【摘要】：腦腫瘤嚴(yán)重危害了人類健康,治療腦腫瘤最直接有效的方法是手術(shù)切除。為了提高腫瘤切除率,并在傳統(tǒng)手術(shù)中增強(qiáng)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和手術(shù)操作判斷,以CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)(Image Guided Navigation System, IGNS),在圖像空間的引導(dǎo)下,能夠進(jìn)行術(shù)前手術(shù)仿真、術(shù)中輔助和引導(dǎo)醫(yī)生識(shí)別與切除病變組織,從而最大程度地避免損傷重要血管、神經(jīng)或腦功能區(qū)。IGNS一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)外科手術(shù)的不足,但是常規(guī)的IGNS精度仍然無(wú)法真正滿足臨床導(dǎo)航的需求,術(shù)中的腦變形問(wèn)題是影響IGNS精度的主要因素之一,尤其是術(shù)中腦壓板牽拉引起的腦組織變形。目前腦變形矯正的方法通常采用基于生物力學(xué)模型矯正腦變形的方法,它有如下五個(gè)缺陷：①牽拉變形矯正的研究主要是集中在矯正牽拉距離較小的腦組織變形,幾乎不涉及腦壓板牽拉大距離的復(fù)雜變形矯正。②通常采用基于有限元求解生物力學(xué)模型,但是有限元對(duì)于腦組織的不連續(xù)處理很困難,需要局部或者全局網(wǎng)格化,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備復(fù)雜,計(jì)算量過(guò)大。③需要借助術(shù)中MRI獲取約束生物力學(xué)模型的邊界條件,增加了病人不必要的手術(shù)步驟,延長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間,手術(shù)過(guò)程也需要專門的手術(shù)室和手術(shù)器械。④驗(yàn)證評(píng)估牽拉變形矯正方法通常只給出定性結(jié)果,分析矯正后圖像輪廓形態(tài)的相似度,沒(méi)有比較全腦變形的定量分析結(jié)果。⑤沒(méi)有將腦組織牽拉變形矯正功能集成到現(xiàn)成的神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)操作流程中。針對(duì)此,本文的具體研究?jī)?nèi)容如下：第一,建立基于生物力學(xué)模型的腦組織牽拉變形矯正系統(tǒng)框架。提出利用線彈性模型或者超粘彈性模型矯正IGNS的腦組織牽拉變形。在腦壓板牽拉產(chǎn)生小距離變形時(shí),將腦組織的本構(gòu)關(guān)系抽象為符合彈性力學(xué)Hooke定律的線彈性關(guān)系。當(dāng)腦壓板牽拉距離繼續(xù)增加,產(chǎn)生大距離的復(fù)雜變形時(shí),引入超粘彈性模型對(duì)腦組織牽拉變形進(jìn)行模擬,該模型很好地模擬了受到牽拉腦組織的粘彈性生物力學(xué)特性,并且表達(dá)了受牽拉時(shí)的腦組織壓縮與拉伸影響。第二,提出利用擴(kuò)展有限元(eXtended Finite Element Method, XFEM)求解生物力學(xué)模型。XFEM針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變的情況增加了自由度來(lái)表達(dá),適用于對(duì)腦壓板牽拉腦組織產(chǎn)生裂縫的模擬。避免了在產(chǎn)生裂縫的高應(yīng)力區(qū)和變形區(qū)進(jìn)行高密度網(wǎng)格剖分,也不必進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和大量復(fù)雜計(jì)算,滿足了腦組織常規(guī)部分的連續(xù)性又能反映裂縫部分的不連續(xù)性。第三,提出基于三維激光掃描儀(Laser Range Scanner, LRS)獲取邊界條件的腦組織表面變形跟蹤算法。LRS能方便、快速獲取術(shù)中包括腦壓板在內(nèi)的腦組織牽拉變形表面,既不會(huì)增加手術(shù)步驟,也不會(huì)延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間,更不需要專門的手術(shù)室和手術(shù)器械。第四,用腦組織體模試驗(yàn)和動(dòng)物試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)框架的有效性與臨床實(shí)用性。腦組織體模與真實(shí)的人腦組織生物力學(xué)參數(shù)類似。對(duì)比植入腦組織體模不銹鋼標(biāo)記物在真實(shí)CT圖像中標(biāo)記物的位移,系統(tǒng)框架的預(yù)測(cè)誤差在0.0-2.0mm之間,平均值1.19mm。矯正精度在52.8%-100%之間,平均值81.4%。豬頭及活豬實(shí)驗(yàn)中,模擬系統(tǒng)框架在臨床應(yīng)用的環(huán)境。離體成年豬頭試驗(yàn)中選擇線彈性模型建模,七例2到3月齡活豬試驗(yàn)選擇了更能滿足豬腦生物力學(xué)屬性的超粘彈模型建模。七例活豬的平均預(yù)測(cè)誤差是0.42±0.16mm,平均矯正精度是77.65±5.68%。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)框架的預(yù)測(cè)誤差和矯正精度結(jié)果基本滿足了臨床上腦組織牽拉變形精度的要求,該框架能夠有效矯正因術(shù)中牽拉引起的腦組織變形。第五,將提出的腦組織牽拉變形矯正系統(tǒng)框架集成到現(xiàn)成的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中。從而使導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能完成現(xiàn)有的開(kāi)顱后腦變形矯正功能,而且同時(shí)具備矯正腦組織牽拉變形的功能。綜上所述,針對(duì)現(xiàn)有手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)存在腦組織牽拉變形矯正的問(wèn)題,本文首先提出基于生物力學(xué)模型的腦組織牽拉變形矯正系統(tǒng)框架,根據(jù)牽拉變形距離大小和復(fù)雜性選擇線彈性模型或者超粘彈模型建模,使用基于LRS的腦組織表面變形跟蹤算法獲取約束生物力學(xué)平衡方程的邊界條件,并用XFEM求解生物力學(xué)模型。其次用腦組織體模試驗(yàn)和動(dòng)物試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)框架的有效性與臨床實(shí)用性,試驗(yàn)結(jié)果表明了系統(tǒng)框架的預(yù)測(cè)誤差和矯正精度結(jié)果基本滿足臨床上腦組織牽拉變形精度的要求,能夠有效矯正因術(shù)中牽拉引起的腦組織變形。最后將提出的腦組織牽拉變形矯正系統(tǒng)框架集成到現(xiàn)成的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)流程中。本文通過(guò)對(duì)神經(jīng)導(dǎo)航中牽拉變形矯正進(jìn)行了全面分析,提出的腦組織牽拉變形矯正系統(tǒng)框架的預(yù)測(cè)誤差和矯正精度結(jié)果基本滿足了臨床要求,為提高神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的腦組織牽拉變形矯正提供了科學(xué)有效的方法。本文相關(guān)內(nèi)容共發(fā)表和錄用SCI論文1篇、中文論文1篇,另向SCI索引的雜志投稿論文1篇。
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【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP391.41;R739.41

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 劉曉華,劉志成;生物軟組織力學(xué)特性的研究進(jìn)展[J];中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志;2004年03期

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本文編號(hào)：2435725