基于NIRS的手术导航穿刺路径纠错方法研究

基于NIRS的手术导航穿刺路径纠错方法研究

论文摘要

目前,无法术中实时校正脑组织移位带来的穿刺路径偏移问题,是影响神经外科手术导航精度的主要因素。近红外光谱(Near Infrared Spectroscopy,NIRS)技术可以实时识别组织与靶点,反映穿刺路径信息,为术中实时校正脑组织移位提供了新方法。本文对基于近红外光谱技术的穿刺路径纠偏技术开展了研究。首先,建立近红外优化散射系数与磁共振影像数据的关联模型。以双层模拟胶为研究对象,将近红外光谱技术采集到的优化散射系数和高分辨率磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)技术采集到的灰度信息相结合,建立关联数学模型,为近红外导航纠偏提供参考。其次,在近红外优化散射系数与影像数据关联模型基础上,提出了术中移位纠偏模型。基于三维体数据提取计划路径的灰度信息,作为路径纠偏模型的先验知识,通过Hermite插值曲线计算路径采样点的曲率值,以平均Hausdorff距离为准则进行偏移路径信息特征段的匹配,确定其偏移计划路径的角度和方位。最后,在VC++6.0平台下利用MFC类库与VTK工具包进行系统软件设计,完成了导航过程实时路径纠偏软件编写,达到预期实验结果。本文主要创新点:(1)提出了一种基于近红外光谱技术的神经外科手术导航的新方法,解决术中靶点偏移问题;(2)利用双层模拟胶模型,模拟脑组织的光学特性,建立优化散射系数与影像灰度信息的关联模型,为近红外辅助导航打下基础。(3)建立近红外导航实时纠偏模型,采用基于曲率比对的算法实现路径信息的匹配,引导手术过程的实时纠偏。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 手术导航系统的发展
  • 1.2 手术导航系统存在的问题及解决方法
  • 1.3 近红外辅助导航技术路线
  • 1.4 论文结构及研究内容
  • 1.5 本章小结
  • 第二章 课题理论基础
  • 2.1 近红外光谱技术
  • 2.1.1 近红外光谱技术简介
  • 2.1.2 近红外光谱技术在脑外科的应用
  • 2.1.3 优化散射系数
  • 2.2 医学图像三维可视化技术
  • 2.2.1 DICOM 图像标准
  • 2.2.2 医学图像三维可视化技术
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 优化散射系数与MRI 影像数据关联模型研究
  • 3.1 近红外实验
  • 3.1.1 材料与方法
  • 3.1.2 实验系统
  • 3.2 核磁共振实验
  • 3.3 实验数据处理
  • 3.3.1 近红外实验数据处理
  • 3.3.2 磁共振实验数据处理
  • 3.4 NIRS 与MRI 数学模型的建立
  • 3.4.1 数学模型的建立
  • 3.4.2 数学模型的验证
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 基于图像引导的手术路径实时纠偏技术研究
  • 4.1 近红外导航实时纠偏模型
  • 4.1.1 近红外纠偏模型
  • 4.1.2 术中移位纠正方法
  • 4.2 手术路径影像灰度信息的提取
  • 4.2.1 计划路径坐标计算
  • 4.2.2 可能偏移路径的确定
  • 4.2.3 手术路径灰度信息提取
  • 4.3 手术路径纠偏方法
  • 4.3.1 基于曲率的匹配算法
  • 4.3.2 实验结果与分析
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 近红外手术导航系统软件平台的实现
  • 5.1 开发环境
  • 5.2 软件设计及功能模块
  • 5.2.1 软件结构及界面设计
  • 5.2.2 主要功能模块介绍
  • 5.3 实时路径纠偏功能的软件实现
  • 5.3.1 手术路径规划及路径信息获取
  • 5.3.2 偏移路径数据库的设计与实现
  • 5.3.3 实时纠偏功能的软件实现
  • 5.4 路径纠偏模块的初步验证
  • 5.4.1 实验系统与材料
  • 5.4.2 实验方案与结果分析
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 本文工作总结
  • 6.2 本文的创新点
  • 6.3 未来工作的展望
  • 6.4 结束语
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在学期间的研究成果及发表的学术论文
  • 相关论文文献

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