自由臂三維超聲導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)借助于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、空間定位技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)術(shù)前手術(shù)規(guī)劃和術(shù)中手術(shù)導(dǎo)航等功能。它可以降低手術(shù)難度，提高手術(shù)精度，減少手術(shù)過程中對人體正常組織的傷害，是近幾年外科手術(shù)發(fā)展較快的前沿技術(shù)之一。
　　 現(xiàn)有的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)多使用術(shù)前的CT、MRI等三維影像，在術(shù)中將其和固定在病人體表的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行注冊，難以避免注冊誤差的產(chǎn)生。由于使用的是術(shù)前圖像，如果手術(shù)中組織產(chǎn)生漂移將無法在導(dǎo)航系統(tǒng)中反映出來。這極大限制了導(dǎo)航系

2、統(tǒng)的精度及其在胸、腹部等易產(chǎn)生漂移部位手術(shù)治療中的應(yīng)用。
　　 自由臂三維超聲手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)使用自由臂三維超聲成像作為導(dǎo)航圖像，在手術(shù)過程中可以隨時(shí)采集和更新圖像。手術(shù)器械的位置和圖像的位置可以通過同一套位置傳感器獲得，避免了患者實(shí)際體位和圖像信息的注冊過程。系統(tǒng)克服了現(xiàn)有基于CT、MRI影像的導(dǎo)航系統(tǒng)在圖像實(shí)時(shí)性和導(dǎo)航精度方面的一些局限，有著切實(shí)的臨床應(yīng)用價(jià)值和廣泛的臨床應(yīng)用前景。作為一種新興技術(shù)，自由臂三維超聲手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在成

3、像和導(dǎo)航方面都有諸多技術(shù)難題需要解決，本文對系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究和探索。
　　 三維超聲數(shù)據(jù)的采集需要為每一幀二維圖像匹配位置信息。由于圖像采集卡和位置傳感器的固有限制，圖像和位置信息的采集是非同步的。首先必須得到兩者采集的時(shí)間差，然后再通過一定的算法計(jì)算出每幀圖像對應(yīng)的位置信息。本文設(shè)計(jì)了一種計(jì)算時(shí)間和位置信息時(shí)間差的算法，并實(shí)現(xiàn)了一種線性插值的方法來給每幀圖像匹配位置信息。
　　 為了得到每幀二維超聲圖

4、像在重建體空間坐標(biāo)系的位置，必須得到超聲探頭坐標(biāo)系和位置傳感器測量器坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換矩陣。為此，本文以面模體作為標(biāo)定模體設(shè)計(jì)了一種超聲探頭位置標(biāo)定方法。標(biāo)定過程中，超聲探頭從多個(gè)方向掃描模體，并對采集到的圖像進(jìn)行自動(dòng)的直線檢測。根據(jù)檢測到的直線位簧和模體的幾何特征列出一個(gè)標(biāo)定方程組，使用Levenberg--Marquardt算法求解方程組得到最終的標(biāo)定結(jié)果。
　　 為了滿足三維超聲對三維體數(shù)據(jù)重建速度和重建精度的雙重要求，

5、本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)的距離平方加權(quán)重建算法。算法能根據(jù)空體素周圍非空體素的密度自動(dòng)調(diào)整插值鄰域的大小，并且在插值鄰域達(dá)到一定規(guī)模時(shí)變?yōu)橛?jì)算量較小的像素最近插值算法。為了進(jìn)一步縮短重建時(shí)間，采用多核CPU并行計(jì)算技術(shù)和Intd編譯器編譯優(yōu)化技術(shù)對算法進(jìn)行了并行化和編譯優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用這些方法可以在不顯著降低重建質(zhì)量的情況下極大的縮短重建時(shí)間，滿足了臨床應(yīng)用中對成像實(shí)時(shí)性的要求。
　　 三維超聲中最常使用的顯示方式是任意切面顯

6、示，即顯示三維數(shù)據(jù)的任意一個(gè)或多個(gè)二維切面?，F(xiàn)有的方法需要先由二維圖像重建出三維體數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)過一次插值得到任意切面圖像，耗時(shí)長、精度低。針對這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種由不規(guī)則排列的二維超聲圖像序列直接重建任意二維切面的方法。該方法不需要先重建出三維體數(shù)據(jù)，大大縮短了重建時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于只需要一次插值運(yùn)算，這種方法較以往方法在重建速度和重建精度方面都有較大地改善。
　　 為了使用位置傳感器跟蹤手術(shù)器械的位置，需要對手術(shù)器