高精度顱頜面手術(shù)導(dǎo)航中的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，越來越多的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，微創(chuàng)和計(jì)算機(jī)輔助逐漸成為外科手術(shù)的重要發(fā)展方向。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的應(yīng)用，目前已成為新的研究及臨床應(yīng)用熱點(diǎn)。它將手術(shù)器械和病灶部位實(shí)時(shí)顯示在術(shù)前重建的虛擬解剖結(jié)構(gòu)上，在術(shù)中為醫(yī)生實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航，可以提高手術(shù)精度，減小手術(shù)創(chuàng)傷，降低手術(shù)失誤率。根據(jù)顱頜面外科手術(shù)對(duì)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的需求和研究需要，本文研制了新一代的高精度顱頜面手術(shù)導(dǎo)航臨床樣機(jī)系統(tǒng)。
　　本文主要

2、圍繞高精度顱頜面手術(shù)導(dǎo)航臨床樣機(jī)系統(tǒng)的研制，對(duì)其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，包括立體視覺三維重建、手術(shù)器械定位和顱頜面手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)自配準(zhǔn)等技術(shù)。
　　本研究的主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)果歸納如下：
　　1.研究了手術(shù)器械的標(biāo)定、識(shí)別和重建算法。手術(shù)器械的標(biāo)定包括獲取標(biāo)識(shí)點(diǎn)構(gòu)成的幾何結(jié)構(gòu)，以及工作點(diǎn)在這些標(biāo)識(shí)點(diǎn)構(gòu)成的局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。首先，采用變換手術(shù)器械姿態(tài)的方式，通過計(jì)算機(jī)視覺方法進(jìn)行手術(shù)器械標(biāo)定。其次，采用模板匹配法識(shí)別手術(shù)器械。再

3、次，提出了手術(shù)器械高精度重建算法。傳統(tǒng)方法在識(shí)別標(biāo)識(shí)點(diǎn)后孤立地將手術(shù)器械每個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)重建，由于受到圖像噪聲、標(biāo)定誤差和量化誤差等因素的影響會(huì)導(dǎo)致三維位置誤差較大。本文基于手術(shù)器械的剛體結(jié)構(gòu)特性提出了提升器械重建精度的方法，即在手術(shù)器械識(shí)別后，將手術(shù)器械自身結(jié)構(gòu)信息作為約束重建手術(shù)器械的所有標(biāo)識(shí)點(diǎn)。此方法不僅能得到更高精度的重建結(jié)果，而且能消除抖動(dòng)誤差。
　　2.研制了自配準(zhǔn)顱頜面手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)顱頜面解剖特點(diǎn)，發(fā)明顱頜面自配準(zhǔn)跟蹤

4、裝置，并基于此裝置開發(fā)了自配準(zhǔn)及跟蹤軟件。頭顱骨標(biāo)本實(shí)驗(yàn)表明，自配準(zhǔn)顱頜面手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)精度滿足臨床需求。使用自配準(zhǔn)跟蹤裝置不會(huì)造成額外創(chuàng)傷，并可多次使用。
　　3.研究了手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的三維配準(zhǔn)誤差。首先通過對(duì)配準(zhǔn)誤差中配準(zhǔn)點(diǎn)定位誤差、配準(zhǔn)點(diǎn)配準(zhǔn)誤差、目標(biāo)點(diǎn)配準(zhǔn)誤差及目標(biāo)點(diǎn)預(yù)測(cè)誤差的深入研究，發(fā)現(xiàn)可通過對(duì)配準(zhǔn)點(diǎn)空間位置分布進(jìn)行優(yōu)化來降低目標(biāo)點(diǎn)配準(zhǔn)誤差。其次通過對(duì)影像漂移誤差、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度及臨床應(yīng)用誤差等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析，完

5、成了手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)誤差傳遞鏈的系統(tǒng)研究。
　　4.研究了導(dǎo)航中變形曲面的三維重建和跟蹤。針對(duì)雙目攝像機(jī)，本文提出一種基于線性規(guī)劃和立體視覺的變形曲面重建方法。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的單目攝像機(jī)情形，本文提出在L∞范數(shù)意義下，將單目變形曲面重建問題描述為一系列線性規(guī)劃問題，從而能有效求取全局最優(yōu)解；并且提出一種快速求解該問題的算法，提高了算法運(yùn)行速度。
　　在上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文研制了顱頜面手術(shù)導(dǎo)航臨床樣機(jī)系統(tǒng)。該樣機(jī)硬件