基于增强现实的手术导航图像融合方法研究

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1、基于增强现实的手术导航图像融合方法研究第1章绪论1.1课题提出与研究意义本文依托吉林省科技发展计划项目：《应用于脑外科手术的医用机器人增强现实基础研究》，重点研究在手术导航系统中运用增强现实技术将病灶的三维影像融合到手术部位并显示。传统的外科手术，医生只能观察病灶的成像胶片来确定病灶在身体的位置，利用视觉和经验进行手术，极易导致手术创口大、患者恢复时间长等问题。随着科学技术的发展和人们对自我健康关注的增加，外科手术已经在传统方法的基础上得到了革新。科学家已经尝试将传统的外科手术与计算机、立体定位和图像处理等技术学科进行有机结合，产生了一种崭新的手术方式计算机辅助外科手

2、术(puterAssistedSurgery,CAS)，而手术导航系统是计算机辅助外科手术相关研究中的一个重要的组成部分[1-3]。手术导航系统可将许多种类的医学影像设备提供的生理信息有效结合，不但可以帮助医生术前规划，使患者的开刀伤口达到最小，同时可以使手术成功率大大提高，进而给手术的安全性提供了极大的保证[4]。增强现实(AR:AugmentedReality)技术是一种图形科学与计算机科学相结合而产生的新技术，它将计算机处理出来的模型虚拟图像叠加到用户所在的现实世界场景里[5]，对现实场景进行增强。手术导航系统通过光学图像采集系统对人体相关部位扫描取得具体数据，

3、然后根据数据建立模型，这就是医学领域虚拟三维模型。将增强现实技术应用到外科手术中，可以给外科医生提供更加直观的信息，通过显示设备医生既能得到病灶部位的真实情况，又可以从所建立的三维模型中得到无法用肉眼观察到的信息。外科医生为了最大量地掌握病灶信息，需要采用不同种类的医学影像信息来为手术过程导航，在二维的医学影像与病灶位置之间建立一条纽带[6]。应用基于图像处理的手术导航技术，医生可以在手术之前，根据患病部位的三维图像确定完善的手术计划；在手术过程中，可以由病灶的实际位置确定刀口的大小，使刀口达到最小的程度，采用相关的手术导航器械，就能在系统中建立位置精确的三维立体模型

4、，从而能够避免伤及到周围附近的其他重要的组织血管以及神经，设计出安全的手术流程，也可以在手术过程中进行实时监控，判断手术是否达到预期目标，从而降低手术风险以及难度，提高手术成功率，减少手术时间[7]。.........1.2手术导航的研究现状手术导航(SurgicalNavigation)是先进医学图像、三维定位与先进计算机等技术在外科手术中综合利用的成果。该系统可以应用于神经外科、矫形外科、耳鼻喉科等的手术中[8-9]。它主要由医学影像设备及与之相关的三维定位系统等组成。该系统被发明后的十几年间，得到了快速的发展和广泛的应用，对于手术风险的降低、手术质量的提升和手术

5、成功率的升高等都具有很重要的作用。早在80年代中后期，国外有些发达国家就已经开始对计算机辅助手术导航进行研究。国外的一些研究机构和学者们通过外科手术导航的先进技术开展了医疗介入系统的研究。1985年，型号为Puma560手术机器人在英国完成了脑部手术导航，这也是世界上首台手术机器人。之后，各个国家也都相继生产制造自主手术导航系统。Stealthstation红外神经手术导航系统由美国Medtronic公司生产出来[10]，如图1.1所示，该系统能为颅内占位性病变等相关创伤类型手术提供较准确的导航。美国Stryker公司研制的Stryker内窥镜系统，如图1.2所示，用

6、于神经外科、脊柱外科和整形外科等手术前计划方案及手术中的实时观察并引导手术的进行等[11]。.........第2章增强现实空间定位系统设计为了实现增强现实的图像融合，本文设计外加标志点，通过对标志点的定位完成从外表面的图像融合到内部组织的融合，本文的视觉系统建立在手术导航实验平台之上，包括软件和硬件两大部分，本文中的理论和实验都将在系统中实现。2.1系统设计原理本文设计的增强现实系统包括二维图像融合和三维图像的融合显示两大部分，完成体态外表面的融合和器官内部的融合，达到增加手术部位生理信息的目的，系统框架如图2.1所示。采用基于外加标志点的匹配算法，通过双目视觉系统

7、中对左右摄像机标定，完成手术空间中的标志点定位，使手术过程中能够实时跟踪定位标志点；通过颅骨模型外表面三维重建，得到颅骨的三维虚拟模型；对真实手术场景重构，配合软件的高效处理能力，将虚拟颅骨模型导入到手术场景平台上，完成系统融合显示。图2.1左侧第I部分为虚拟模型三维重建部分，在这一部分采用手持式三维扫描仪对颅骨模型进行三维扫描，对得到的颅骨扫描数据三维重建，得到颅骨的虚拟模型。通过对颅骨模型的扫描数据分析，可以制定精确的手术规划；同时，还能够得到外加标志点在三维模型空间坐标系下的三维坐标。图2.1中间上方第II部分为增强现实空间定位部分，这一部分用