CN112807084A - 用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法及导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法及导航方法,该颅脑穿刺路径建立方法包括:基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型;在颅脑模型中识别若干特征点;根据经确认的特征点的几何特征构建颅脑模型的三维坐标系;基于所述颅脑模型识别定位乳突后缘最高点,并根据乳突后缘最高点在所述颅骨皮肤轮廓上生成外部穿刺点;在颅脑模型中生成危险区域;基于危险区域和外部穿刺点建立穿刺路径。根据本发明的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法及导航方法,能够有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径,尤其有助于提高脑干出血引流手术的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及神经外科导航技术及颅脑影像数据的处理,尤其涉及一种用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法及导航方法。
背景技术
脑干因为其掌管心血管运动、呼吸、吞咽、呕吐等重要生理活动,并且是连接大脑和脊髓的特殊桥梁,一旦受损,会危及生命。在此部位发生脑出血致死率约占40%~50%,手术风险极大,难度也极高。
目前针对脑干出血这一神经外科临床上的治疗难题,第一种方法是采用立体定向微创穿刺引流术进行治疗,对于早期、超早期脑干出血病例,立体定向穿刺引流术的治疗效果相对较好,穿刺置管引流术不需开颅,操作简化,手术时间短,对正常组织的损伤小,已成为基底节、脑叶、小脑等部位出血日趋主流的手术方式,但脑干解剖及功能的特殊性,脑干出血穿刺置管引流术的临床应用相对较少。脑干出血部位深,周围神经血管密集,对于操作者要求高,手术过程中风险大,对于临床来说难以普及。
第二种方法是结合先进的神经外科导航技术在手术中进行辅助定位和导向。该种技术确实使得手术安全性极大提高,通过计算机虚拟成像技术,在手术过程中能为医生提供更多过程参照。虽然导航技术能够有效降低手术过程中的风险,但穿刺术的路径是一条直线,且为盲穿,因此与开颅手术不同,穿刺术的入路选择相对较少。根据一些文献报道,此种穿刺术多采用经枕下小脑入路,适用于血肿位于桥脑,穿刺点位于横窦下,中线与乙状窦之间,引流管经小脑半球进入,到达脑干血肿腔,此穿刺路径较长,途经重要结构多,其有效性、安全性及入路选择,需待更多病例进一步研究。
就目前已经开展的脑干出血手术,在实施过程仍旧存在以下几点问题:
1.手术入路点均从颅骨后侧幕上进入,但没有详细准确解剖位置描述,由于个体差异和医生经验判断不同,不同穿刺入路通道经过的穿刺区域对于患者脑损伤程度不同,导致手术后患者恢复情况不一致;
2.手术仍旧需要医生事先做好充分准备和预案,在三维图像上选择穿刺入路点因成像效果与实际存在差异性,影响置管的准确性;
3.导航中无法显示出危险区域,使得医生在设计通道时容易忽视一些不能穿刺位置或方向,这样危险区域诸如:小脑神经核团、丘脑(灰质神经核团)、横窦和矢状窦,而手术过程中一旦触及或者损伤这些区域,会导致术后患者丧失基本生理功能。
因此,亟需一种能够有效辅助医生快速、准确、安全地建立用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径的新的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的脑干出血手术的导航方法,无法有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径,进而导致置管的准确性不高以及过于依赖医生的临床经验因而手术风险相对较高的缺陷,提出一种新的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法及导航方法。
本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的:
本发明提供了一种用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法,其特点在于,所述颅脑穿刺路径建立方法包括以下步骤:
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型,其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤轮廓和颅脑的出血区域;
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点,并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征,所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置;
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系;
