自由臂三维超声导航系统关键技术研究

论文摘要

手术导航系统借助于医学成像技术、空间定位技术和计算机图形学技术来实现术前手术规划和术中手术导航等功能。它可以降低手术难度,提高手术精度,减少手术过程中对人体正常组织的伤害,是近几年外科手术发展较快的前沿技术之一。现有的手术导航系统多使用术前的CT.MRI等三维影像,在术中将其和固定在病人体表的标志点进行注册,难以避免注册误差的产生。由于使用的是术前图像,如果手术中组织产生漂移将无法在导航系统中反映出来。这极大限制了导航系统的精度及其在胸、腹部等易产生漂移部位手术治疗中的应用。自由臂三维超声手术导航系统使用自由臂三维超声成像作为导航图像,在手术过程中可以随时采集和更新图像。手术器械的位置和图像的位置可以通过同一套位置传感器获得,避免了患者实际体位和图像信息的注册过程。系统克服了现有基于CT.MRI影像的导航系统在图像实时性和导航精度方面的一些局限,有着切实的临床应用价值和广泛的临床应用前景。作为一种新兴技术,自由臂三维超声手术导航系统在成像和导航方面都有诸多技术难题需要解决,本文对系统中的若干关键技术问题进行了研究和探索。三维超声数据的采集需要为每一帧二维图像匹配位置信息。由于图像采集卡和位置传感器的固有限制,图像和位置信息的采集是非同步的。首先必须得到两者采集的时间差,然后再通过一定的算法计算出每帧图像对应的位置信息。本文设计了一种计算时间和位置信息时间差的算法,并实现了一种线性插值的方法来给每帧图像匹配位置信息。为了得到每帧二维超声图像在重建体空间坐标系的位置,必须得到超声探头坐标系和位置传感器测量器坐标系之间的坐标变换矩阵。为此,本文以面模体作为标定模体设计了一种超声探头位置标定方法。标定过程中,超声探头从多个方向扫描模体,并对采集到的图像进行自动的直线检测。根据检测到的直线位置和模体的几何特征列出一个标定方程组,使用Levenberg—Marquardt算法求解方程组得到最终的标定结果。为了满足三维超声对三维体数据重建速度和重建精度的双重要求,本文设计了一种自适应的距离平方加权重建算法。算法能根据空体素周围非空体素的密度自动调整插值邻域的大小,并且在插值邻域达到一定规模时变为计算量较小的像素最近插值算法。为了进一步缩短重建时间,采用多核CPU并行计算技术和Intel编译器编译优化技术对算法进行了并行化和编译优化。实验结果表明使用这些方法可以在不显著降低重建质量的情况下极大的缩短重建时间,满足了临床应用中对成像实时性的要求。三维超声中最常使用的显示方式是任意切面显示,即显示三维数据的任意一个或多个二维切面。现有的方法需要先由二维图像重建出三维体数据,然后再经过一次插值得到任意切面图像,耗时长、精度低。针对这种情况,本文设计了一种由不规则排列的二维超声图像序列直接重建任意二维切面的方法。该方法不需要先重建出三维体数据,大大缩短了重建时间。实验结果表明,由于只需要一次插值运算,这种方法较以往方法在重建速度和重建精度方面都有较大地改善。为了使用位置传感器跟踪手术器械的位置,需要对手术器械在位置传感器测量器坐标系中的位置进行标定,标定精度的高低直接决定着系统的导航精度。本文设计了一种实用且易行的手术器械位置标定方法,在按照限定的方式移动手术器械后,经过简单的计算就可以得到手术器械上的关键点在位置传感器测量器坐标系中的位置。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及背景
• 1.2 课题研究内容和论文结构
• 1.3 课题的创新点
• 第二章 自由臂三维超声及其数据采集
• 2.1 自由臂三维超声
• 2.1.1 三维超声
• 2.1.2 自由臂三维超声
• 2.2 时间标定和数据采集
• 2.2.1 时间标定
• 2.2.2 数据采集
• 第三章 超声探头位置的标定
• 3.1 标定的原理综述
• 3.2 使用面模体的标定方法
• 3.2.1 使用面模体标定的基本原理
• 3.2.2 提高标定精度的方法
• 3.3 标定图像的处理
• 3.4 标定方程求解
• 3.5 实验结果及讨论
• 第四章 三维体数据的重建
• 4.1 综述
• 4.2 算法简介
• 4.2.1 重建体空间位置与大小的确定
• 4.2.2 重建算法
• 4.2.3 重建算法的并行化
• 4.3 实验结果及讨论
• 第五章 任意切面直接重建方法
• 5.1 综述
• 5.2 算法简介
• 5.3 实验结果及讨论
• 第六章 手术器械位置的跟踪及显示
• 6.1 引言
• 6.2 手术器械位置的标定
• 6.3 标定结果和导航显示
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表