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基于骨骼组织分割与增强现实技术的计算机辅助骨科手术系统

张志敏  
【摘要】:随着医学影像学和计算机技术的高速发展,基于医学影像的计算机辅助骨科手术系统在临床实践中发挥了重要的作用。目前的骨科手术前的检查和定位都只能先通过计算机辅助骨科手术系统进行阅片分析,在医生脑里形成主观的印象,然后依靠丰富的临床经验来对手术患者的病灶区域进行定位。手术定位的准确性非常依赖医生的临床经验,且不能实时直观地将信息传递给小组的其他成员。而在计算机辅助骨科手术系统中应用增强现实技术,医生可以将患者手术部位的CT图像分割出来,并且可以在手术中实时准确地辅助医生对患者病灶区域的定位,实时将手术信息共享给其他成员,提高手术定位的准确性和快速性。为了高效地辅助医生进行骨科手术前的检查与术中的定位,本文基于图像分割技术、三维可视化技术以及增强现实技术,开发了基于增强现实技术的计算机辅助骨科手术系统。本文的研究内容主要分为以下四个方面:1.为了准确提取相关骨骼组织用于计算机辅助骨科手术系统的研究,本文研究了基于医学图像分割技术的骨骼组织分割算法。首先,介绍了DICOM图像的读取解析与预处理;然后,采用了一种基于自适应双阈值的骨骼组织粗分割方法,将疑似骨骼组织的像素分割出来;最后,使用基于三维区域生长法对疑似骨骼组织进行细分割,得到完整的骨骼组织。2.为了进一步实现对骨骼间的分割,采用了基于图割算法的自动骨骼分割方法。首先,对骨骼图像进行锐化增强处理,增强图像的细节和边缘信息;接着,采用了一种改进的基于Hessian矩阵的3D结构增强滤波器,将该滤波结果加入到图割算法的输入特征;然后,采用形态学的图像腐蚀操作将相互粘连的相邻骨骼分离开;最后利用基于最大流最小割的图割算法进行骨骼分割,实现了对骨骼的自动分割。3.为了在计算机辅助骨科手术系统中实现增强现实技术,本文采用了一种基于三维可视化与图像特征点匹配的实现增强现实的方法。首先,利用基于Marching Cubes面绘制算法将骨骼分割的结果进行三维重建,得到用于实现增强现实技术的虚拟三维模型;然后,采用了一种改进SURF特征点的视频图像匹配算法,对视频图像中的目标进行匹配跟踪;之后,利用透视N点投影问题求解视频目标的空间位姿,并将虚拟的三维模型以相应的位姿渲染在二维的视频图像中,实现骨骼模型的增强现实效果。4.基于以上研究内容,本文自主设计开发了基于骨骼组织分割与增强现实技术的计算机辅助骨科手术系统。该系统主要分为两个主要模块:医学图像处理模块和增强现实模块。医学图像处理模块的功能主要是从骨骼CT图像中分割骨骼组织以及对分割结果的三维可视化,包括基于交互式的骨骼分割、自动的骨骼分割、分割结果的三维可视化等功能。增强现实模块的主要功能是实现增强现实技术,包括视频处理、视频目标跟踪、三维模型空间位姿的控制等功能。本系统可应用于骨科手术中病灶区域的精确定位,辅助医生的检查与定位。实验结果表明,本文所采用的骨骼组织分割算法、骨骼间的分割算法在视觉评估和量化评估中均具有良好的效果;本文开发的计算机辅助骨科手术系统可应用于临床骨科手术的定位,辅助医生进行科学的检查和手术定位。


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