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点,并基于所述乳突后缘最高点、所述颅脑模型中的正中矢状面、听眦线以及所述颅骨皮肤轮廓,在所述颅骨皮肤轮廓上生成外部穿刺点;
S5、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,结合颅脑的参考解剖信息,在所述颅脑模型中生成危险区域;
S6、基于所述危险区域和所述外部穿刺点在所述颅脑模型中建立穿刺路径,所述穿刺路径始于位于所述外部穿刺点,并且所述穿刺路径避开所述危险区域。
根据本发明的一些实施方式,所述特征点包括以下部分或全部:
外眦点、外耳道中心、鼻骨跟、各块颅骨、各个颅骨关节、各个骨性标志、腔、窝。
根据本发明的一些实施方式,所述步骤S3中,以构建的所述颅脑模型的三维坐标系代替所述医学影像数据中的颅脑的横截面、矢状面和冠状面。
根据本发明的一些实施方式,所述步骤S5包括:
基于颅脑的参考解剖模型与所述颅脑模型的比对,在所述颅脑模型中生成危险区域,其中所述参考解剖模型包含所述参考解剖信息。
根据本发明的一些实施方式,所述步骤S5中生成的所述危险区域包括神经核团区域、神经区域和血管区域。
根据本发明的一些实施方式,所述步骤S4包括:
基于所述颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点;
基于所述颅脑模型及其三维坐标系,确定其中显示的正中矢状面和听眦线;
基于所述颅脑模型确定一段皮质骨表面轮廓线段,所述皮质骨表面轮廓线段始于所述乳突后缘最高点,终于自所述乳突后缘最高点向所述正中矢状面方向延伸到达的与所述正中矢状面的交点;
通过与颅脑的参考解剖信息相关联的预设分割算法,求得所述皮质骨表面轮廓线段上的关键参考点;
自所述关键参考点,建立与所述听眦线垂直的第一平面和与所述听眦线平行的第二平面;
计算确定所述第一平面和所述第二平面的相交线;
计算所述相交线和所述颅骨皮肤轮廓的交点作为所述外部穿刺点。
根据本发明的一些实施方式,所述步骤S6中生成多条所述穿刺路径以供选取及手动修改;
所述颅脑穿刺路径建立方法还包括:
S7、检查被选取或手动修改的所述穿刺路径是否安全,并输出反馈信息。
本发明还提供了一种计算机程序,其包括用于在计算机上运行所述程序时执行如上所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤的程序代码装置。
本发明还提供了一种计算机程序产品,其包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置,所述程序代码装置用于在计算机上运行所述程序产品时执行如上所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤。
本发明还提供了一种颅脑影像数据的数据处理方法,其特点在于,所述数据处理方法包括:
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型,其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤轮廓和颅脑的出血区域;
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点,并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征,所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置;
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系;
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点,并基于所述乳突后缘最高点、所述颅脑模型中的正中矢状面、听眦线以及所述颅骨皮肤轮廓,在所述颅骨皮肤轮廓上生成外部穿刺点;
S5、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,结合颅脑的参考解剖信息,在所述颅脑模型中生成危险区域;
S6、基于所述危险区域和所述外部穿刺点在所述颅脑模型中建立穿刺路径,所述穿刺路径始于位于所述外部穿刺点,并且所述穿刺路径避开所述危险区域。
本发明还提供了一种用于治疗脑干出血的导航方法,其特点在于,所述导航方法包括执行如上所述的颅脑穿刺路径建立方法建立所述颅脑模型、所述穿刺路径及所述外部穿刺点,并且所述导航方法还包括:
实时跟踪器械的位置,并与所述颅脑模型进行对比,根据对比结果反馈所述器械沿各个方向的安全距离。
在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于:
根据本发明的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法及导航方法,能够有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径,使得医生能够更为快速地制定精准、完善、安全的手术计划,尤其有助于提高脑干出血引流手术的安全性及提高置管的准确性。
附图说明
图1为根据本发明优选实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法的流程图。
