基于CT图像的手术导航系统关键技术研究

摘要

随着计算机技术、虚拟技术、以及医学影像技术的发展，医学图像三维可视化在医学领域得到了广泛的应用。其中基于医学影像的手术导航系统通过在手术过程中追踪手术器械的位置并显示在病人影像资料上，使医生明确手术器械相对病人解剖结构的具体位置，给外科手术带来极大的便利，具有广阔的应用前景。
　　 本文以CT图像手术导航系统为研究对象，针对手术导航依托的空间定位技术、术中配准与手术工具实时追踪技术进行了研究，开发了基于CT图像的手术导航软件系统。本文工作主要包括以下研究内容:
　　 1) CT图像空间基准点的自动获取与配对算法研究。通过术前扫描获取CT序列数据并建立三维数据场，设计了自动获取基准点在图像空间位置的算法。在此基础上，实现了图像空间基准点与电磁定位系统下物理空间基准点的自动配对。
　　 2)术中配准算法研究。分析了各种定位系统中物理空间到术前图像空间的配准算法，研究并使用了K.P.Horn提出的由单位四元数表示的两个坐标系之间空间变换的绝对定位解，分析了该算法的配准误差。
　　 3)任意方向斜切面的获取算法及实时性研究。研究了插值算法在获取任意方向剖切面图像中的应用，通过对IGSTK(Image-Guided Surgery Toolkit)以及VTK(Visualization Toolkit)的可视化流程分析，提出了任意方向切面图像可视化流程的改进方法，提高了系统的实时性。
　　 4)呼吸门控在导航系统中的应用研究。通过测量人体皮肤表面标记点，在人呼吸时的运动数据，并进行数据相关分析，总结出了使用图像空间绝对距离作为手术导航中呼吸门控系统控制量的方法。
　　 本文应用上述的算法开发了基于CT图像的手术导航系统，并通过实验对导航系统中的可靠性、实时性进行验证并测量了系统误差，获得了很好的效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 引言

第二节 基于CT图像的手术导航发展现状

1．2．1 CT扫描机的发展历史回顾

1．2．2 手术导航系统发展现状

第三节 本文研究内容及章节安排

第二章 CT图像空间基准点自动查找与配对算法研究

第一节 CT图像空间中基准点自动查找算法研究

2．1．1 基于聚类的基准点自动查找算法研究

2．1．2 基于区域增长思想的基准点自动查找算法研究

第二节 基准点自动配对算法研究

2．2．1 自动配对算法描述

2．2．2 自动配对算法实验结果

第三章 手术导航中配准算法研究与误差分析

第一节 引言

第二节 基于四元数的配准算法

3．2．1 病人实际手术空间基准点的获取

3．2．2 空间变换参数的计算

第三节 手术导航系统中的误差分析与实验

3．3．1 手术导航系统中的误差

3．3．2 配准算法的实验分析

第四章 手术导航系统中任意面图像实时性分析与改进

第一节 引言

第二节 任意方向切面图像获取算法分析

4．2．1 插值算法在获取任意方向切面图像中的应用

4．2．2 计算切面的方向余弦矩阵

第三节 任意方向切面实时性实验与分析

4．3．1 实验方案一与结果分析

4．3．2 实验方案二与结果分析

4．3．3 实验方案三及结果分析

第五章 手术导航中呼吸门控的应用

第一节 医学影像中的4D技术

5．1．1 医学中的维度

5．1．2 4D-CT技术概述

5．1．3 4D-CT的应用

第二节 CT图像导航系统中呼吸门控的应用

5．2．1 人体的呼吸运动分析

5．2．2 本文系统中呼吸门控的应用

第六章 总结与展望

第一节 本文工作总结

第二节 工作展望

参考文献

致谢

个人简历