正頜外科手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).pdf

1、基于圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)中的研究熱點(diǎn)之一，導(dǎo)航技術(shù)對(duì)提高手術(shù)精度保證手術(shù)質(zhì)量有著重要意義。目前正頜外科手術(shù)一般是基于二維X透視光片分析和模型外科模擬來實(shí)現(xiàn)的，但由于投影疊加等誤差的存在和人的顱頜面結(jié)構(gòu)并非左右完全對(duì)稱，預(yù)測精度受到了限制；在模型外科上的模擬切割和拼對(duì)，雖然實(shí)現(xiàn)了三維的概念，但是脫離了整個(gè)面部關(guān)系，模擬結(jié)果差強(qiáng)人意，妨礙了醫(yī)生和患者之間的交流。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)給正頜外科手術(shù)帶來了新的發(fā)展空間，然而目前計(jì)

2、算機(jī)輔助正頜外科手術(shù)的研究主要是集中在術(shù)前三維模擬階段，術(shù)前模擬結(jié)果在手術(shù)過程中難于準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述問題，本文在實(shí)現(xiàn)顱頜面三維可視化和術(shù)前模擬的基礎(chǔ)上，將手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)首次應(yīng)用于正頜外科手術(shù)領(lǐng)域，開發(fā)了3D OsteotomySimulation &Navigation System(簡稱3D OsteoSim&Nav系統(tǒng))手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，主要包括以下幾個(gè)方面： 1．顱頜面網(wǎng)格模型的簡化問題。在實(shí)

3、現(xiàn)三維可視化的基礎(chǔ)上，為了提高三維手術(shù)模擬及導(dǎo)航的實(shí)時(shí)可操作性，采用頂點(diǎn)聚類與二次誤差度量(QEM)相結(jié)合的方法來進(jìn)行網(wǎng)格簡化，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，減少了網(wǎng)格數(shù)量，提高了實(shí)時(shí)交互操作能力； 2．手術(shù)模擬過程中碰撞檢測問題。實(shí)現(xiàn)了三維立體精確測量與手術(shù)模擬后；在模擬移骨過程中，為了真實(shí)地模擬手術(shù)過程，考慮了骨模型間的碰撞問題，并針對(duì)正頜外科手術(shù)特點(diǎn)，在構(gòu)造模型包圍盒的過程中，提出局部包圍盒法來構(gòu)建包圍盒，即不以全部模型為對(duì)象，

4、而是以切割面及其鄰域部分模型為對(duì)象構(gòu)建包圍盒，從而簡化了包圍盒的構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種簡化包圍盒的方法大大提高了碰撞檢測速度： 3．空間配準(zhǔn)與術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航問題。主要完成了空間配準(zhǔn)算法的實(shí)現(xiàn)，采用四元數(shù)法來最優(yōu)化解析ICP算法完成配準(zhǔn)后，在術(shù)中實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)器械與患者的空間位置來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航。為了實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)器械，首先采用CAD造型法或反求構(gòu)建法來構(gòu)建手術(shù)器械的實(shí)體模型(反求構(gòu)建法已在SCI源期刊發(fā)表論文一篇)，完成手術(shù)器械的可視化

5、；然后將手術(shù)器械與探測工具進(jìn)行標(biāo)定，完成精度測試，最后根據(jù)定位跟蹤系統(tǒng)跟蹤的手術(shù)器械位置信息，在術(shù)前模型空間位置上實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械模型的參數(shù)化描述，同時(shí)對(duì)術(shù)中患者空間位置的改變進(jìn)行了實(shí)時(shí)補(bǔ)償，保證在術(shù)中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地追蹤手術(shù)器械和患者的空間位置。 4．游離截骨塊精確定位問題。精確定位游離截骨塊是實(shí)現(xiàn)正頜外科手術(shù)的關(guān)鍵。定位板的應(yīng)用可以保證正頜外科手術(shù)在術(shù)中精確地實(shí)施術(shù)前模擬確定的手術(shù)方案。為了符合計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、將三維模擬的結(jié)

6、果在術(shù)中精確實(shí)現(xiàn)，我們?cè)趯?shí)現(xiàn)三維模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合快速原型技術(shù)，首次提出了計(jì)算機(jī)輔助生成板的技術(shù)路線(該方法已得到國際上的認(rèn)可，在SCI源期刊上發(fā)表論文一篇)，簡化了袷板的制作過程，縮短了制作周期，提高了游離截骨塊的定位精度，從而保證了正頜外科的手術(shù)精度。針對(duì)正頜外科的手術(shù)特點(diǎn)，本文對(duì)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)在正頜外科領(lǐng)域應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，相關(guān)內(nèi)容在國內(nèi)外期刊、會(huì)議上發(fā)表文章多篇，得到了國內(nèi)外同行的認(rèn)可和贊同。正頜外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的