图2为根据本发明优选实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法中的步骤S4的子步骤流程图。
图3示出了根据本发明优选实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法中基于鼻骨跟、左右外耳道中心确定方体定位坐标系及其坐标系原点所依据的颅骨解剖图的示例。
图4示出了为根据本发明优选实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法中依据图3确定的方体定位坐标系及其坐标系原点的示例。
具体实施方式
下面结合说明书附图,进一步对本发明的优选实施例进行详细描述,以下的描述为示例性的,并非对本发明的限制,任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中,方向性的术语,例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等,参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向,方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
参考图1-2所示,根据本发明较佳实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法,可包括以下步骤:
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型,其中医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤轮廓和颅脑的出血区域;
S2、在颅脑模型中识别若干特征点,并请求确认或手动修改特征点在颅脑模型中的几何特征,几何特征包括特征点在颅脑模型中的位置;
S3、根据经确认或经手动修改的特征点的几何特征构建颅脑模型的三维坐标系;
S4、基于颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点,并基于乳突后缘最高点、颅脑模型中的正中矢状面、听眦线以及颅骨皮肤轮廓,在颅骨皮肤轮廓上生成外部穿刺点;
S5、基于颅脑模型及其三维坐标系,结合颅脑的参考解剖信息,在颅脑模型中生成危险区域;
S6、基于危险区域和外部穿刺点在颅脑模型中建立穿刺路径,穿刺路径始于位于外部穿刺点,并且穿刺路径避开危险区域。
参考图2所述,根据本发明的一些优选实施方式,该步骤S4可具体包括以下子步骤:
基于颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点;
基于颅脑模型及其三维坐标系,确定其中显示的正中矢状面和听眦线;
基于颅脑模型确定一段皮质骨表面轮廓线段,皮质骨表面轮廓线段始于乳突后缘最高点,终于自乳突后缘最高点向正中矢状面方向延伸到达的与正中矢状面的交点;
通过与颅脑的参考解剖信息相关联的预设分割算法,适当地分割该皮质骨表面轮廓线段,从而求得皮质骨表面轮廓线段上的关键参考点;
自关键参考点,建立与听眦线垂直的第一平面和与听眦线平行的第二平面;
计算确定第一平面和第二平面的相交线;
计算相交线和颅骨皮肤轮廓的交点作为外部穿刺点。
其中,进一步优选地,识别定位该乳突后缘最高点,可具体通过识别颅脑模型的图像中的乳突外轮廓形状及内部多孔“气房”形态,进而确定该乳突后缘最高点在图像中的具体位置,从而完成对该乳突后缘最高点的识别定位。
其中,医学影像数据例如可以是涉及的病例正常拍摄的dicom影像数据,诸如CT影像、MRI影像,等等。并且可选地,针对该颅脑模型,可手动调整显示参数,以便于更准确地识别颅脑中的单个或者多个血肿(即出血区域)
根据本发明的一些优选实施方式,特征点包括以下部分或全部:外眦点、外耳道中心、鼻骨跟、各块颅骨、各个颅骨关节、各个骨性标志、腔、窝。在此所称的特征点,可以指的是这些特征点相关的几何中心点。并且优选地,该步骤S3中,以构建的颅脑模型的三维坐标系代替医学影像数据中的颅脑的横截面、矢状面和冠状面。
步骤S2和S3中,举例来说,可具体依据颅脑模型涉及的图像信息识别外眦点。在如图3、4所示的示例中,可依据图像信息建立外耳道连线,建立虚拟的“OM”连线与双侧外耳道(左外耳道中心EL与右外耳道中心ER)连线,并依次设定为三维直角坐标系(也可理解为方体定位参照系)的XY平面,并以外耳道连线中点垂直于该平面建立Z轴,并由此建立颅脑模型的三维坐标系,以代替原始的影像中的横截面(即OM连线与外耳道连线形成的平面)、矢状面和冠状面。其中,应理解的是“OM”连线即听眦线,为眼外眦与外耳道口的连线。还应理解的是,特征点的选择不限于以上示例。
根据本发明的一些优选实施方式,步骤S5可包括:
基于颅脑的参考解剖模型与颅脑模型的比对,在颅脑模型中生成危险区域,其中参考解剖模型包含参考解剖信息。
对于上述本发明的优选实施方式,参考解剖信息或者参考解剖模型与前述步骤中重构的颅脑模型的三维坐标系具有一致的参考坐标系基准,以便于比对生成危险区域和可穿刺区域。换言之,尽管不同个体的颅脑有一定的差异,但在经由关键解剖点/解剖学特征(可由前述选取的特征点表征)进行匹配或者说校准后,仍可对不同个体的颅脑基于颅脑的参考解剖模型进行分析,以确定危险区域和可穿刺区域。进一步地,可按照不同形态、大小和位置的血肿,于颅骨皮肤轮廓突出显示出合适的可穿刺区域和可穿刺点位。
