مناسب است كه دو قسمت كه داراي شرايط يكسان هستند و در كنار هم قرار دارند لازم است با هم تركيب شوند. :Draw در برخي موارد براي جداسازي قسمتهاي خاص بايد از روشهاي كام لا غير خودكار استفاده كرد. در اين موارد با استفاده از اين ابزار ميتوان سطوح مورد نظر را به صورت دستي مشخص كرد و براي ا ن از رنگ مورد نياز استفاده كرد و در پايان با استفاده از دستورهاي مشخص تمام سطح داخل محيط انتخاب شده را با رنگ خاص مشخص كرد. بعد از انجام كارهاي جداسازي كه در قسمت قبل در مورد برخي از ا نها توضيح داده شد نياز به بدست ا وردن يك مدل سه بعدي از قسمتهاي جدا شده است. براي اين كار از Model Maker استفاده ميشود. براي اين كار با انتخاب دسته داده مورد نظر و سپس انتخاب سطوح مشخص شده در ا ن با رنگ و با استفاده از دستور Create ميتوان يك مدل حجمي بدست ا ورد. در مورد همة سطحهايي كه مشخص شده ميتوان اين كار را انجام داد و در نتيجه مجموعهاي از مدلهاي مختلف را به شكل سه بعدي مشاهده كرد. در ادامه براي هر يك از قسمتهاي مختلف كه مدل براي ا نها بدست ا مده ميتوان از دستور Smooth براي نرم كردن سطح حاصله استفاده كرد. همچنين ميتوان از ماتريسهاي خاصي كه براي تبديل فضاها بهكار ميرود براي تبديل مدل بدست ا مده و انتقال ا ن در فضاي سهبعدي استفاده كرد. بعد از انجام اين كار براي انجام عمل انطباق ميتوان از Matrices استفاده كرد. در اين مرحله هم ميتوان از روشهاي غير خودكار يا روشهاي خودکار مبتني بر Mutual Information استفاده كرد. در هريك از اين موارد بايد يك ماتريس ٤ ٤ مشخص شود كه نمايش دهندة تبديل لازم براي انجام عمل انطباق است. البته ميتوان براي بدست ا وردن اطلاعات مربوط به انطباق از اطلاعات موجود در Header تصاوير در دسترس نيز استفاده كرد كه اين مورد فقط در موارد خاصي قابل استفاده است. در مرحلة بعد بايد از مجموعه اطلاعات بدست ا مده براي عمل جراحي استفاده كرد. براي اين كار بايد بتوان وسيلة جراحي را به شكل مناسبي مدل كرد و در هر لحظه از موقعيت دقيق ا ن مطلع شد. براي انجام اين كار از Locator استفاده ميشود. براي انجام اين كار ميتوان اندازه و ابعاد و حتي رنگ مناسب را براي وسيلة جراحي مورد نظر مشخص كرد.

