基于C形臂手术导航关键技术研究及系统实现

论文摘要

图像引导的手术技术是目前计算机辅助手术领域研究热点之一。基于C形臂的手术导航技术是一类典型的图像引导手术技术。该类技术已成为当前手术导航技术领域的一个重要发展分支,它采用移动式C形臂获取的X线图像进行手术导向。为了实现导航功能需要对X线图像进行处理,识别出其中的标志物投影并提取相关数据;需要对图像本身固有的几何变形进行校正;需要对C形臂成像系统进行标定以求取X线光锥投影成像参数。目前对这些关键技术的研究尚不能够令人满意,主要表现标志物投影识别及数据提取算法精度及鲁棒性不足;图像变形校正算法精度低,对单元变形敏感度高,且没有考虑设备硬件误差所引入的图像局部变形;C形臂成像系统标定算法过于复杂,过渡环节繁多,影响最终的校准精度及效率。另外,基于C形臂手术导航技术的研究目前主要集中在计算机软件方面,对其中的关键部件——校准靶及相关导航手术工具的研究不多。提高这些机械部件的性能对手术导航系统整体性能的改善具有重要意义。针对这些问题,本文对上述关键技术进行了深入研究,主要包括如下几个方面:1.提出采用CHT（Circle Hough Transform）法与CC（Connected Components）处理相结合的方法,对C形臂X线图像中的标志物投影进行自动识别并提取数据。将CHT生成的2D积累空间作为一种特殊的图像进行取阈操作,并对生成的二值化图像进行CC处理。该方法与单纯的CHT法相比具有更高的检测精度;与单纯的取阈二值化方法相比具有更高的抗复杂背景及抗噪声鲁棒性。2.提出一种MLS（Moving Least Squares）法与MBA（Multilevel B-spline Approximation）法集成的曲面拟合方法,并将其应用于C形臂X线图像变形校正。该方法兼具传统的全局及局部校正算法在精度方面的优势;该方法还考虑了现有算法中极少考虑的,由C形臂影像增强器制造安装误差所引入的图像“局部”变形问题。3.对现有的典型相机校准算法进行了综合分析评价,初步选定O.Faugeras算法用于手术导航这一特定场合。在此基础上,进一步将改进简化的O.Faugeras算法用于C形臂成像系统标定。该改进算法中间过渡环节更少,结构更简洁,效率更高。O.Faugeras算法的改进与校准靶的设计改进相结合,可最终提高C形臂成像系统标定质量。4.对比研究了市场上现有的C形臂校准靶,分析了其设计不足及对导航系统整体性能造成的不良影响。在此基础上,提出一种校准靶改进设计方案。该设计采用改进的校准靶基体加工工艺及新的校准模板制作方法。改进设计后的C形臂校准靶加工精度更易保证,造价更低,并有助于导航系统整体性能的提高。本文对基于C形臂手术导航的关键技术进行了系统深入的理论研究,并设计了相关软件算法。在此基础上,初步开发了面向脊柱椎弓根钉植入手术的应用系统SpiNav-I（Spine Navigation-I）。计算机辅助手术导航技术正逐渐为国内医学界所关注、认可与推广应用。本研究工作将对我国计算机辅助手术导航技术的知识产权自主化起到一定的推动作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 骨科手术导航技术概述
• 1.2.1 手术导航系统的发展
• 1.2.2 骨科手术导航主要模式
• 1.3 基于C 形臂手术导航系统原理
• 1.4 基于C 形臂手术导航关键技术综述
• 1.4.1 标志物投影识别与数据提取
• 1.4.2 图像几何变形及校正
• 1.4.3 C 形臂成像系统标定
• 1.5 论文组织结构
• 第二章 移动式C 形臂X 线成像系统
• 2.1 移动式C 形臂X 光机简介
• 2.2 移动式C 形臂X 光机部件构成
• 2.2.1 X 射线源
• 2.2.2 影像增强器
• 2.2.3 光学耦合系统
• 2.2.4 CCD 摄像机
• 2.2.5 图像采集卡
• 2.3 X 线图像质量影响因素
• 2.3.1 不锐度
• 2.3.2 散射与扩展
• 2.3.3 数字化因素
• 2.4 X 线图像单元变形及其成因
• 2.4.1 枕形失真及其成因
• 2.4.2 “S”形失真及其成因
• 2.4.3 图像局部变形失真及其成因
• 2.5 小结
• 第三章 标志物投影识别与数据提取
• 3.1 目标识别方法综述
• 3.2 一种新型目标识别算法的提出
• 3.3 CHT 及其改进
• 3.3.1 现有CHT 法
• 3.3.2 CHT 法的改进
• 3.4 连通分量（CC）处理
• 3.4.1 连通分量标记
• 3.4.2 几何参数计算
• 3.4.3 连通分量标记与几何参数计算集成
• 3.4.4 连通分量分析
• 3.5 CHT 法与CC 处理的结合
• 3.6 实验与讨论
• 3.6.1 积累空间对比
• 3.6.2 检测精度对比
• 3.6.3 算法鲁棒性（可靠性）对比
• 3.6.4 算法效率检验
• 3.7 小结
• 第四章 图像几何变形及校正
• 4.1 图像变形校正方法综述
• 4.2 一种新型集成坐标变换方法的提出
• 4.3 移动最小二乘法（MLS）
• 4.3.1 移动最小二乘法概述
• 4.3.2 移动最小二乘法基本原理
• 4.3.3 移动最小二乘法特点
• 4.3.4 权函数的选取
• 4.3.5 支撑半径的确定
• 4.4 层次B 样条逼近法
• 4.4.1 层次B 样条逼近法概述
• 4.4.2 层次B 样条逼近法基本原理
• 4.4.3 单层B 样条逼近
• 4.4.4 多层B 样条逼近及其优化
• 4.5 移动最小二乘法与层次B 样条逼近法的集成
• 4.6 校正后图像中像素灰度值的计算
• 4.7 实验与讨论
• 4.7.1 计算机仿真实验
• 4.7.2 真实XRII 图像实验
• 4.8 小结
• 第五章 C 形臂成像系统标定
• 5.1 相机校准及其模型
• 5.2 相机校准方法研究现状
• 5.2.1 相机校准方法评价标准
• 5.2.2 相机校准方法综述
• 5.3 Keith 相机校准方法
• 5.3.1 反投射问题及求解
• 5.3.2 投射问题及求解
• 5.4 Tsai 相机校准方法
• 5.4.1 方法流程与概述
• 5.4.2 方程组构建与参数分类
• 5.4.3 两阶段相机校准
• 5.5 Faugeras 相机校准方法
• 5.5.1 校准模型及校准参数分类
• 5.5.2 相机内外部参数求解
• 5.6 典型相机校准方法综合评价、选用与改进
• 5.7 小结
• 第六章 椎弓根螺钉植入手术导航系统实现
• 6.1 手术导航系统主要大型硬件配置
• 6.2 C 形臂校准靶改进设计
• 6.2.1 现有C 形臂校准靶的不足
• 6.2.2 改进设计C 形臂校准靶
• 6.3 导航手术工具设计
• 6.3.1 探测工具的确定
• 6.3.2 通用手柄与操作头设计
• 6.4 患骨参考架设计
• 6.5 手术导航软件系统实现
• 6.5.1 手术导航系统共性模块开发
• 6.5.2 基于C 形臂手术导航专用技术模块开发
• 6.6 手术导航系统界面
• 6.7 标本实验与系统测试
• 6.7.1 人体脊柱干骨标本实验
• 6.7.2 新鲜人体脊柱标本实验
• 6.8 小结
• 第七章 全文总结与研究展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文