面向脊柱微創(chuàng)手術機器人的圖像處理與虛擬現實技術研究.pdf

1、脊柱微創(chuàng)手術機器人系統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)生提高手術精度,保證脊柱微創(chuàng)手術的安全進行。基于CT圖像導航的脊柱微創(chuàng)手術機器人系統主要由三部分組成:(1)CT成像設備；(2)計算機數據處理與導航系統；(3)機器人本體及運動控制系統。其中計算機數據處理與導航系統共包含四個模塊,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)學圖像處理及虛擬手術仿真系統對于完善與加強脊柱微創(chuàng)手術機器人系統的功能,具有十分重要的意義。借助醫(yī)學圖像處理技術,完成偽影校正、圖像分割等仃務,可有效改進醫(yī)學圖像的顯示質量,協助醫(yī)生更準確地確定病灶及手術工具的位置。手術的虛擬仿真系統可為醫(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,對制定的手術方案進行虛擬仿真,實現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容:
　　 (1)

3、CT圖像金屬物偽影校正算法研究。脊柱微創(chuàng)手術時需掃描人體以判斷手術工具是否已到達病灶部位,金屬材質的手術工具使CT圖像中出現了較大面積的陰影。為解決此問題,本文采用了二次校正的方案,依據CT設備成像原理,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。在對現有金屬物偽影校正算法深入研究的基礎之上,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重校正算法。分別將兩種插值算法應用于帶有

4、金屬物偽影的仿真圖像,均取得了較好的實驗結果。并將其應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)學圖像二維分割與三維分割技術研究。脊柱微創(chuàng)手術主要是針對骨骼部位完成的手術,因此醫(yī)學圖像中骨骼的分割對病灶位置的確定及手術規(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,為單水平集函數設置多個閾值,通過對單水平集函數的迭代,不同的閾值將醫(yī)學圖像分割為多個區(qū)域,

5、其中骨骼作為脊柱微創(chuàng)手術最感興趣的區(qū)域,被清晰地分割。針對真實醫(yī)學圖像的實驗表明,通過對參數的合適選取,該算法可有效地實現醫(yī)學圖像的二維分割與三維分割。
　　 (3)脊柱微創(chuàng)手術虛擬仿真系統中,手術工具模型與脊柱模型的碰撞檢測技術研究?；诩怪?chuàng)手術虛擬仿真系統中手術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,在對運算效率產生較小影響的前提下,提高了計算結果的精度。另一方面,針對系統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)手術虛擬仿真系統研究與實現。對CT醫(yī)學圖像序列采用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)境中添加手術工具三