脊柱手术导航中术前路径规划评估与术中超声标定关键技术研究

摘要

脊柱手术是一类操作难度大风险高的外科手术，一旦失败将会对患者造成严重损伤。椎弓根螺钉置入术是脊柱手术中常用的内固定技术，计算机辅助脊柱手术导航技术可以有效提高椎弓根螺钉置入术的精准度，但部分骨质疏松的患者在未发生误置的情况下术后仍会出现螺钉松动或轴向脱出等问题，椎体对螺钉的把持力不足是主要原因，现有技术中进行术前计划时缺少对螺钉置入术后效果的预测与评估。由于椎弓根存在个体差异，对于每个置入的螺钉外科医生都需要手动调整入钉路径，操作费时，路径规划的完善与否完全取决于医生的裸眼水平。另外，现有商用脊柱手术导航系统造价昂贵，并且大多数导航系统在进行影像配准时采用的X射线透视成像会使医生与患者在术中受到较大剂量的辐射。 为了解决上述脊柱手术导航技术中存在的问题，本文进行了相关研究，主要的研究内容有: 针对术前计划中缺少对术后效果的预测与评估的问题，本文综合考量了进钉深度与螺纹走行区域骨密度两种因素对螺钉牢固度的影响，提出了一种针对路径规划的骨量评估方法。该方法根据给定的钉道参数计算为螺钉提供把持力的骨组织的骨体积，同时测量该骨组织的骨密度，两者的乘积就是该路径下为螺钉提供把持力的骨量。在骨密度测量方面，本文提出了一系列改进的无需固体体模的腰椎骨密度测量方法，其中包括:利用液体体模替代固体体模的定量CT骨密度测量方法;基于能量角度下，应用于双源CT的双能骨密度测量方法，以及单能量下基于脂肪定标的骨密度测量方法。该方法的骨量计算结果可为外科医生在术前计划时提供螺钉牢固程度的定量分析与指导，医生可根据骨量的评估结果选择不同的手术方案，预防因骨量不足导致的螺钉术后松动与轴向脱出等问题。 针对术前计划中的路径规划问题，本文提出了一套针对腰椎的高度自动化的椎弓根螺钉置入路径规划方法。该方法通过分析腰椎椎弓根形态，识别椎弓根区域，找到椎弓根的中心线;将椎弓根中心线作为初始路径，以规划路径的骨量最大为目标，利用改进的限制边界的下山型单纯形法实现了最优路径规划。该方法在很大程度上简化了术前钉道规划的操作，为外科医生节省整体手术时间，避免了因手动规划所导致的主观性的不良影响，同时该方法以钉道骨量最大为目标实现了最优路径规划，潜在地提升了螺钉置入术后的牢固度。 针对手术导航中辐射暴露以及系统成本的问题，本文搭建并实现了一套基于CT图像引导的脊柱手术导航技术中的术中超声标定系统。该系统利用标定后的超声图像采集脊柱特征点，通过点集配准的方式实现对术前CT图像的空间标定。系统实现的关键技术主要包括:超声序列数据采集与图像坐标标定;自由臂三维超声重建;腰椎显著特征点采集，以及基于奇异值分解的点集配准方法。该标定系统利用超声成像代替X射线透视成像，解决了术中辐射暴露的问题，并且超声经皮扫查，也可实现微创手术的目标。目前术中超声标定方法仍处于实验研究阶段，一旦应用于实际，将大幅度降低脊柱手术导航系统的应用成本。

目录

声明

摘要

1．1本文的研究背景

1．2脊柱手术导航技术综述

1．2．1空间定位技术

1．2．2不同影像配准技术的导航系统分类

1．2．3术前计划

1．3脊椎手术导航存在的问题

1．4本文的研究内容

1．5本文组织结构

第2章方法与技术

2．1术前规划路径评估

2．1．1骨密度测量

2．1．2骨质量测量

2．2术中超声参与的脊柱手术导航

2．2．1超声成像的基本特性

2．2．2超声引导的脊柱手术导航

2．2．3超声数据采集与空间定标

2．2．4超声三维重建

2．3本章小结

第3章术前规划路径的骨量评估方法

3．1腰椎骨密度测量

3．1．1基于液体体模的QCT骨密度测量

3．1．2基于能量的骨密度测量方法与实现

3．2钉道相关的骨体积计算

3．2．1提供把持力的骨组织选择

3．2．2 CT体数据下的骨体积计算

3．3本章小结

第4章椎弓根中心线识别与最优路径规划

4．1椎弓根中心线识别

4．1．1建立单节椎体的校正方向和校正平面

4．1．2识别椎弓根区域，并制定初始路径

4．2基于下山单纯形法的最优路径规划

4．2．1．边界限制方法

4．2．2下山单纯形法

4．3实验结果分析

4．3．1椎弓根中心线识别结果

4．3．2最优路径规划结果与分析

4．4本章小结

第5章基于跟踪下超声的导航影像术中标定

5．1系统概况

5．2超声数据采集与图像坐标标定

5．2．1超声图像与空间位置信息采集

5．2．2超声图像空间坐标标定

5．3自由臂三维超声重建

5．3．1 PNN重建算法

5．3．2实现过程与重建结果

5．4跟踪下的超声与术前CT图像的空间配准

5．4．1超声图像下的脊柱特征点提取

5．4．2基于奇异值分解的点配准方法

5．5本章小结

第6章总结与展望

6．1研究工作总结

6．2未来工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他研究成果