正頜外科手術導航關鍵技術研究及應用系統(tǒng)的實現(xiàn).pdf

1、基于圖像引導的手術導航技術是目前計算機輔助手術中的研究熱點之一，導航技術對提高手術精度保證手術質量有著重要意義。目前正頜外科手術一般是基于二維X透視光片分析和模型外科模擬來實現(xiàn)的，但由于投影疊加等誤差的存在和人的顱頜面結構并非左右完全對稱，預測精度受到了限制；在模型外科上的模擬切割和拼對，雖然實現(xiàn)了三維的概念，但是脫離了整個面部關系，模擬結果差強人意，妨礙了醫(yī)生和患者之間的交流。計算機輔助手術給正頜外科手術帶來了新的發(fā)展空間，然而目前計

2、算機輔助正頜外科手術的研究主要是集中在術前三維模擬階段，術前模擬結果在手術過程中難于準確實現(xiàn)。針對上述問題，本文在實現(xiàn)顱頜面三維可視化和術前模擬的基礎上，將手術導航技術首次應用于正頜外科手術領域，開發(fā)了3D OsteotomySimulation &Navigation System(簡稱3D OsteoSim&Nav系統(tǒng))手術導航系統(tǒng)，并對相關關鍵技術進行了深入研究，主要包括以下幾個方面： 1．顱頜面網(wǎng)格模型的簡化問題。在實

3、現(xiàn)三維可視化的基礎上，為了提高三維手術模擬及導航的實時可操作性，采用頂點聚類與二次誤差度量(QEM)相結合的方法來進行網(wǎng)格簡化，在保證網(wǎng)格質量的前提下，減少了網(wǎng)格數(shù)量，提高了實時交互操作能力； 2．手術模擬過程中碰撞檢測問題。實現(xiàn)了三維立體精確測量與手術模擬后；在模擬移骨過程中，為了真實地模擬手術過程，考慮了骨模型間的碰撞問題，并針對正頜外科手術特點，在構造模型包圍盒的過程中，提出局部包圍盒法來構建包圍盒，即不以全部模型為對象，

4、而是以切割面及其鄰域部分模型為對象構建包圍盒，從而簡化了包圍盒的構建。實驗結果表明這種簡化包圍盒的方法大大提高了碰撞檢測速度： 3．空間配準與術中實時導航問題。主要完成了空間配準算法的實現(xiàn)，采用四元數(shù)法來最優(yōu)化解析ICP算法完成配準后，在術中實時跟蹤手術器械與患者的空間位置來實現(xiàn)實時導航。為了實時跟蹤手術器械，首先采用CAD造型法或反求構建法來構建手術器械的實體模型(反求構建法已在SCI源期刊發(fā)表論文一篇)，完成手術器械的可視化

5、；然后將手術器械與探測工具進行標定，完成精度測試，最后根據(jù)定位跟蹤系統(tǒng)跟蹤的手術器械位置信息，在術前模型空間位置上實現(xiàn)手術器械模型的參數(shù)化描述，同時對術中患者空間位置的改變進行了實時補償，保證在術中實時準確地追蹤手術器械和患者的空間位置。 4．游離截骨塊精確定位問題。精確定位游離截骨塊是實現(xiàn)正頜外科手術的關鍵。定位板的應用可以保證正頜外科手術在術中精確地實施術前模擬確定的手術方案。為了符合計算機輔助手術的發(fā)展趨勢、將三維模擬的結

6、果在術中精確實現(xiàn)，我們在實現(xiàn)三維模擬的基礎上，結合快速原型技術，首次提出了計算機輔助生成板的技術路線(該方法已得到國際上的認可，在SCI源期刊上發(fā)表論文一篇)，簡化了袷板的制作過程，縮短了制作周期，提高了游離截骨塊的定位精度，從而保證了正頜外科的手術精度。針對正頜外科的手術特點，本文對手術導航技術在正頜外科領域應用中的關鍵技術進行了系統(tǒng)的研究，相關內容在國內外期刊、會議上發(fā)表文章多篇，得到了國內外同行的認可和贊同。正頜外科手術導航系統(tǒng)的