基于gpu的三维超声手术导航系统光学定位追踪的定位误差评估

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1、基于GPU的三维超声手术导航系统光学定位追踪的定位误差评估IkumaSato•RyoichiNakamura摘要：0的：一个近实时的三维超声导航已经发展到可以指导手术者进行手术包括对内脏器官的移动和改变。在实际的应用屮发现，由于系统的吋延问题，手术导航的定位会出现明敁的误差。因此系统对于移动目标的定位误差需要进行评估。方法:我们提出了一种方法用来评估基于图像处理单元的三维超声手术导航（含有光学追踪系统）定位移动H标时产生的定位误差。该系统的性能通过以十*几方而进行评估，包括图像处理时间，目标标记误差（

2、TRE），以及对于移动目标的定位误差.定位误差评估的是一个速度为5-25mm/s的虚拟物（附有光学追踪标记物），追踪目标位于虚拟物的屮心点上。图像数据量的范围被设定为超声诊断系统的最大角度和范围（更新频率：4Hz）。结果：图像处理时间为27.43±4.80ms,TRE为1.50±0.28m，对于移动速度为10mm/s的0标其定位误差为4.24±0.12ms,对于移动速度为15mm/s的目标其定位误差为5.36±0.10ms。结论：通过移动目标的定位误差分析可以于超声导航系统的有效性进行有效的评估。这个

3、导航系统对移动H标的定位具有高处理速度和准确率。因此他适用于指导腹腔内部器官移动和改变的手术（如胎儿）。关键词：手术导航，超声，图像指导，CUDA,GPU简介：手术导航已经被成用到颅神经手术，头部和颈部手术，耳喉咽鼻科，骨科等领域。一个流行的原因是因为手术导航系统使手术具有高准确率和安全性。这些手术导航通过术前准备的医学影像引导手术器械的位置。最近，术中医学影像数据幵始被使用从而使手术导航能够解决手术期间由于移动和形变产生的问题（例如内脏，血管，肿痛）。通过X射线，超声图像和MR,导航系统能够实时得到

4、术间的医学影像信息。由于能够以高速度和低成木在手术中获取图像，研究中大量的手术导航系统和方法都是基于超声获得图像。这些研究中说明对于器官的手术导航能够很有效的实现。在某一个系统中，超声探头高速旋转，三维超声图像通过二维超声图像重建。一个基于三维超声的手术导航系统己经被应用到对肝脏恶性肿瘤的射频热消融（RFA）。一个利用术屮二维超声影像和高分辨率体数据的系统通过术前成像来指导术屮二维和三维图像的成像。另一个系统通过探头扫描得到术屮影像从而引导进行了腹部丌放性肝切除手术。光学和磁学追踪系统在内窥镜下建立肝

5、脏的3D模型时计算会很缓慢，在这里模型是通过靠近病变部位的探头得到的二维影像进行三维重建。最后，Igarashi提出了充满水的内窥镜手术（WAFLES）,通过腹腔内填充溶液从而通过表皮采集内部器官在内窥镜K的超声图像。通过调整导航系统适应WAFLLES方法，三维超声图像能够在系统中实吋丼准确的获得。然而，在之前提到的导航系统研究中，超声诊断系统在获取体数裾时会产生时延。因此，为了更准确的跟踪内脏器官，导航系统必须能够实时的从超声诊断系统中获取大量数据。为了解决这个问题，我们在提出了一个适用于胎儿手术的

6、基于三维超声图像的手术导航系统。在这个系统中，超声阁像体数据能够近乎实时从超声系统的低压差分接口（LVDS）得到，之后通过系统CPU计算和使用得到的大量数据和横截面图像。然而，这个系统获取图像的运行吋间不够快速。冈此系统需要一个更杰出的算法来计算数据因为获取体数据即使是高速三维超声及其都是很艰难的。此前，大量的研究通过基于GPU来提高数据的处理的速度。鉴于这些成果，这种基于GPU的三维超声手术导航系统应该是可以实现的。此外评估治疗效率和定位误差也是极其重要的。尽管大量的研究致力于实时跟踪腹腔内部器官的

7、手术导航，但是迄今为止仍没育研究表明超声系统跟踪移动H标时采集时间，标定误差及定位误差产生的影响。手术人员应用三维超声导航得到的术中影像信息来获取手术中移动，形变的手术器械和内脏器官的位置。因此，一个导航系统应该能显示出跟踪移动H标时的误差从而使手术人员能够考虑到这些误差再进行定位。手术导航的定位误差主要是由于标定误差，时延，以及移动0标（器官巾于手术方法，呼吸引起的变化）的速率引起的。造成吋延的主耍因素为图像处理吋间及从超声跟踪系统获取影响信息。由于图像处理和获取体数据产生的时延，对三维超声系统的评

8、估是很困难的。即使是高速三维超声诊断系统，获取大量的数据也是极为耗吋的。此外对大量数据进行图像处理也是极为耗时的。此外，导航系统由于三维追踪系统的定位和标定错误总会产生定位误差。结果就会造成实际与导航系统引导的定位产生差异，因为时延和器官由于呼吸和手术方法产生的形变。因此，由于图像处理的时延和获取体数据时的低速率，必定会产生不确定的定位误差。我们需要一个方法用来评估三维超声导航系统的标定误差，因为对于胎儿手术，内脏手术，WAFLES手术的导航系统必须呈现