神经外科脑解剖图谱的三维可视化应用

摘要

脑图谱的三维可视化是脑外科手术导航系统中一项关键技术，在对病灶的定位和手术计划上有着举足轻重的作用。在传统的立体定向脑外科手术中，医生只能通过阅读纸质的解剖图谱，凭借经验来完成复杂的手术定位。这必然造成手术成功率低，时间长的问题。因此三维可视化脑图谱的研究正受到各国解剖学家的重视。而目前对脑图谱的研究要么是基于二维的，或者仅仅是显示三维的，将二维和三维结合在一起研究的成果却非常少。因此，研究并开发一个能同时结合二维图谱和三维图谱的多功能三维可视化脑图谱系统不仅是临床科研的需要，更是医疗领域教育教学的迫切要求。 基于以上研究的背景需求，本文分析并讨论了神经外科脑解剖图谱的三维可视化系统的设计过程。在研究中，采用目前比较流行的MVC 设计模式，并以Talairach 脑图谱作为标准图谱进行程序开发。为了减少图谱中由于图片层间距太大而给系统带来的不必要误差，论文采用非线性差值技术对标准图谱进行预处理。然后利用非线性配准技术把插值后的图谱与参考图谱进行预配准，避免实时配准过程中医生对不同种类脑图谱的重复操作，减轻医生手术中的操作难度。最后利用基于快速行进法和三维形态学重建算法的多步复合算法分割出感兴趣区域，并根据解剖学知识，对感兴趣区域进行解剖学名称的存储和标识。由于本文所讨论的系统主要用于临床手术导航，因此系统的精确性和效率是至关重要的。本研究中，32 位病人的脑图谱数据被选为对系统进行临床上的测试。 经实验结果表明，系统完全符合临床的需求，特别是感兴趣区域的标识，其速度小于0.003s，肉眼几乎感觉不到。本文的主要贡献之处如下： 1. 创建了新的图谱，其中包括二维和三维两个方面。在现有的三维可视化脑图谱系统中，能够同时对二维和三维进行显示，然后进行操作的系统非常少。本文所设计的系统能够分别从轴状面、矢状面和冠状面对感兴趣的解剖器官进行标识、缩放、旋转等。而且根据需要，还可以显示解剖器官的三维结构。 2. 研究了脑图谱二维标签的制作和显示/隐藏技术。经过测试，对感兴趣区域的标识速度小于0.003s。 3. 针对手术过程中，由于病人呼吸等造成术中医生的重复操作问题，提出了对需要研究的两组数据进行非线性配准，从而缩短了手术时间。