脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)的研究與系統(tǒng)建立.pdf

1、脊柱手術(shù)是一類風(fēng)險(xiǎn)較大且病例較多的外科手術(shù),在手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)問(wèn)世之前,醫(yī)生在手術(shù)中主要是依靠病人術(shù)前CT斷層圖像或術(shù)中X射線透視獲得病人的解剖信息。雖然這些方法對(duì)手術(shù)起到了一定的輔助指導(dǎo)作用,但是,醫(yī)生需要通過(guò)這些影像在自己頭腦中構(gòu)建人體器官的三維形態(tài)與手術(shù)過(guò)程,手術(shù)質(zhì)量很大程度上依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn),而對(duì)術(shù)中操作是否正確缺少科學(xué)依據(jù)。并且,應(yīng)用術(shù)中X射線透視會(huì)使醫(yī)生與病人受到較大劑量的輻射,增加了手術(shù)的時(shí)間和感染的風(fēng)險(xiǎn)。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)正是

2、為解決上述問(wèn)題而產(chǎn)生的,它以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)建立虛擬現(xiàn)實(shí)空間,結(jié)合三維可視化技術(shù)模擬手術(shù)中的關(guān)鍵步驟,借助空間定位儀跟蹤手術(shù)器械相對(duì)于病變組織的位置關(guān)系,并將其實(shí)時(shí)反映在病人術(shù)前或術(shù)中的影像上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)的引導(dǎo)。該技術(shù)在提高手術(shù)定位精度,減少手術(shù)損傷,降低手術(shù)失誤率方面等有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值,也成為計(jì)算機(jī)輔助治療領(lǐng)域里的重要研究?jī)?nèi)容。
　　 本文以解決脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的建立為研

3、究目的,根據(jù)導(dǎo)航模式不同,分為基于X射線透視圖像的導(dǎo)航、基于CT圖像的三維導(dǎo)航、基于3D/2D配準(zhǔn)的微創(chuàng)導(dǎo)航三部分進(jìn)行了研究。
　　 在第一部分基于X射線透視圖像導(dǎo)航的研究中,本文首先應(yīng)用改進(jìn)后維納濾波以及圖像噪聲綜合抑制方法,對(duì)X射線透視圖像進(jìn)行了預(yù)處理,提高了圖像的清晰度。然后對(duì)X射線成像系統(tǒng)的標(biāo)定算法進(jìn)行改進(jìn),提出一種適用于C型臂X射線透視系統(tǒng)的在線標(biāo)定技術(shù),同時(shí)對(duì)影像增強(qiáng)器引起的圖像失真進(jìn)行了校正。該技術(shù)解決了圖像變形對(duì)

4、導(dǎo)航精度的不利影響,減少了術(shù)前的準(zhǔn)備環(huán)節(jié),提高了C型臂X射線機(jī)應(yīng)用靈活性。最后本文應(yīng)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)建立了基于X射線透視圖像的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
　　 在第二部分基于CT圖像的三維手術(shù)導(dǎo)航中,本文主要解決了圖像三維重建與空間配準(zhǔn)速度較慢的問(wèn)題。首先通過(guò)應(yīng)用基于紋理映射的體繪制方法加快了CT圖像三維重建速度,然后提出應(yīng)用點(diǎn)配準(zhǔn)與迭代最近點(diǎn)配準(zhǔn)結(jié)合的方法進(jìn)行CT圖像空間到病人空間的配準(zhǔn),并對(duì)迭代最近點(diǎn)算法進(jìn)行了改進(jìn),通過(guò)構(gòu)造最小外接球樹(shù)進(jìn)

5、行最近點(diǎn)尋找的方法,提高了配準(zhǔn)精度與效率?；谏鲜鲫P(guān)鍵技術(shù)建立了三維手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
　　 本文的第三部分是圍繞著在微創(chuàng)條件下進(jìn)行脊柱手術(shù)導(dǎo)航工作而開(kāi)展的。微創(chuàng)手術(shù)是脊柱外科發(fā)展的重要方向,對(duì)手術(shù)導(dǎo)航也提出了新的要求。
　　 本文通過(guò)將CT圖像(3D)與X射線透視圖像(2D)的配準(zhǔn),解決了傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航中的開(kāi)放式配準(zhǔn)與微創(chuàng)手術(shù)相矛盾的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)條件下的手術(shù)導(dǎo)航。在配準(zhǔn)的步驟中,本文提出一種適用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航的3D/

6、2D分步式配準(zhǔn)方法。首先應(yīng)用點(diǎn)特征、面特征進(jìn)行快速粗配準(zhǔn),對(duì)配準(zhǔn)誤差進(jìn)行限制,然后采用一種基于圖像梯度特征的配準(zhǔn)算法進(jìn)行精配準(zhǔn),這種算法是根據(jù)CT圖像梯度在成像平面的投影強(qiáng)度構(gòu)造最優(yōu)化函數(shù),能獲得較穩(wěn)定的局部極值,減小了X射線圖像對(duì)配準(zhǔn)精度的影響,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外,由于該算法只對(duì)形成圖像邊緣的光線進(jìn)行追蹤,因此配準(zhǔn)速度得到了大幅提升。
　　 通過(guò)以脊柱標(biāo)本為模型的導(dǎo)航實(shí)驗(yàn),本文分別對(duì)三類導(dǎo)航系統(tǒng)的注冊(cè)誤差,定位誤差,準(zhǔn)備