8 ٦- مراجع [1] David T. Gering, A System for Surgical Planning and Guidance Using Image Fusion and Interventional MRI, Ms Thesis, Massachuset institute of Technology, boston, USA, December [2] Philipe St-Jean, Abbas F. Sadikot, Louis Collins, Diego Clonda, Reza Kasrai, Alan C. Evans, and Terry M. Peters, Automated atlas integration and interactive three dimensional visualization tools for planning and guidance in functional neuro-surgery, IEEE Transaction on Medical Imaging, Vol. 17, No. 5, pp , October [3] Wieslaw L. Nowinski, Guo Liang Yang, and Tseng Tsai Yeo, Computer-aided stereotactic functional neurosurgery enhanced by the use of the multiple brain atlas database, IEEE Transaction on Medical Imaging, Vol. 19, No. 1, pp , January [4] H.Schiffbauer, "Neuronavigation in Brain Tumor Surgery", Oulu University Library, [5] D.A.Simon, "Intra-operative position sensing and tracking devices", 13th Conference of the Irish Manufacturing Committee, pp , 1996 [6] Y. Kosugi, E. Watanabe, J. Goto, T.Watanabe, S.Yoshimoto, K.Takakura, J.Ikebe, An articulated neurosurgical navigation system using MRI and CT images, IEEE Transactoins on Biomedical Engineering, pp , [7] M. D. Chen, T. Wang, Q. X. Zhang, Y. Zhang, Z. M. Tian, "A robotic system for stereotactic neurosurgery and it s clinical application", Proceedings of IEEE Conference on Robotics and Automation, pp , [8] M.Khaleghian, M.Nili, Powered Condition Number: A unified index for optimal pose selection in manipulator kinematic calibration, Submitted to IEEE Conference on Robotics and Automation, [9] Last Visited [10] Last Visited [11] Last Visited [12] Last Visited سپس بوسيلة روش هاي مختلف ميتوان اطلاعات دقيق از محل ابزار جراحي را بدست ا ورد و ا ن را به شكل مناسب در محيط سه بعدي نمايش داد. براي مديريت محل ابزار نيز ميتوان هم از اطلاعات ذكر شده در مرحلة قبل استفاده كرد و هم ميتوان موقعيت ا ن را به صورت دستي نمايش داد. در مورد تصاوير برشها نيز ميتوان از روشهاي مختلفي كه قب لا ذكر شد استفاده كرد. در اين حالت ميتوان از صفحات عمود بر وسيلة جراحي نيز استفاده كرد. همانطور كه گفته شد مهمترين مساله در جراحي مغز و اعصاب پيدا كردن مسير بهينة جراحي است. براي مشاهدة مسير انتخاب شده ميتوان از Guidance استفاده كرد. در اين مرحله ميتوان با استفاده از دو هدف مشخص كه يكي نقطة ورود و ديگري نقطة هدف را نشان ميدهد براي مشخص كردن مسير استفاده كرد. با استفاده از اين ابزار ميتوان اطلاعاتي كه بر اساس اين مسير در برشهاي مختلف وجود دارد را نمايش داد. براي ارتباط برقرار كردن با وسيلة جراحي نياز به دانستن محل و زاوية وسيله جراحي ميباشد. اين نياز باعث شده است تا روشهاي مختلفي را براي انجام اين كار مورد استفاده قرار گيرند. ازجملة اين موارد ميتوان به ارتباط با فايل و ارتباط با Socket اشاره كرد. در اين مرحله امكان ارتباط بر قرار كردن با فايل و Socket فراهم شده است. در اين مرحله همانطور که نشان داده شده است برای ارتباط از طريق فايل ابتدا ا درس فايلی که بايد از ا ن به عنوان فايل ارتباطی استفاده شود مشخص ميگردد. سپس و در مرحله بعد مدت زمان بين هر دو خوانده شدن از فايل مشخص می گردد. برای ارتباط با Socket نيز نياز به مشخص شدن ا درس و پورت مورد نظر و همچنين فاصله بين هر دو خواندن از Socket است. ٥- نتيجه با توجه به نياز كشور به دستيابي به تكنولوژي روز براي جراحي مغز و اعصاب نخستين سيستم رباتيكي جراحي مغز و اعصاب طراحي و پيادهسازي شد. پس از طراحي سينماتيكي بازو طراحي و ساخت مكانيكي ربات توسط شركت فرافن انجام گرفت. سخت افزار واسط مورد نياز با نرمافزار MAX PLUS II و نرمافزار واسط و كاليبراسيون نيز توسط++ C Visual طراحي و پيادهسازي شد. نرمافزار نمايش و پردازش تصوير اين سيستم بر پاية نرمافزار 3D Slicer توسعه يافته است. ا زمايشهاي اولية اين سيستم در بيمارستان شهدا توسط دكتر شهرزادي جراح مغز و اعصاب و استاد دانشگاه شهيد بهشتي صورت گرفت كه تقريب ا رضايت بخش بوده است. تصحيحات مربوط به بازو از قبيل اصطكاك وزن و تعادل در حال انجام است.