面向脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人的圖像處理與虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究.pdf

1、脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)通過對病灶坐標的精密計算和對機器人手臂的精確定位控制,幫助醫(yī)生提高手術(shù)精度,保證脊柱微創(chuàng)手術(shù)的安全進行?；贑T圖像導(dǎo)航的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)主要由三部分組成:(1)CT成像設(shè)備；(2)計算機數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)航系統(tǒng)；(3)機器人本體及運動控制系統(tǒng)。其中計算機數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)航系統(tǒng)共包含四個模塊,分別為圖像的采集與處理模塊、虛擬環(huán)境建立模塊、運動規(guī)劃與控制模塊及人機交互界面。其中圖像處理與虛擬環(huán)境建立為本文的主要工作。

2、r>　　 醫(yī)學(xué)圖像處理及虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)對于完善與加強脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的功能,具有十分重要的意義。借助醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù),完成偽影校正、圖像分割等仃務(wù),可有效改進醫(yī)學(xué)圖像的顯示質(zhì)量,協(xié)助醫(yī)生更準確地確定病灶及手術(shù)工具的位置。手術(shù)的虛擬仿真系統(tǒng)可為醫(yī)生建立一個虛擬的治療環(huán)境,在這個虛擬環(huán)境下,醫(yī)生可以觀察病灶位置,對制定的手術(shù)方案進行虛擬仿真,實現(xiàn)對治療方案的評價與完善。圍繞這兩部分工作,本文主要完成以下內(nèi)容:
　　 (1)

3、CT圖像金屬物偽影校正算法研究。脊柱微創(chuàng)手術(shù)時需掃描人體以判斷手術(shù)工具是否已到達病灶部位,金屬材質(zhì)的手術(shù)工具使CT圖像中出現(xiàn)了較大面積的陰影。為解決此問題,本文采用了二次校正的方案,依據(jù)CT設(shè)備成像原理,通過對CT圖像進行“投影-插值-反投影”處理,有效衰減了CT圖像中金屬工具周圍的陰影。在對現(xiàn)有金屬物偽影校正算法深入研究的基礎(chǔ)之上,針對上述方法中的“插值”過程,采用了三次多項式插值算法與非線性權(quán)重校正算法。分別將兩種插值算法應(yīng)用于帶有

4、金屬物偽影的仿真圖像,均取得了較好的實驗結(jié)果。并將其應(yīng)用于二次校正算法中,驗證了兩種插值算法對CT圖像金屬物偽影校正問題的有效性。
　　 (2)基于水平集算法的醫(yī)學(xué)圖像二維分割與三維分割技術(shù)研究。脊柱微創(chuàng)手術(shù)主要是針對骨骼部位完成的手術(shù),因此醫(yī)學(xué)圖像中骨骼的分割對病灶位置的確定及手術(shù)規(guī)劃具有重要的意義。本文提出了多閾值單水平集圖像分割算法,為單水平集函數(shù)設(shè)置多個閾值,通過對單水平集函數(shù)的迭代,不同的閾值將醫(yī)學(xué)圖像分割為多個區(qū)域,

5、其中骨骼作為脊柱微創(chuàng)手術(shù)最感興趣的區(qū)域,被清晰地分割。針對真實醫(yī)學(xué)圖像的實驗表明,通過對參數(shù)的合適選取,該算法可有效地實現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的二維分割與三維分割。
　　 (3)脊柱微創(chuàng)手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)中,手術(shù)工具模型與脊柱模型的碰撞檢測技術(shù)研究。基于脊柱微創(chuàng)手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)中手術(shù)工具與脊柱模型碰撞檢測問題的特殊性,采用了基于距離場的碰撞檢測算法。一方面,將EVDT算法與空間點到三角形最短距離計算算法相結(jié)合,計算脊柱模型的帶符號的三維空間距

6、離場,在對運算效率產(chǎn)生較小影響的前提下,提高了計算結(jié)果的精度。另一方面,針對系統(tǒng)生成的脊柱模型三角面片集合的特殊性,改進了空間點到三角形距離的計算方法及距離場符號確定算法。與已有算法相比,本文算法更適用于由Marching Cubes算法生成的脊柱三角面片模型。
　　 (4)脊柱微創(chuàng)手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)。對CT醫(yī)學(xué)圖像序列采用MarchingCubes算法進行處理,生成脊柱三維模型的三角面片集合,在虛擬環(huán)境中添加手術(shù)工具三