穿刺路径可经过程序演算生成,其基本原则为优先选择靠近血肿病变位置,诸如可以是穿过小脑但不触及小脑神经核团和周围神经血管(危险区域)的路径。
其中,步骤S6中可生成多条穿刺路径以供选取及手动修改;
并且颅脑穿刺路径建立方法还包括:
S7、检查被选取或手动修改的穿刺路径是否安全,并输出反馈信息。
另外,根据本发明的一些优选实施方式还可提供一种用于治疗脑干出血的导航方法,该导航方法包括以前述任意一种颅脑穿刺路径建立方法建立颅脑模型、穿刺路径及外部穿刺点,并且通过实时跟踪手术器械的位置,并与颅脑模型进行对比,根据对比结果反馈手术器械沿各个方向的安全距离,诸如在颅脑模型的三维图像中实时显示手术器械当前所处位置对应的危险区域边界,或者各个方向的危险区域或安全距离,等等。
根据一些优选实施方式,该导航方法中,还可利用软件根据影像时间和颅内压力提示血肿轮廓的变化情况,或者,可以根据ICP压力值,计算单位时间内使用导管以后引出的引流液体积,从而为临床治疗脑干出血提供参考依据。
并且,还应理解的是,在本申请中所称的“用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法”,旨在为了使得阅读本申请的本领域普通技术人员或者其他公众便于理解,本申请所要求保护及描述的方法,在实际应用中可帮助改进现有的神经外科导航技术的诸多应用,但本申请所要求保护的技术方案的实质,在于颅脑影像数据的数据处理技术,因而本申请的实质及其创新均不涉及疾病的治疗方法或者诊断,而仅仅是可以被应用于相关领域中。
换言之,在本申请中所称的“用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法”及出于说明而非限制性目的描述的颅脑影像数据的数据处理方法的前述诸实施方式及示例,均可被理解为是“颅脑影像数据的数据处理方法”。
还应当理解的是,根据本发明的上述可选实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法,可形成计算机程序,该计算机程序包括用于在计算机上运行程序时执行上述颅脑穿刺路径建立方法中的部分或所有步骤的程序代码装置。
亦或者,根据本发明的上述可选实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法,可形成计算机程序产品,该计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置,该程序代码装置用于在计算机上运行该计算机程序产品时执行上述颅脑穿刺路径建立方法中的部分或所有步骤。
根据本发明的上述各实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法、系统及相关计算机程序或程序产品,可以有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径,以便医生能够更为快速地制定精准、完善、安全的手术计划,减轻医生的工作量和工作压力,尤其有助于提高颅脑穿刺引流手术的安全性。
更具体地,根据本发明的上述各实施方式的用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法、系统及相关计算机程序或程序产品,相比于现有技术可实现以下诸多技术优势中的至少一部分:
只需病例拍摄的dicom数据,医生无需借助多种影像融合技术才能够准确辨别可穿刺路径,也无需多次进行影像数据采集等特殊处理,就能够提供可靠的穿刺路径;
在一些关键步骤上引入人机交互,使医生可以按照个体差异排除一些影响因素,同时将复杂的定位过程大部分通过可预先编制的程序实现;
手术计划更加精准、安全,能够针对不同位置的血肿给出合理、安全的穿刺通道,这些可穿刺通道可避免对脑功能区和血肿大面积损伤;
手术计划更加简单、完善,降低手术中寻找穿刺路径难度,简化医生实施手术前的工作量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这些仅是举例说明,本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式做出多种变更或修改,而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种用于脑干出血手术导航的颅脑穿刺路径建立方法,其特征在于,所述颅脑穿刺路径建立方法包括以下步骤:
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型,其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤轮廓和颅脑的出血区域;
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点,并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征,所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置;
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系;
