医学超声的图像引导手术关键技术研究

• 作 者: 王秀芝
• 机 构: 湘潭大学
• 出 处: 湘潭大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 图像引导手术 超声图像标定 光学定位 图像配准

图像引导手术技术是医学领域中的一项重要技术,术前能够为医生提供病灶区域影像进行手术规划,术中能够实时定位手术器械的空间位置信息,为医生呈现手术器械在病灶区域的三维空间结构信息,能使医生准确有效的实施手术操作。图像引导手术根据获取图像的时间来划分主要有两大类,一类是术前—术中图像结合的引导,另一类是术中—术中图像结合的实时引导。目前国内对第一类的研究较多,已广泛地应用在临床上,对第二类的研究较少。第二类具有解决手术中组织器官的移动或因呼吸、心律、气腹等引起的形变的优势,因此对其研究很有必要,且能够为之后实时手术导航系统的建立提供理论和实验基础。本文对医学超声的图像引导手术中的关键技术进行了专门研究,首先介绍了关键技术中医学成像、空间定位、手术器械标定、图像配准和显示的理论部分,然后根据实际的设备和实验环境对理论部分进行展开探讨和实验,所做的工作包括以下几个方面:首先,在学习和理解NDI光学定位设备原理的基础上,本文设计并实现了光学定位设备和计算机之间的数据通信,主要包含光学定位中三维空间信息采集、发送、接收、保存,为之后使用光学定位设备开展实验工作快速地提供精确数据信息。其次,手术器械标定的实现,它是图像引导手术中不可缺少的部分,旨在达到空间坐标系的统一。文中使用了超声仪和内窥镜设备,需要分别进行超声探头标定和内窥镜探针标定。针对超声探头标定设计了一种能够固定探头的面型标定模板和一种基于光学定位的超声图像标定方法,这一方法充分了利用了模板的优势,实验结果显示当标定图像大于20幅时本方法的平均误差小于2.72mm,具有精度高,操作简便,设备灵活等特点,在超声图像引导手术的应用方面具有很高的可行性。针对内窥镜探针标定提出一种基于张正友的摄像机标定方法,其标定平均误差为1.81mm。最后,对超声图像和内窥镜图像进行配准和显示,结合两者图像的特点,提出了基于特征点进行图像配准的方法。具体是利用SURF算法进行相应的特征点选取与配准。同时采用了一种新的特征点选取与对应方法。实验结果表明本方法的配准精度和配准时间满足图像引导手术导航的精度和实时要求。