面向微創(chuàng)手術(shù)規(guī)劃的廣義腔體數(shù)字化表達與分析方法.pdf

1、微創(chuàng)手術(shù)視野小，腔內(nèi)空間狹窄、空間分布復雜，外科醫(yī)生只能通過內(nèi)鏡視頻開展手術(shù)，因此手術(shù)操作難度高、風險大。如果能夠在計算機輔助下將手術(shù)腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以可視化的方式呈現(xiàn)，并加以數(shù)字化分析，將大大提高微創(chuàng)手術(shù)的精準度和可靠性。
　　基于上述目的，本文圍繞廣義腔體的幾何建模、形態(tài)分析與理解以及手術(shù)方案制訂等關(guān)鍵問題展開研究。論文的主要工作和成果包括:
　　(1)廣義腔體幾何模型的創(chuàng)建。由于廣義腔體由多個器官圍合而成，其形態(tài)會隨著手

2、術(shù)進程發(fā)生改變，因此廣義腔體的建模是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。針對這一問題，提出一種廣義腔體模型的創(chuàng)建算法。該算法以圍合腔體的器官模型為輸入，通過截面輪廓法創(chuàng)建靜態(tài)的幾何模型，然后依據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，重建廣義腔體的動態(tài)模型。
　　(2)從廣義腔體幾何模型中獲取高層次的語義信息，實現(xiàn)對腔體形狀的理解。首先提出評價腔體幾何空間形態(tài)的指標體系，獲取反映腔體空間分布的緊湊度、連通度、方向性和瓶頸度等語義信息。然后提出一種基于顯式邊界輪廓的形狀

3、語義分割算法，該算法同時考慮了幾何信息與拓撲信息，能夠在路徑分支處將腔體模型劃分成若干個子腔體。最后定義了一種子腔體網(wǎng)絡(luò)用于存儲語義信息，分析了其特性、并提出創(chuàng)建子腔體網(wǎng)絡(luò)的算法。子腔體網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了子腔體之間的連通關(guān)系，能夠存儲子腔體的幾何信息、毗鄰組織的物理和生理信息，為手術(shù)候選路徑的生成和路徑規(guī)劃提供信息支持。
　　(3)為了定量化評價候選路徑，指導路徑選擇和腔體空間的量化塑造，提出本征空間可達性和本征-器械空間可達性的定義和計

4、算方法。其中，本征空間可達性從待測腔體空間的形成方式、空間的分布情況、空間基元的鄰域解剖結(jié)構(gòu)的生理屬性等方面對候選路徑或目標空間的可達性進行量化計算。在本征空間可達性的基礎(chǔ)上，綜合考慮手術(shù)器械的形狀、機構(gòu)以及器械與組織的交互行為對器械在腔內(nèi)運動難易程度的影響，最終形成一個綜合幾何、物理、生理和器械運動等信息的量化評價指標。
　　(4)針對復雜的微創(chuàng)手術(shù)操作，提出基于廣義腔體數(shù)字化分析的手術(shù)方案制訂及其可視化呈現(xiàn)方法。提出以腔體空間

5、可達性為評價指標的手術(shù)路徑規(guī)劃算法以及手術(shù)空間量化塑造方法。本文在對手術(shù)過程進行形式化的基礎(chǔ)上，提出利用歷史數(shù)據(jù)創(chuàng)建手術(shù)過程模型(SPM)，通過多序列對齊和合并方法對SPM進行合并得到統(tǒng)計手術(shù)過程模型(SSPM)，提出以SSPM為模板制訂個性化患者的手術(shù)方案的方法。
　　(5)針對膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)規(guī)劃的需求，以廣義腔體的幾何建模和空間形態(tài)的數(shù)字化分析方法為核心基礎(chǔ)，完成膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)工作。最后以多發(fā)性游離體摘除術(shù)為例，驗證