三维脊椎手术导航系统的设计与实现

摘要

在传统脊椎外科手术中，由于脊椎邻近的脊髓和神经系统在手术中通常不可见，所以此类手术危险性较大，难度较高。在手术过程中，医生主要通过病人CT断层影像或X射线透视图像来获取病人患部的解剖信息，虽然这类方法在一定程度上能起到辅助作用，但手术质量仍需依赖医生丰富的临床经验。
　　本课题深入研究了手术导航系统的关键技术，设计和实现了三维脊椎手术导航系统，使得手术变得更加精确和安全。
　　首先，由于体数据的处理和可视化是手术导航的重要基础，所以本文详细阐述了光线投射(Ray Casting)和移动立方体(Marching Cubes)算法的基本原理，给出了分别利用上述算法对脊椎CT图像进行三维重建的实验结果，并从各个方面对体绘制和面绘制进行了详细比较。
　　接着，本文深入研究了手术导航系统中的空间配准技术。在实现结构光重建模型和脊椎CT表面模型配准的过程中，采用了预配准和精确配准相结合的方法。先用三点法取得两组模型之间的初始坐标转换关系，然后使用ICP多区域配准来完成配准工作，从而获取了结构光图像坐标系到脊椎CT图像坐标系的精确坐标转换矩阵，对实验结果进行误差分析，得出该方法的配准精度在0.6mm左右，可以满足手术导航的基本要求。在此基础之上利用三维扫描仪的左右摄像头对手术器械进行定位和跟踪，并通过实验模拟了手术导航中的数据通信，实现了手术器械在手术导航系统中的显示。
　　在论文的最后，详细介绍了利用MFC类库和VTK类库实现的三维脊椎手术导航系统。给出了系统的总体框架和数据流程，根据手术导航的基本流程，分别阐述了三维重建、阈值分割、表面模型处理、结构光重建模型和脊椎CT表面模型的多区域配准等功能模块。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 手术导航系统的分类

1．2．1 基于C型臂透视图像的手术导航系统

1．2．2 基于CT图像的手术导航系统

1．3 脊椎手术定位导航系统的关键技术

1．3．1 三维重建技术

1．3．2 三维配准技术

1．4 本文的研究内容和结构

第2章 脊椎CT图像的三维重建

2．1 引言

2．2 VTK概述

2．2．1 VTK的基本架构

2．2．2 VTK的绘制流程

2．3 三维体绘制

2．3．1 基于光线投射算法的体绘制

2．4 三维面绘制

2．4．1 基于MC算法的面绘制

2．5 体绘制和面绘制的比较

2．6 实验结果

2．6．1 脊椎CT影像的获取

2．6．2 三维重建的结果

2．7 本章小结

第3章 结构光重建模型和CT表面模型的多区域配准

3．1 引言

3．2 结构光重建模型的获取

3．3 预配准

3．4 多区域ICP配准

3．4．1 脊椎CT重建模型的区域划分

3．4．2 ICP算法的原理

3．5 ICP配准结果和误差分析

3．5．1 配准结果

3．5．2 误差分析

3．6 本章小结

第4章 手术器械的定位与实时跟踪

4．1 引言

4．2 空间定位技术

4．3 手术器械的定位跟踪

4．4 数据通信

4．4．1 进程间的通信

4．4．2 手术导航中数据通信的模拟实验

4．5 本章小结

第5章 系统设计与实现

5．1 系统的运行环境

5．2 系统的总体框架

5．3 系统的数据流程

5．4 系统功能模块的描述与实现

5．4．1 数据的读取

5．4．2 脊椎CT数据的三切面处理

5．4．3 模型属性控制

5．4．4 一维传输函数

5．4．5 基于Ray Casting的体绘制实现

5．4．6 基于Marching Cubes的面绘制实现

5．4．7 STL模型的处理

5．4．8 结构光重建模型和CT表面模型的多区域配准

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文研究总结

6．2 展望

参考文献

致谢