基于C形臂手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

1、圖像引導(dǎo)的手術(shù)技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一?；贑形臂的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是一類典型的圖像引導(dǎo)手術(shù)技術(shù)。該類技術(shù)已成為當(dāng)前手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展分支，它采用移動(dòng)式C形臂獲取的X線圖像進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)向。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能需要對(duì)X線圖像進(jìn)行處理，識(shí)別出其中的標(biāo)志物投影并提取相關(guān)數(shù)據(jù)；需要對(duì)圖像本身固有的幾何變形進(jìn)行校正：需要對(duì)C形臂成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定以求取X線光錐投影成像參數(shù)。目前對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的研究尚不能夠令人滿意，主要表現(xiàn)標(biāo)志物投

2、影識(shí)別及數(shù)據(jù)提取算法精度及魯棒性不足；圖像變形校正算法精度低，對(duì)單元變形敏感度高，且沒有考慮設(shè)備硬件誤差所引入的圖像局部變形；C形臂成像系統(tǒng)標(biāo)定算法過于復(fù)雜，過渡環(huán)節(jié)繁多，影響最終的校準(zhǔn)精度及效率。另外，基于C形臂手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的研究目前主要集中在計(jì)算機(jī)軟件方面，對(duì)其中的關(guān)鍵部件-校準(zhǔn)靶及相關(guān)導(dǎo)航手術(shù)工具的研究不多。提高這些機(jī)械部件的性能對(duì)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)整體性能的改善具有重要意義。針對(duì)這些問題，本文對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，主要包括如下

3、幾個(gè)方面： 1.提出采用CHT(CircleHoughTransform)法與CC(ConnectedComponents)處理相結(jié)合的方法，對(duì)C形臂X線圖像中的標(biāo)志物投影進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并提取數(shù)據(jù)。將CHT生成的2D積累空間作為一種特殊的圖像進(jìn)行取閾操作，并對(duì)生成的二值化圖像進(jìn)行CC處理。該方法與單純的CHT法相比具有更高的檢測精度；與單純的取閾二值化方法相比具有更高的抗復(fù)雜背景及抗噪聲魯棒性。 2.提出一種MLS(Mov

4、ingLeastSquares)法與MBA(MultilevelB-splineApproximation)法集成的曲面擬合方法，并將其應(yīng)用于C形臂X線圖像變形校正。該方法兼具傳統(tǒng)的全局及局部校正算法在精度方面的優(yōu)勢；該方法還考慮了現(xiàn)有算法中極少考慮的，由C形臂影像增強(qiáng)器制造安裝誤差所引入的圖像“局部”變形問題。 3.對(duì)現(xiàn)有的典型相機(jī)校準(zhǔn)算法進(jìn)行了綜合分析評(píng)價(jià)，初步選定O.Faugeras算法用于手術(shù)導(dǎo)航這一特定場合。在此基礎(chǔ)上

5、，進(jìn)一步將改進(jìn)簡化的O.Faugeras算法用于C形臂成像系統(tǒng)標(biāo)定。該改進(jìn)算法中間過渡環(huán)節(jié)更少，結(jié)構(gòu)更簡潔，效率更高。O.Faugeras算法的改進(jìn)與校準(zhǔn)靶的設(shè)計(jì)改進(jìn)相結(jié)合，可最終提高C形臂成像系統(tǒng)標(biāo)定質(zhì)量。 4.對(duì)比研究了市場上現(xiàn)有的C形臂校準(zhǔn)靶，分析了其設(shè)計(jì)不足及對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)整體性能造成的不良影響。在此基礎(chǔ)上，提出一種校準(zhǔn)靶改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)采用改進(jìn)的校準(zhǔn)靶基體加工工藝及新的校準(zhǔn)模板制作方法。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的C形臂校準(zhǔn)靶加工精度