眼眶手術(shù)規(guī)劃與內(nèi)窺鏡導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著計算機技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理和可視化技術(shù)的快速發(fā)展而興起的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是目前計算機輔助外科領(lǐng)域研究的熱點之一，導(dǎo)航技術(shù)的引入對于保證手術(shù)質(zhì)量、提高手術(shù)精度和減少手術(shù)并發(fā)癥有著極為重要的意義。目前，眼眶骨折外科手術(shù)一般是基于內(nèi)窺鏡圖像引導(dǎo)和模型外科模擬實現(xiàn)。內(nèi)窺鏡手術(shù)以面部無瘢痕、手術(shù)視野暴露清晰，能夠準(zhǔn)確識別視神經(jīng)孔及周圍骨壁等，逐漸在眼眶外科手術(shù)中推廣開來。但由于技術(shù)上的種種不足，它仍然難以滿足臨床手術(shù)的需求，多種因素的存在導(dǎo)致手術(shù)

2、質(zhì)量難以保證：(1)手術(shù)切口深，操作自由度受限制；(2)內(nèi)窺鏡視野小，容易誤傷視野盲區(qū)內(nèi)的其它組織；(3)內(nèi)窺鏡手術(shù)在單目下操作，無法獲取三維深度信息，術(shù)中局部解剖關(guān)系往往依靠醫(yī)生的經(jīng)驗判斷。
　　 手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)可以最大限度地延伸外科醫(yī)生有限的視野范圍，更好地發(fā)揮外科醫(yī)生的主動性和靈活性，因此，將導(dǎo)航技術(shù)與眼眶內(nèi)窺鏡手術(shù)相結(jié)合可以最大限度地彌補內(nèi)窺鏡技術(shù)的不足，給眼眶骨折外科手術(shù)帶來全新的發(fā)展空間。
　　 本文針對眼眶手

3、術(shù)規(guī)劃與內(nèi)窺鏡導(dǎo)航系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵性問題及算法，即眼部醫(yī)學(xué)圖像的分割、軟組織變形仿真和碰撞檢測技術(shù)進行了深入的研究，并提出了相應(yīng)的模型與算法。
　　 1.眼部醫(yī)學(xué)圖像的分割問題。眼眶內(nèi)部包含眼球、視神經(jīng)、眼直肌等軟組織，成像后各組織邊界輪廓模糊，相鄰組織間圖像強度差別小、且有交叉，如何從眼部醫(yī)學(xué)圖像中準(zhǔn)確地提取出感興趣目標(biāo)的輪廓一直是一個懸而未決的難題。為此，我們設(shè)計了基于自適應(yīng)外力的變分水平集分割方法。根據(jù)圖像域中零交叉點兩側(cè)二

4、階微分符號相反的屬性，以二階微分值的符號為引導(dǎo)項，驅(qū)動位于目標(biāo)內(nèi)部、外部甚至與目標(biāo)輪廓相交的演化曲線自動向目標(biāo)的邊緣逼近。同時，模型中引入新的邊界函數(shù)，可以根據(jù)圖像的特征不斷調(diào)整其參數(shù)，保證演化曲線最終準(zhǔn)確地停留在目標(biāo)的邊緣，有效地解決了弱邊緣圖像分割所存在的邊界泄露問題。新模型有效地提高了圖像分割的精確度和自動化程度，并使醫(yī)學(xué)序列圖像的快速、準(zhǔn)確分割成為可能。
　　 2.軟組織變形仿真問題。效率和精度一直是有限元仿真領(lǐng)域的一對

5、矛盾體，高效的線彈性模型存在大變形失真問題，精確的非線性模型難以應(yīng)用到實時性要求高的場合。本文設(shè)計了基于局部網(wǎng)格細化的共旋轉(zhuǎn)有限元方法模擬軟組織受力后的變形，有效地兼顧了手術(shù)仿真在精度和速度方面的要求。網(wǎng)格劃分階段先選擇適當(dāng)分辨率的網(wǎng)格模型作為基礎(chǔ)模型，然后對潛在的接觸區(qū)域進行局部網(wǎng)格細分，在感興趣區(qū)域網(wǎng)格足夠細密的前提下，最大限度地減少整體單元網(wǎng)格的數(shù)量。變形計算過程中，首先在預(yù)處理階段計算出系統(tǒng)的剛度矩陣，每次迭代過程中分別求解包含

6、所有網(wǎng)格頂點局部旋轉(zhuǎn)的張量場，然后結(jié)合已知剛度矩陣在非旋轉(zhuǎn)參考系下計算彈性力場，將線彈性模型的效率和非線性模型的精度有機結(jié)合起來。
　　 3.手術(shù)器械和軟組織之間的碰撞檢測問題。準(zhǔn)確性和高效性是術(shù)中碰撞檢測的基本要求。設(shè)計了基于層次包圍盒和光線追蹤的兩步法碰撞檢測技術(shù)。首先采用層次包圍盒法進行預(yù)處理優(yōu)化，快速排除不相交的包圍盒，最大限度地降低后續(xù)精確碰撞檢測的基元數(shù)目；然后以包含潛在碰撞點對的包圍盒為處理對象，采用光線追蹤法進行