脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)的研究與系統(tǒng)建立.pdf

1、脊柱手術(shù)是一類風險較大且病例較多的外科手術(shù),在手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)問世之前,醫(yī)生在手術(shù)中主要是依靠病人術(shù)前CT斷層圖像或術(shù)中X射線透視獲得病人的解剖信息。雖然這些方法對手術(shù)起到了一定的輔助指導(dǎo)作用,但是,醫(yī)生需要通過這些影像在自己頭腦中構(gòu)建人體器官的三維形態(tài)與手術(shù)過程,手術(shù)質(zhì)量很大程度上依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗,而對術(shù)中操作是否正確缺少科學(xué)依據(jù)。并且,應(yīng)用術(shù)中X射線透視會使醫(yī)生與病人受到較大劑量的輻射,增加了手術(shù)的時間和感染的風險。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)正是

2、為解決上述問題而產(chǎn)生的,它以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過建立虛擬現(xiàn)實空間,結(jié)合三維可視化技術(shù)模擬手術(shù)中的關(guān)鍵步驟,借助空間定位儀跟蹤手術(shù)器械相對于病變組織的位置關(guān)系,并將其實時反映在病人術(shù)前或術(shù)中的影像上,從而實現(xiàn)對手術(shù)的引導(dǎo)。該技術(shù)在提高手術(shù)定位精度,減少手術(shù)損傷,降低手術(shù)失誤率方面等有重要的臨床應(yīng)用價值,也成為計算機輔助治療領(lǐng)域里的重要研究內(nèi)容。
　　 本文以解決脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的建立為研

3、究目的,根據(jù)導(dǎo)航模式不同,分為基于X射線透視圖像的導(dǎo)航、基于CT圖像的三維導(dǎo)航、基于3D/2D配準的微創(chuàng)導(dǎo)航三部分進行了研究。
　　 在第一部分基于X射線透視圖像導(dǎo)航的研究中,本文首先應(yīng)用改進后維納濾波以及圖像噪聲綜合抑制方法,對X射線透視圖像進行了預(yù)處理,提高了圖像的清晰度。然后對X射線成像系統(tǒng)的標定算法進行改進,提出一種適用于C型臂X射線透視系統(tǒng)的在線標定技術(shù),同時對影像增強器引起的圖像失真進行了校正。該技術(shù)解決了圖像變形對

4、導(dǎo)航精度的不利影響,減少了術(shù)前的準備環(huán)節(jié),提高了C型臂X射線機應(yīng)用靈活性。最后本文應(yīng)用坐標轉(zhuǎn)換技術(shù)建立了基于X射線透視圖像的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
　　 在第二部分基于CT圖像的三維手術(shù)導(dǎo)航中,本文主要解決了圖像三維重建與空間配準速度較慢的問題。首先通過應(yīng)用基于紋理映射的體繪制方法加快了CT圖像三維重建速度,然后提出應(yīng)用點配準與迭代最近點配準結(jié)合的方法進行CT圖像空間到病人空間的配準,并對迭代最近點算法進行了改進,通過構(gòu)造最小外接球樹進

5、行最近點尋找的方法,提高了配準精度與效率?；谏鲜鲫P(guān)鍵技術(shù)建立了三維手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
　　 本文的第三部分是圍繞著在微創(chuàng)條件下進行脊柱手術(shù)導(dǎo)航工作而開展的。微創(chuàng)手術(shù)是脊柱外科發(fā)展的重要方向,對手術(shù)導(dǎo)航也提出了新的要求。
　　 本文通過將CT圖像(3D)與X射線透視圖像(2D)的配準,解決了傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航中的開放式配準與微創(chuàng)手術(shù)相矛盾的問題,實現(xiàn)了微創(chuàng)條件下的手術(shù)導(dǎo)航。在配準的步驟中,本文提出一種適用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航的3D/

6、2D分步式配準方法。首先應(yīng)用點特征、面特征進行快速粗配準,對配準誤差進行限制,然后采用一種基于圖像梯度特征的配準算法進行精配準,這種算法是根據(jù)CT圖像梯度在成像平面的投影強度構(gòu)造最優(yōu)化函數(shù),能獲得較穩(wěn)定的局部極值,減小了X射線圖像對配準精度的影響,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外,由于該算法只對形成圖像邊緣的光線進行追蹤,因此配準速度得到了大幅提升。
　　 通過以脊柱標本為模型的導(dǎo)航實驗,本文分別對三類導(dǎo)航系統(tǒng)的注冊誤差,定位誤差,準備