面向脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的圖像處理與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究.pdf

1、脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)對(duì)病灶坐標(biāo)的精密計(jì)算和對(duì)機(jī)器人手臂的精確定位控制,幫助醫(yī)生提高手術(shù)精度,保證脊柱微創(chuàng)手術(shù)的安全進(jìn)行?；贑T圖像導(dǎo)航的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主要由三部分組成:(1)CT成像設(shè)備；(2)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)航系統(tǒng)；(3)機(jī)器人本體及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其中計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)航系統(tǒng)共包含四個(gè)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制模塊及人機(jī)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(xué)圖像處理及虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)對(duì)于完善與加強(qiáng)脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的功能,具有十分重要的意義。借助醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù),完成偽影校正、圖像分割等仃務(wù),可有效改進(jìn)醫(yī)學(xué)圖像的顯示質(zhì)量,協(xié)助醫(yī)生更準(zhǔn)確地確定病灶及手術(shù)工具的位置。手術(shù)的虛擬仿真系統(tǒng)可為醫(yī)生建立一個(gè)虛擬的治療環(huán)境,在這個(gè)虛擬環(huán)境下,醫(yī)生可以觀(guān)察病灶位置,對(duì)制定的手術(shù)方案進(jìn)行虛擬仿真,實(shí)現(xiàn)對(duì)治療方案的評(píng)價(jià)與完善。圍繞這兩部分工作,本文主要完成以下內(nèi)容:
　　 (1)

3、CT圖像金屬物偽影校正算法研究。脊柱微創(chuàng)手術(shù)時(shí)需掃描人體以判斷手術(shù)工具是否已到達(dá)病灶部位,金屬材質(zhì)的手術(shù)工具使CT圖像中出現(xiàn)了較大面積的陰影。為解決此問(wèn)題,本文采用了二次校正的方案,依據(jù)CT設(shè)備成像原理,通過(guò)對(duì)CT圖像進(jìn)行“投影-插值-反投影”處理,有效衰減了CT圖像中金屬工具周?chē)年幱啊Ｔ趯?duì)現(xiàn)有金屬物偽影校正算法深入研究的基礎(chǔ)之上,針對(duì)上述方法中的“插值”過(guò)程,采用了三次多項(xiàng)式插值算法與非線(xiàn)性權(quán)重校正算法。分別將兩種插值算法應(yīng)用于帶有

4、金屬物偽影的仿真圖像,均取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并將其應(yīng)用于二次校正算法中,驗(yàn)證了兩種插值算法對(duì)CT圖像金屬物偽影校正問(wèn)題的有效性。
　　 (2)基于水平集算法的醫(yī)學(xué)圖像二維分割與三維分割技術(shù)研究。脊柱微創(chuàng)手術(shù)主要是針對(duì)骨骼部位完成的手術(shù),因此醫(yī)學(xué)圖像中骨骼的分割對(duì)病灶位置的確定及手術(shù)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(shù)設(shè)置多個(gè)閾值,通過(guò)對(duì)單水平集函數(shù)的迭代,不同的閾值將醫(yī)學(xué)圖像分割為多個(gè)區(qū)域,

5、其中骨骼作為脊柱微創(chuàng)手術(shù)最感興趣的區(qū)域,被清晰地分割。針對(duì)真實(shí)醫(yī)學(xué)圖像的實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)對(duì)參數(shù)的合適選取,該算法可有效地實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的二維分割與三維分割。
　　 (3)脊柱微創(chuàng)手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)中,手術(shù)工具模型與脊柱模型的碰撞檢測(cè)技術(shù)研究?；诩怪?chuàng)手術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)中手術(shù)工具與脊柱模型碰撞檢測(cè)問(wèn)題的特殊性,采用了基于距離場(chǎng)的碰撞檢測(cè)算法。一方面,將EVDT算法與空間點(diǎn)到三角形最短距離計(jì)算算法相結(jié)合,計(jì)算脊柱模型的帶符號(hào)的三維空間距

6、離場(chǎng),在對(duì)運(yùn)算效率產(chǎn)生較小影響的前提下,提高了計(jì)算結(jié)果的精度。另一方面,針對(duì)系統(tǒng)生成的脊柱模型三角面片集合的特殊性,改進(jìn)了空間點(diǎn)到三角形距離的計(jì)算方法及距離場(chǎng)符號(hào)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(shù)虛擬仿真系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)。對(duì)CT醫(yī)學(xué)圖像序列采用MarchingCubes算法進(jìn)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(shù)工具三