面向股骨颈骨折内固定术的手术导航系统研究

摘要

股骨颈骨折是临床上的常见骨折之一,多发生于老年人。目前,临床上治疗股骨颈骨折多采用基于刻度导针导向的穿钉内固定手术,但是由于股骨颈直径较小,容易造成穿透股骨颈等手术风险,甚至造成手术失败。而且,在内固定手术中医生需要经常拍摄X光片观察手术器械与股骨颈的相对位置,患者受线严重。本文在股骨颈骨折内固定手术中引入计算机技术、图像导航技术,建立面向股骨颈骨折内固定术的手术导航系统,辅助外科医生精确高效地完成股骨颈骨折内固定手术中穿钉固定工作,提高股骨颈骨折内固定手术质量。
　　本论文以股骨颈的解剖结构及股骨颈骨折三翼钉内固定手术为指导,从临床手术的安全性、可靠性和高效性角度出发,构建面向股骨颈骨折内固定术的手术导航系统,该系统为医生提供了医学图像处理、术前规划、术中图像引导等全过程的手术协助。手术导航系统的硬件部分包括光学定位系统、图形工作站、手术器械。软件平台是基于MFC编译环境和VTK工具包开发的,包括光学定位系统的位姿信息采集模块、医学图像处理模块、“图像—患者”配准模块、手术器械的显示及跟踪模块和手术规划模块。
　　在面向股骨颈骨折内固定术的手术导航系统中,“图像—患者”之间的空间配准关系是手术导航的基础,为了解决ICP算法容易陷入局部最优解的问题,本文通过减少图像空间和患者空间的坐标系旋转角度改进ICP空间配准算法,尽量保持其坐标系方向的一致性,提高“图像—患者”之间的空间配准精度。手术器械的可视化和实时跟踪是手术导航的关键,可以为医生准确直观地进行股骨颈骨折内固定手术提供帮助。为了达到手术器械实时跟踪的效果,建立了手术器械表面模型,完成了“光学定位器—手术器械”之间的位姿信息转换,进行了手术器械位置和方向标定实验,最终实现手术器械实时跟踪。
　　为了辅助医生准确高效地完成股骨颈骨折内固定手术,制定手术规划方案,包括手术穿钉路径规划和穿钉方向规划。采用基于图像的两点规划方法实现手术器械穿钉路径规划,该方法在二维医学图像中选择穿钉起点和穿钉终点生成手术器械穿钉路径。依据股骨颈的解剖结构,实现手术器械合理穿钉方向的规划。最后完成了手术导航系统定位精度实验,系统误差为1.28±0.42mm,远小于传统手术误差,符合手术精度要求。基于建立的股骨颈骨折内固定手术导航系统,以人体股骨颈模型为对象,进行股骨颈手术穿钉实验,验证了该手术导航系统的可行性和合理性。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2手术导航系统的发展及现状

1.3手术导航系统关键技术研究综述

1.4本文主要研究内容

第2章 手术导航系统构建

2.1引言

2.2传统股骨颈骨折内固定手术介绍

2.3股骨颈骨折内固定手术导航系统原理

2.4手术导航系统硬件平台

2.5手术导航系统软件组成

2.6基于手术导航的股骨颈骨折内固定手术操作流程

2.7本章小结

第3章 基于改进型ICP算法的图像与患者空间配准

3.1引言

3.2 ICP算法原理

3.3 ICP算法存在的问题

3.4改进型ICP算法

3.5基于改进型ICP算法的模型配准实验

3.6本章小结

第4章 手术器械可视化及实时跟踪技术

4.1引言

4.2手术器械的可视化

4.3手术器械的标定

4.4手术器械的实时跟踪实验

4.5本章小结

第5章 股骨颈骨折内固定手术规划及实验研究

5.1引言

5.2手术导航股骨颈骨折内固定手术规划

5.3基于手术导航系统的股骨颈手术定位实验

5.4基于手术导航系统的股骨颈手术穿钉实验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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