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点,并基于所述乳突后缘最高点、所述颅脑模型中的正中矢状面、听眦线以及所述颅骨皮肤轮廓,在所述颅骨皮肤轮廓上生成外部穿刺点;
S5、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,结合颅脑的参考解剖信息,在所述颅脑模型中生成危险区域;
S6、基于所述危险区域和所述外部穿刺点在所述颅脑模型中建立穿刺路径,所述穿刺路径始于位于所述外部穿刺点,并且所述穿刺路径避开所述危险区域。
2.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法,其特征在于,所述特征点包括以下部分或全部:
外眦点、外耳道中心、鼻骨跟、各块颅骨、各个颅骨关节、各个骨性标志、腔、窝。
3.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法,其特征在于,所述步骤S3中,以构建的所述颅脑模型的三维坐标系代替所述医学影像数据中的颅脑的横截面、矢状面和冠状面。
4.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法,其特征在于,所述步骤S5包括:
基于颅脑的参考解剖模型与所述颅脑模型的比对,在所述颅脑模型中生成危险区域,其中所述参考解剖模型包含所述参考解剖信息。
5.如权利要求4所述的颅脑穿刺路径建立方法,其特征在于,所述步骤S5中生成的所述危险区域包括神经核团区域、神经区域和血管区域。
6.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法,其特征在于,所述步骤S4包括:
基于所述颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点;
基于所述颅脑模型及其三维坐标系,确定其中显示的正中矢状面和听眦线;
基于所述颅脑模型确定一段皮质骨表面轮廓线段,所述皮质骨表面轮廓线段始于所述乳突后缘最高点,终于自所述乳突后缘最高点向所述正中矢状面方向延伸到达的与所述正中矢状面的交点;
通过与颅脑的参考解剖信息相关联的预设分割算法,求得所述皮质骨表面轮廓线段上的关键参考点;
自所述关键参考点,建立与所述听眦线垂直的第一平面和与所述听眦线平行的第二平面;
计算确定所述第一平面和所述第二平面的相交线;
计算所述相交线和所述颅骨皮肤轮廓的交点作为所述外部穿刺点。
7.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法,其特征在于,所述步骤S6中生成多条所述穿刺路径以供选取及手动修改;
所述颅脑穿刺路径建立方法还包括:
S7、检查被选取或手动修改的所述穿刺路径是否安全,并输出反馈信息。
8.一种计算机程序,其包括用于在计算机上运行所述程序时执行如权利要求1-7中任意一项所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤的程序代码装置。
9.一种计算机程序产品,其包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置,所述程序代码装置用于在计算机上运行所述程序产品时执行如权利要求1-7中任意一项所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤。
10.一种颅脑影像数据的数据处理方法,其特征在于,所述数据处理方法包括:
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型,其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤轮廓和颅脑的出血区域;
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点,并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征,所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置;
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系;
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,识别定位其中显示的乳突后缘最高点,并基于所述乳突后缘最高点、所述颅脑模型中的正中矢状面、听眦线以及所述颅骨皮肤轮廓,在所述颅骨皮肤轮廓上生成外部穿刺点;
S5、基于所述颅脑模型及其三维坐标系,结合颅脑的参考解剖信息,在所述颅脑模型中生成危险区域;
S6、基于所述危险区域和所述外部穿刺点在所述颅脑模型中建立穿刺路径,所述穿刺路径始于位于所述外部穿刺点,并且所述穿刺路径避开所述危险区域。
11.一种用于治疗脑干出血的导航方法,其特征在于,所述导航方法包括执行如权利要求1-7中任意一项所述的颅脑穿刺路径建立方法建立所述颅脑模型、所述穿刺路径及所述外部穿刺点,并且所述导航方法还包括:
实时跟踪器械的位置,并与所述颅脑模型进行对比,根据对比结果反馈所述器械沿各个方向的安全距离。
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