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基于虚拟导向装置的微创手术导航系统的研究

马万军  
【摘要】:微创手术创伤小、恢复快,是外科手术的一个重要发展趋势。手术机器人技术及虚拟现实技术的发展使得微创手术的操作更加精确,速度更快。图像处理技术可为医生提供准确的视觉信息,以此为导航,机器人辅助微创手术技术可以提高手术操作的精度,减小长时间手术给医生造成的疲劳。但这种导航是一种被动导航,医生虽据此能够清楚地观察到手术环境信息,却不能准确控制手术器械的运动状况。手术器械的运动尺度及与环境的接触程度需要靠医生的经验来把握,手术过程中需要高度集中精力。本课题针对这种被动导航存在的问题,提出了结合视觉信息和虚拟导向装置建立虚拟安全通道的导航方案。 虚拟导向装置也可以称作虚拟安全屏障,基于虚拟夹具引申出来用于外科手术中。虚拟安全屏障有两种基本类型,一类是引导型的,引导器械沿规划路径运动;一类是禁止型的,来禁止器械进入危险区域。与依赖于视觉信息的被动导航方式不同,结合虚拟导向装置的导航,在视觉信息的基础上,通过软件生成力感觉来控制手术器械,使之严格按规划路径前进,而不用过多依赖医生的经验。 视觉信息处理和虚拟导向装置生成是课题研究两个重要部分。视觉信息包括手术前CT机扫描的CT图像信息及术中内窥镜实时采集显示的信息。图像信息采集的过程中受到各种噪声污染,本文针对影响图像质量的两种主要噪声(高斯白噪声和椒盐噪声)干扰问题进行了去噪预处理。根据这两种噪声的特性,提出用自适应中值滤波结合维纳滤波的方法进行了处理。在路径规划过程中需要提取重要组织或器官的轮廓信息来建立虚拟安全屏障,文中对图像分割技术也做了研究。手术前,医生先根据CT图像做好术前规划,确定手术工具的最佳进入路线,把路径信息提取出来。手术过程中,根据手术器械敏感部位实时位置与规划位置的误差信息建立势场函数实现虚拟导向装置对手术器械的控制。引力势场函数可以及时发送数据信息提醒操作者改变手术器械的位置、姿态,保证运动不偏离规划路径;斥力势场函数可以通过建立刚性屏障对禁止进入的危险区域(如重要组织或器官)进行保护,从而为手术器械的进入形成一条完整的虚拟安全通道。这样医生根据实时的视觉信息和从手控器获取的力觉信息进行操作,可以快速、准确的完成手术任务。这种导航方案通过精确的数据控制手术器械的运动,可以实现本质的安全导航。


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