超声引导肿瘤微波消融虚拟手术系统研究

摘要

上世纪90年代以来，介入式热消融技术逐渐在临床肿瘤治疗中得到广泛应用，出现了在超声图像引导下的肿瘤微波消融手术系统及其机器人辅助治疗系统。但是这些系统在临床治疗中，依然存在着无法在三维环境中进行手术规划、超声引导图像显示在医生手术视野范围之外等局限性，限制了手术质量的提高。而基于发展迅速的头戴式虚拟显示设备开发出的虚拟手术系统成为解决以上问题的新途径。
　　本文以微软HoloLens头戴式混合现实显示设备为基础，使用Untiy3D软件平台开发出了超声引导肿瘤微波消融虚拟手术系统，并在手术病灶三维建模、超声图像传输、手术路径规划等方面进行了研究工作。
　　在病灶三维建模方面，选择使用成熟的医学建模软件Mimics，详细研究了基于阈值分割的CT图像三维重建方法，对CT图像进行灰度调整与组织分割等操作，重建了适用于微波消融治疗的真实肝脏、肾脏、胰腺等肿瘤病灶的三维模型。
　　在超声图像传输方面，采用Socket编程与UDP通讯协议进行图像数据传输的方法，在HoloLens中实现了超声引导图像与手术视野的融合，改善了医生在使用术中超声引导时手眼协调的状况。
　　在手术路径规划方面，实现了在佩戴HoloLens设备的情况下，通过凝视与手势交互的方式对真实肿瘤病灶的三维重建模型进行微波消融手术方案的规划，确定穿刺路径与进针位置，建立了混合现实虚拟手术规划系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 虚拟手术系统国内外研究现状

1．2．1 发展历程

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 医学三维可视化发展现状

1．4 课题拟开展的研究工作

1．5 论文章节安排

第2章 肿瘤消融虚拟手术系统设计

2．1 引言

2．2 超声引导肿瘤微波消融机器人手术系统工作流程与局限

2．2．1 系统工作流程

2．2．2 系统存在的局限

2．3 超声引导肿瘤微波消融虚拟手术系统功能与结构流程设计

2．3．1 混合现实设备HoloLens与其交互技术

2．3．2 系统功能设计

2．3．3 系统流程设计

2．3．4 系统模块设计

2．4 相关软件平台

2．4．1 3ds Max

2．4．2 Mimics

2．4．3 Unity3D

2．5 本章小节

第3章 虚拟手术系统建模

3．1 引言

3．2 虚拟手术场景建模

3．3 人体组织与器官的三维模型重建

3．3．1 原始影像获取

3．3．2 Mimics人体器官三维重建技术研究

3．4 Unity3D中虚拟手术场景搭建

3．5 本章小节

第4章 超声引导肿瘤微波消融虚拟手术系统关键技术实现

4．1 引言

4．2 肿瘤病灶三维模型全息立体显示与交互

4．2．1 肿瘤病灶三维模型全息显示

4．2．2 肿瘤病灶模型交互功能实现

4．3 全息手术路径规划

4．4 实时超声图像采集与全息显示

4．4．1 超声影像的采集

4．4．2 基于Socket的UDP局域网图像传输

4．5 本章小节

第5章 虚拟手术系统功能集成与实验

5．1 引言

5．2 系统功能集成

5．3 虚拟手术规划实验

5．4 本章小节

第6章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者和导师简介