基于fNIRS的神经外科手术导航系统软件开发

摘要

目前神经外科手术导航系统普遍存在的问题是：无法克服手术中脑脊液流失，脑肿胀等引起的脑组织移位，术中无法实时识别组织与靶点。利用fNIRS技术辅助导航，为这一问题的解决提供了新的方法。该技术利用fNIRS和医学影像数据的关联特性，找出最佳关联因子，建立二者之间的数学关联模型，将穿刺轨迹的磁共振灰度信息通过该模型转化为fNIRS作为先验知识，以穿刺轨迹锥形邻域的图像信息建立纠错模型，引导手术路径的实时纠错。
　　 本文对fNIRS辅助导航中所涉及的关键技术：fNIRS与磁共振数据的相关性，三维可视化技术和手术路径规划与纠偏技术进行了研究。首先，通过模拟胶实验表明优化散射系数随深度变化曲线与同一针道轨迹上MRI灰度值存在高度相关性；其次，在MRI数据三维可视化处理中提出了一种综合的光线投影体绘制加速算法，保证成像质量的前提下提高了绘制速度，并实现基于三维体数据的半透明化处理和任意剖面切割：然后，实现基于三维体数据的穿刺路径信息提取，利用平均Hausdorff距离算法获得在容差范围内的最佳匹配路径，确定偏离目标路径的角度和方位，进行路径实时校正；最后，基于VC开发平台利用VIK工具包开发了一套基于fNIRS的神经外科手术导航系统软件。
　　 本文主要创新点：(1)提出基于fNIRS的神经外科手术导航技术，解决了术中靶点偏移问题；(2)对传统的光线投影体绘制算法进行了改进，提出了一种综合的光线投影加速算法，在保证成像质量的前提下，提高了绘制速度；(3)利用平均Hausdorff距离算法实现路径信息的匹配，引导手术过程的实时纠偏。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 手术导航系统发展概况

1.2 手术导航系统存在的问题及解决方法

1.3 近红外辅助导航及其关键技术

1.4 论文结构及研究内容

1.5 本章小结

第二章 fNIRS与MRI相关性的基础研究

2.1 近红外光谱技术

2.1.1 近红外光谱技术理论概述

2.1.2 脑外科手术中的应用

2.2 生物组织光学参数

2.2.1 吸收系数

2.2.2 散射系数

2.2.3 优化散射系数

2.2.4 各向异性因子

2.2.5 折射率

2.3 Phantom实验

2.3.1 实验方法

2.3.2 实验结果与分析

2.4 本章小结

第三章 医学体数据三维可视化

3.1 DICOM标准数据的获取

3.1.1 DICOM标准

3.1.2 DICOM数据获取

3.2 三维可视化技术

3.2.1 光线投影算法基本原理

3.2.2 改进的光线投影算法理论推导

3.2.3 改进的光线投影算法实现及结果分析

3.3 手术数据的半透明化和切割处理

3.3.1 半透明化处理

3.3.2 切割处理

3.4 本章小结

第四章 手术路径规划与纠偏

4.1 术前路径信息提取

4.1.1 路径坐标计算

4.1.2 路径信息提取

4.2 术中实时纠偏原理

4.3 术中实时纠偏方法

4.3.1 基于曲率的平均Hausdorff距离算法

4.3.2 实验结果与分析

4.4 本章小结

第五章 手术导航系统软件平台的实现

5.1 开发环境

5.1.1 VTK介绍

5.1.2 VC环境下VTK的安装设置

5.2 软件总体结构及界面设计

5.3 软件主要功能模块实现

5.3.1 数据准备

5.3.2 手术计划

5.3.3 纠偏模型

5.3.4 实时导航

5.4 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

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文