面向微创手术规划的广义腔体数字化表达与分析方法

发布时间：2022-09-29 12:58

　　微创手术视野小,腔内空间狭窄、空间分布复杂,外科医生只能通过内镜视频开展手术,因此手术操作难度高、风险大。如果能够在计算机辅助下将手术腔体的内部结构以可视化的方式呈现,并加以数字化分析,将大大提高微创手术的精准度和可靠性。基于上述目的,本文围绕广义腔体的几何建模、形态分析与理解以及手术方案制订等关键问题展开研究。论文的主要工作和成果包括:（1）广义腔体几何模型的创建。由于广义腔体由多个器官围合而成,其形态会随着手术进程发生改变,因此广义腔体的建模是一个极具挑战性的问题。针对这一问题,提出一种广义腔体模型的创建算法。该算法以围合腔体的器官模型为输入,通过截面轮廓法创建静态的几何模型,然后依据数值模拟的结果,重建广义腔体的动态模型。（2）从广义腔体几何模型中获取高层次的语义信息,实现对腔体形状的理解。首先提出评价腔体几何空间形态的指标体系,获取反映腔体空间分布的紧凑度、连通度、方向性和瓶颈度等语义信息。然后提出一种基于显式边界轮廓的形状语义分割算法,该算法同时考虑了几何信息与拓扑信息,能够在路径分支处将腔体模型划分成若干个子腔体。最后定义了一种子腔体网络用于存储语义信息,分析了其特性、并提... 

【文章页数】：158 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究目的与意义
    1.2 计算机辅助手术系统
    1.3 关键问题的研究现状
        1.3.1 微创手术术前规划方法
        1.3.2 解剖结构建模
        1.3.3 形状分割算法
        1.3.4 手术过程识别与建模
        1.3.5 手术方案可视化
    1.4 论文的主要研究内容
第二章 广义腔体几何建模算法及其几何形态评价
    2.1 腔体空间模型的表示方法
    2.2 腔体空间模型的创建方法
        2.2.1 问题描述与算法流程
        2.2.2 初始腔体模型提取方法
        2.2.3 动态腔体模型的创建方法
        2.2.4 实验结果与讨论
    2.3 腔体空间几何形态评价指标
        2.3.1 全局空间聚集度
        2.3.2 局部空间聚集度
        2.3.3 相对空间聚集度
        2.3.4 方向聚集度与顺应方向
        2.3.5 层次方向聚集度
    2.4 本章小结
第三章 广义腔体语义分割及拓扑结构提取算法
    3.1 问题描述与算法流程
        3.1.1 问题描述
        3.1.2 算法流程
    3.2 显式分割轮廓的构造方法
        3.2.1 实值标量函数定义
        3.2.2 关键点识别与关键环计算
        3.2.3 关键环与特征线连接
    3.3 形状分割算法
        3.3.1 分割算法
        3.3.2 特殊处理
    3.4 子腔体网络及其构建算法
        3.4.1 子腔体网络的定义及其特性
        3.4.2 构建算法
    3.5 结果分析与讨论
        3.5.1 形状分割结果
        3.5.2 算法的鲁棒性分析
        3.5.3 算法比较
    3.6 本章小结
第四章 广义腔体空间的可达性分析
    4.1 腔体空间可达性定义与分类
    4.2 本征空间可达性
        4.2.1 本征空间可达性的量化依据
        4.2.2 本征空间可达性的计算
    4.3 本征-器械空间可达性
    4.4 特征轮廓提取算法
        4.4.1 多判别指标的特征识别方法
        4.4.2 局部采样追踪算法
        4.4.3 实验结果分析及算法比较
    4.5 基于特征轮廓的敏感组织边界面识别
        4.5.1 关键点识别
        4.5.2 敏感组织边界面识别案例
    4.6 本章小结
第五章 术前规划方案制订及可视化
    5.1 手术方案的形式化定义
        5.1.1 手术方案的关键要素
        5.1.2 组成要素的形式化定义
        5.1.3 手术方案的存储结构
    5.2 手术路径规划算法
    5.3 手术操作空间的量化塑造
        5.3.1 问题描述
        5.3.2 约束组织的识别方法
        5.3.3 空间塑造策略及量化参数计算
    5.4 手术方案的实例化
        5.4.1 统计手术过程模型的建模方法
        5.4.2 个性化患者手术方案的实例化
    5.5 数字化手术方案的可视化呈现
        5.5.1 结构化虚拟场景生成
        5.5.2 手术过程的可视化
    5.6 本章小结
第六章 膝关节镜手术规划系统
    6.1 广义腔体的构成
    6.2 手术规划及训练系统平台
        6.2.1 系统总体架构
        6.2.2 硬件平台
        6.2.3 软件模块
    6.3 手术规划模块设计与实现
        6.3.1 基础模块
        6.3.2 规划应用模块
    6.4 术前规划应用案例
        6.4.1 需求分析
        6.4.2 术前规划流程
    6.5 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读学位期间的论文及项目
致谢
附录1 游离体摘除术手术方案


【参考文献】：
期刊论文
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[7]自然现象的数据获取与模拟[J]. 赵沁平.  中国科学:信息科学. 2011(04)
[8]采用张量投票理论的三角网格特征边提取算法[J]. 张慧娟,耿博,汪国平.  计算机辅助设计与图形学学报. 2011(01)
[9]虚拟手术训练系统的血流模拟[J]. 黄雷,肖双九,顾力栩,郑广超,夏福清.  计算机应用与软件. 2011(01)
[10]虚拟手术中软组织实时形变模型的研究进展[J]. 徐少平,刘小平,张华,罗洁.  生物医学工程学杂志. 2010(02)

博士论文
[1]语义驱动的三维形状分析及建模[D]. 徐凯.国防科学技术大学 2011
[2]基于活动轮廓模型的医学图像分割关键技术研究[D]. 孟琭.东北大学 2010



本文编号：3682634