本文關鍵詞：光學手術導航引導的肝癌消融精準定位和穿刺方法研究

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【摘要】：肝癌消融微創(chuàng)介入術是治療肝癌最有效的方式之一,腫瘤靶點的精準定位和穿刺對肝癌消融介入術療效是至關重要的。手術導航系統(tǒng)在神經外科、骨科等領域的應用已經取得了矚目的成果,但腹腔肝臟器官因呼吸、心跳等因素引起的大形變嚴重制約了手術導航系統(tǒng)在肝癌消融介入術中的應用。當前,肝癌消融介入術的定位穿刺主要依靠醫(yī)生的臨床經驗和醫(yī)學影像的引導,手術過程操作復雜、定位精度低、手術效率低、病人創(chuàng)傷大。本文設計了肝癌消融光學手術導航系統(tǒng),基于雙目視覺定位技術和醫(yī)學圖像處理及可視化技術研究了手術導航中的全自動實時手術注冊技術和肝癌消融的精準定位和穿刺技術,主要研究內容如下:(1)構建了肝癌消融光學手術導航系統(tǒng)。為解決手術導航系統(tǒng)在肝癌消融微創(chuàng)介入術中的應用受呼吸運動影響而導致的穿刺精度低、療效差等問題,本文構建了應用于肝癌消融介入術的光學手術導航系統(tǒng),設計了近紅外標定板、手術器械標定塊、手術器械跟蹤夾具、新型標記點和手術器械等輔助工具。(2)研究了近紅外光學導航儀及手術器械標定方法。本文在前期研究的基礎上,提出了一種基于空間三維誤差的近紅外光學導航儀標定方法及高精度的手術器械標定方法。本文提出的標定方法不再基于二維假設,而是將標定板視為三維模板,在目標函數中加入特征點的三維坐標重建誤差項并求最優(yōu)解。本文提出的標定方法具有較高的標定精度,標定結果精度高于前期研究的標定結果。本文分析了目前手術器械標定的缺陷設計了一種簡捷的手術器械標定塊和高精度的標定方法。使用此方法標定的手術器械尖端標定誤差小于0.7 mm。本文還設計了更為通用的手術器械標定工具,具有使用便捷、適用性強和標定精度高等特點。(3)研究了手術導航中的自動手術注冊方法。本文設計出一種新型標記點,基于該標記點實現了全自動實時手術注冊方法。新型標記點有兩種型號可適用于CT或MR設備,標記點結構獨特,易于在圖像空間中將其與人體解剖結構分割開,且可在手術空間為光學手術導航系統(tǒng)所識別。全自動實時手術注冊方法分三步執(zhí)行:第一步識別圖像空間的標記點,提出了一種基于模型配準的標記點自動識別方法,實現圖像空間的標記點自動識別,相較手動識別標記點,該方法有更高的定位精度和魯棒性;第二步跟蹤手術空間的標記點,左右圖像的立體匹配是標記點跟蹤的準確性和實時性的關鍵,本文提出一種基于重投影誤差的立體匹配算法,結合對極幾何原理和重投影誤差有效地解決立體匹配問題,該方法具有良好的魯棒性,同時保證標記點跟蹤的實時性;第三步實現圖像空間與手術空間的配準,本文提出了一種基于幾何特征聚類的空間自動配準方法,利用兩個空間中各個標記點間的幾何距離關系,快速獲得標記點的配對結果,接著求解兩個空間之間的變換關系。為驗證全自動實時手術注冊方法的可行性,本文開展了一系列體模實驗,實驗結果表明該方法能夠實現快速、自動、準確和實時的手術注冊。(4)研究了肝癌消融精準穿刺方法。本文提出一種基于全自動實時手術注冊的肝癌消融精準穿刺方法。此方法可概括為:術中實時跟蹤粘貼于病人腹部的標記點,采用全自動實時手術注冊方法計算標記點注冊誤差FRE的實時曲線圖,根據實時FRE曲線找出與術前圖像最匹配的時刻,確定最佳穿刺時隙進行精準穿刺。體模、離體和活體動物實驗均驗證了此方法相對其他方法具有較高的精度,對病人創(chuàng)傷小,大幅減少病人的輻射傷害,具有臨床可行性。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R735.7;TN966

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