软组织针穿刺变形测量及显示系统研究

摘要

随着软组织针穿刺过程在临床医学手术中越来越多的应用，对于穿刺手术的精度和成功率要求也不断提高。软组织针穿刺过程中软组织内部结构形变和穿刺针针尖轨迹变化，往往会影响穿刺过程的精度和有效性。因此建立一种软组织针穿刺变形测量及显示系统具有十分重要的意义。
　　首先，本文对软组织针穿刺变形测量及显示系统进行系统搭建，从系统硬件平台、系统标定、穿刺针尖轨迹和软组织内部结构三维重建和显示三个方面展开研究。系统采用电磁定位方式，并通过系统标定对二维超声图像和穿刺针针尖到相应位置电磁定位仪接收器的坐标变换矩阵进行了参数拟合求解;编写程序对软组织针穿刺过程中穿刺针针尖轨迹和软组织内部结构进行三维重建和显示，使系统达到较好的测量和显示精度，直观反映软组织针穿刺过程中的软组织变形和穿刺针针尖轨迹变化。
　　其次，针对软组织针穿刺过程中发生的软组织形变，提出基于二维超声图像的软组织变形测量方法。利用超声图像进行散斑跟踪，采用绝对差值求和、归一化互相关系数相结合作为相似性度量，对局部核心窗进行块匹配运算，计算二维超声图像位移场，实现软组织针穿刺过程中对软组织变形位移的定量计算。最后采用图像补偿和假体实验对变形测量结果进行验证，分析其有效性和准确性，并验证了所提出的软组织变形测量方法。
　　最后，基于软组织针穿刺过程的三维有限元仿真模型，提出虚拟二维超声图像仿真算法，分析从三维有限元网格变形到二维虚拟超声图像变形的变形转换过程，采用超声图像逆变换的方法提高图像变形计算效率，并进行图像后处理融合穿刺针、超声图像人工噪声、模糊的显示效果。最后编写程序实现了适用于软组织针穿刺虚拟手术训练平台的二维虚拟超声图像仿真。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 超声图像三维重建及显示

1．2．2 软组织的变形测量

1．2．3 虚拟超声图像

1．3 课题的研究目标及意义

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究意义

1．4 论文的主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 变形测量及显示系统搭建

2．1 引言

2．2 系统硬件平台

2．3 系统的标定

2．3．1 超声探头的标定

2．3．2 穿刺针针尖标定

2．4 穿刺针针尖轨迹和软组织内部结构三维重建和显示

2．4．1 离线的软组织三维重建和显示

2．4．2 实时的针尖轨迹和软组织三维重建和显示

2．4．3 程序设计

2．5 本章小结

第3章 基于二维超声图像的软组织变形测量

3．1 引言

3．2 变形测量方法

3．2．1 位移跟踪的策略

3．2．2 相似性度量

3．2．3 超声图像的位移场

3．3 变形测量的验证

3．3．1 图像补偿

3．3．2 假体实验

3．4 本章小结

第4章 软组织针穿刺过程的虚拟超声图像

4．1 引言

4．2 虚拟超声图像生成方法

4．3 图像变形计算

4．3．1 变形过程

4．3．2 变形的转换

4．3．3 点定位过程

4．4 图像后处理

4．5 实验结果

4．6 本章小结

第5章 结论及展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录 A

A．1 软组织针穿刺三维显示系统程序设计

A．2 基于二维超声图像的软组织变形测量程序设计

A．3 虚拟超声图像程序设计