基于C形臂手術導航關鍵技術研究及系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

1、圖像引導的手術技術是目前計算機輔助手術領域研究熱點之一?；贑形臂的手術導航技術是一類典型的圖像引導手術技術。該類技術已成為當前手術導航技術領域的一個重要發(fā)展分支，它采用移動式C形臂獲取的X線圖像進行手術導向。為了實現(xiàn)導航功能需要對X線圖像進行處理，識別出其中的標志物投影并提取相關數(shù)據(jù)；需要對圖像本身固有的幾何變形進行校正：需要對C形臂成像系統(tǒng)進行標定以求取X線光錐投影成像參數(shù)。目前對這些關鍵技術的研究尚不能夠令人滿意，主要表現(xiàn)標志物投

2、影識別及數(shù)據(jù)提取算法精度及魯棒性不足；圖像變形校正算法精度低，對單元變形敏感度高，且沒有考慮設備硬件誤差所引入的圖像局部變形；C形臂成像系統(tǒng)標定算法過于復雜，過渡環(huán)節(jié)繁多，影響最終的校準精度及效率。另外，基于C形臂手術導航技術的研究目前主要集中在計算機軟件方面，對其中的關鍵部件-校準靶及相關導航手術工具的研究不多。提高這些機械部件的性能對手術導航系統(tǒng)整體性能的改善具有重要意義。針對這些問題，本文對上述關鍵技術進行了深入研究，主要包括如下

3、幾個方面： 1.提出采用CHT(CircleHoughTransform)法與CC(ConnectedComponents)處理相結(jié)合的方法，對C形臂X線圖像中的標志物投影進行自動識別并提取數(shù)據(jù)。將CHT生成的2D積累空間作為一種特殊的圖像進行取閾操作，并對生成的二值化圖像進行CC處理。該方法與單純的CHT法相比具有更高的檢測精度；與單純的取閾二值化方法相比具有更高的抗復雜背景及抗噪聲魯棒性。 2.提出一種MLS(Mov

4、ingLeastSquares)法與MBA(MultilevelB-splineApproximation)法集成的曲面擬合方法，并將其應用于C形臂X線圖像變形校正。該方法兼具傳統(tǒng)的全局及局部校正算法在精度方面的優(yōu)勢；該方法還考慮了現(xiàn)有算法中極少考慮的，由C形臂影像增強器制造安裝誤差所引入的圖像“局部”變形問題。 3.對現(xiàn)有的典型相機校準算法進行了綜合分析評價，初步選定O.Faugeras算法用于手術導航這一特定場合。在此基礎上

5、，進一步將改進簡化的O.Faugeras算法用于C形臂成像系統(tǒng)標定。該改進算法中間過渡環(huán)節(jié)更少，結(jié)構(gòu)更簡潔，效率更高。O.Faugeras算法的改進與校準靶的設計改進相結(jié)合，可最終提高C形臂成像系統(tǒng)標定質(zhì)量。 4.對比研究了市場上現(xiàn)有的C形臂校準靶，分析了其設計不足及對導航系統(tǒng)整體性能造成的不良影響。在此基礎上，提出一種校準靶改進設計方案。該設計采用改進的校準靶基體加工工藝及新的校準模板制作方法。改進設計后的C形臂校準靶加工精度