股骨頭壞死治療手術中的導航技術研究與軟件開發(fā).pdf

1、計算機輔助手術導航技術涉及了數(shù)學、計算機圖形學、機械工程與生物醫(yī)學工程等領域，已成為現(xiàn)代外科手術的研究熱點。它被用于術前制定手術計劃和術中導航，在手術過程中跟蹤手術器械，實時顯示手術器械與患者之間的相對位置，給醫(yī)生提供了豐富直觀的導航信息，也可以記錄并存儲手術器械的路徑，測量植入物的角度、長度及直徑，實施精確的手術，而不是靠經(jīng)驗來解決問題。同時，它減少了骨科醫(yī)生在傳統(tǒng)手術中對C 型臂X 光機的依賴，進而減少了醫(yī)生及病人所受的X 光輻射。

2、 股骨頭壞死作為一種越來越常見的多發(fā)病，已受到醫(yī)學界的廣泛重視。髓芯減壓術作為一種常規(guī)的治療方法，具有操作簡單、損傷小、術后臥床時間短的特點，對于早期的病變具有顯著的治療效果，但手術中醫(yī)生必須借助X 光機不斷的照射患者，以獲取二維X 光影像，以此判斷手術器械與患者的空間方位并實施手術。這種傳統(tǒng)手術方法由于無三維圖像引導，因此不能直觀的了解手術器械在空間中位置信息，且手術過程中耗費了大量的時間，也增加了醫(yī)生及患者由于X 光的照射所

3、造成的傷害。本文針對傳統(tǒng)手術治療中存在的局限性，研究了基于圖像引導的手術導航技術以及相關的數(shù)學方法，在此基礎上設計開發(fā)了主要用于治療股骨頭壞死的手術導航系統(tǒng)。具體研究內(nèi)容包括： 1. 詳細討論了與體數(shù)據(jù)有關的圖像處理及三維可視化技術。在圖像預處理方面，介紹了圖像濾波以及斷層圖像插值的幾種方法，并采用線性插值來提高圖像重建的精度。在圖像分割方面，實現(xiàn)了基于灰度和區(qū)域的組織分割。在三維重建方面，討論了Marching Cubes等值

4、面提取算法以及解決面繪制二義性問題的簡便方法，實現(xiàn)了股骨CT圖像的三維重建。最后采用Garland的邊收縮算法對重建模型進行了網(wǎng)格簡化，減少了大量的運算并為模型的實時剪切提供了基礎。 2. 針對病人實體患骨坐標系與計算機三維重建患骨模型坐標系之間的匹配問題，提出了將配準分為“初配準”與“精配準”兩步實現(xiàn)的方法，前者通過最小二乘法得到配準的初始估計，后者使用最近點迭代算法（ICP）得出最終的變換矩陣。并在術前規(guī)劃中通過Z 緩存（Z

5、 Buffer）技術得到股骨三維模型的外部輪廓表面點集來作為配準的輸入數(shù)據(jù)，取代原有的包含內(nèi)部點集的患骨模型，提高了配準精度。 3. 將計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）中普遍采用的虛擬碰撞檢測技術（Collision Detection）應用到手術導航中，判斷手術工具模型與患骨模型之間的碰撞狀態(tài)，在此基礎上實現(xiàn)了模型的剪切并模擬了壞死組織的實時切除。還討論了基于隱函數(shù)方程的方法，用簡單的幾何造型組合構建出近似的手術工具，同