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超声图像导航手术系统的关键技术研究

陈艳梅  
【摘要】:作为微创外科的一个重要分支,超声图像导航手术系统是当前医学领域的研究热点。本文以超声图像导航手术系统为研究对象,对手术导航系统所涉及的关键技术进行了阐述,并对术中导航注册技术进行了详细的说明,描述了注册算法的推导过程,并对其精度及相关的性能进行了分析。搭建手术导航系统,通过激光跟踪仪对电磁定位系统进行了精度标定;运用穿刺针旋转注册法,对穿刺针进行了标定;结合手术机器人与立方体模型验证了注册算法的精度;通过实验室的人体模型与导航软件模拟真实的手术过程,从而得到系统的导航精度;利用N形标定模型对超声图像进行了标定。本文的研究成果主要包括以下几个方面:首先,在手术导航系统关键技术研究的基础上,选定本文中所需要的医学影像技术,其中CT或MRI用于术前采集患者的二维序列切片,超声图像作为术中实时导航的成像系统。并在分析空间三维定位技术的基础上,选定电磁定位系统用于采集注册过程中患者实际标记物和导航过程中针尖点的位置。其次,制定了患者注册的操作流程,抽象出注册算法的数学模型,对算法的推导过程进行了深入的分析,同时对点对算法中用到的一个重要的数学工具——四元数进行了研究,并给出其中一些相关的性质。在研究注册算法的基础上,运用齐次坐标与四元数理论实现了患者注册功能,解决了手术导航系统中实际空间与虚拟空间的坐标转换问题,并通过实验验证算法的可行性与精度。最后,搭建导航系统,运用激光跟踪仪及概率统计法对电磁定位系统进行校准;提出空间多姿态法对穿刺针进行标定;结合手术机器人与立方体模型对患者注册的可行性和精度进行验证;通过实验室的人体模型与导航软件模拟真实的手术过程,从而得到系统的导航精度;利用N形标定模型对超声图像进行了标定,实现超声图像与三维器官的配准。


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