自由臂三維超聲導航系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、手術導航系統(tǒng)借助于醫(yī)學成像技術、空間定位技術和計算機圖形學技術來實現(xiàn)術前手術規(guī)劃和術中手術導航等功能。它可以降低手術難度，提高手術精度，減少手術過程中對人體正常組織的傷害，是近幾年外科手術發(fā)展較快的前沿技術之一。
　　 現(xiàn)有的手術導航系統(tǒng)多使用術前的CT、MRI等三維影像，在術中將其和固定在病人體表的標志點進行注冊，難以避免注冊誤差的產(chǎn)生。由于使用的是術前圖像，如果手術中組織產(chǎn)生漂移將無法在導航系統(tǒng)中反映出來。這極大限制了導航系

2、統(tǒng)的精度及其在胸、腹部等易產(chǎn)生漂移部位手術治療中的應用。
　　 自由臂三維超聲手術導航系統(tǒng)使用自由臂三維超聲成像作為導航圖像，在手術過程中可以隨時采集和更新圖像。手術器械的位置和圖像的位置可以通過同一套位置傳感器獲得，避免了患者實際體位和圖像信息的注冊過程。系統(tǒng)克服了現(xiàn)有基于CT、MRI影像的導航系統(tǒng)在圖像實時性和導航精度方面的一些局限，有著切實的臨床應用價值和廣泛的臨床應用前景。作為一種新興技術，自由臂三維超聲手術導航系統(tǒng)在成

3、像和導航方面都有諸多技術難題需要解決，本文對系統(tǒng)中的若干關鍵技術問題進行了研究和探索。
　　 三維超聲數(shù)據(jù)的采集需要為每一幀二維圖像匹配位置信息。由于圖像采集卡和位置傳感器的固有限制，圖像和位置信息的采集是非同步的。首先必須得到兩者采集的時間差，然后再通過一定的算法計算出每幀圖像對應的位置信息。本文設計了一種計算時間和位置信息時間差的算法，并實現(xiàn)了一種線性插值的方法來給每幀圖像匹配位置信息。
　　 為了得到每幀二維超聲圖

4、像在重建體空間坐標系的位置，必須得到超聲探頭坐標系和位置傳感器測量器坐標系之間的坐標變換矩陣。為此，本文以面模體作為標定模體設計了一種超聲探頭位置標定方法。標定過程中，超聲探頭從多個方向掃描模體，并對采集到的圖像進行自動的直線檢測。根據(jù)檢測到的直線位簧和模體的幾何特征列出一個標定方程組，使用Levenberg--Marquardt算法求解方程組得到最終的標定結(jié)果。
　　 為了滿足三維超聲對三維體數(shù)據(jù)重建速度和重建精度的雙重要求，

5、本文設計了一種自適應的距離平方加權重建算法。算法能根據(jù)空體素周圍非空體素的密度自動調(diào)整插值鄰域的大小，并且在插值鄰域達到一定規(guī)模時變?yōu)橛嬎懔枯^小的像素最近插值算法。為了進一步縮短重建時間，采用多核CPU并行計算技術和Intd編譯器編譯優(yōu)化技術對算法進行了并行化和編譯優(yōu)化。實驗結(jié)果表明使用這些方法可以在不顯著降低重建質(zhì)量的情況下極大的縮短重建時間，滿足了臨床應用中對成像實時性的要求。
　　 三維超聲中最常使用的顯示方式是任意切面顯

6、示，即顯示三維數(shù)據(jù)的任意一個或多個二維切面?，F(xiàn)有的方法需要先由二維圖像重建出三維體數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)過一次插值得到任意切面圖像，耗時長、精度低。針對這種情況，本文設計了一種由不規(guī)則排列的二維超聲圖像序列直接重建任意二維切面的方法。該方法不需要先重建出三維體數(shù)據(jù)，大大縮短了重建時間。實驗結(jié)果表明，由于只需要一次插值運算，這種方法較以往方法在重建速度和重建精度方面都有較大地改善。
　　 為了使用位置傳感器跟蹤手術器械的位置，需要對手術器