超声引导肿瘤微波消融虚拟手术系统研究
发布时间：2021-06-25 10:01
上世纪90年代以来,介入式热消融技术逐渐在临床肿瘤治疗中得到广泛应用,出现了在超声图像引导下的肿瘤微波消融手术系统及其机器人辅助治疗系统。但是这些系统在临床治疗中,依然存在着无法在三维环境中进行手术规划、超声引导图像显示在医生手术视野范围之外等局限性,限制了手术质量的提高。而基于发展迅速的头戴式虚拟显示设备开发出的虚拟手术系统成为解决以上问题的新途径。本文以微软HoloLens头戴式混合现实显示设备为基础,使用Untiy3D软件平台开发出了超声引导肿瘤微波消融虚拟手术系统,并在手术病灶三维建模、超声图像传输、手术路径规划等方面进行了研究工作。在病灶三维建模方面,选择使用成熟的医学建模软件Mimics,详细研究了基于阈值分割的CT图像三维重建方法,对CT图像进行灰度调整与组织分割等操作,重建了适用于微波消融治疗的真实肝脏、肾脏、胰腺等肿瘤病灶的三维模型。在超声图像传输方面,采用Socket编程与UDP通讯协议进行图像数据传输的方法,在HoloLens中实现了超声引导图像与手术视野的融合,改善了医生在使用术中超声引导时手眼协调的状况。在手术路径规划方面,实现了在佩戴HoloLens设备的情...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３第一套虚拟手术系统ｔ２４］?
十分重要的作用与意义，并且已经开始应用于临床医学当中。??在１９９６年的全球第四届医学虚拟现实会议上，ＳａｔａｖａＲＭ［２１］正式提出将医学虚拟??现实系统框架的发展分为三个阶段，如图１－２所示：??（?ｆｃａａｓａ）?（?ｘｓｓ?）?考虑器官生理机能的生理??第二代?乂?ｙ?Ｖ?乂?学仿真??（）?（?ａ？?）??ｖ?Ｊ?ｖ?ｙ?加入人体组织物理特性的??＿?＾?物理学仿真??第－代?（Ｔ）?Ｑ??＾＾?＾Ｖ?着重于人体结构组成的解??第一代?广一￣￣、?广＼?剖学仿真??图１－２虚拟手术发展三个阶段??Ｆｉｇ．１－２?Ｔｈｒｅｅ?ｓｔａｇｅｓ?ｏｆ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｓｕｒｇｅｒｙ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ??ｉ．第一阶段：几何特征??这一阶段虚拟手术系统发展重点在于能够表现出人体的几何模型，主要工作是完??成人体几何特征的刻画，形成人体解剖数据集，并将虚拟现实技术中的沉浸与漫游等??特性用于这一数据集，主要应用于向医务人员展示人体解剖知识，将平面图跃然于纸??上
这是较早可以实现相对真实反馈力的一套系统［２８］。１９９７年，Ｄｅｌｐ等人利用美国医学??国家实验室的Ｖｉｓｉｂｌｅ?Ｈｕｍａｎ项目中人体切片数据中的腿部数据，成功研发出一套三??维显示系统，该系统可以实现对真实手术场景的三维显示，如图１－５所示。这套能进??行三维手术场景显示的虚拟手术系统，成功建立起一个受伤的腿部模型，并且可以成??功模拟手术中人体软组织在受到手术工具的外力与切割之后发生的形变与流血效果。??受限于当时计算机技术的发展，此系统依然不够完善，但依然是虚拟手术系统研宄的??一大进步，对于虚拟手术系统未来的发展具有十分重要的指导意义［２９］。Ｃｏｔｉｎ等人在??１９９９年，建立一套真正意义上具备完善交互功能的虚拟手术系统，该系统还可以实现??根据虚拟手术系统中设备的位置计算出模拟器官软组织产生的形变量［３Ｑ］。这些都是虚??拟手术系统发展早期阶段具有代表性的成果，对虚拟手术系统的研宄具有开创性的意??义。??图１－５腿部虚拟手术交互系统［２９］??Ｆｉｇ．?１－５?Ｌｅｇ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｓｕｒｇｅｒｙ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｓｙｓｔｅｍ［２９］??随着计算机模拟技术的快速发展，虚拟手术研究也步入发展的快车道，美国、欧??洲以及日本的许多研究机构与公司涌现出大量的虚拟手术产品。??加州大学伯克利分校研发出一套用于进行手术路径规划的虚拟注射手术系统［３１］。??１９９９年美国Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ医学公司研发出一套具备力反馈功能的虚拟注射系统??ＣａｔｈＳｉｍ［＇如图１－６所示，在使用过程中可以感受到注射器和皮肤之间的接触与穿??刺效果。??６?
【参考文献】：
期刊论文
[1]经皮穿刺腰椎间盘介入手术虚拟训练系统的研究[J]. 游箭,李恺,谢叻,林支付,魏欣. 西部医学. 2013(04)
[2]临床医学科研伦理审查面临的问题与对策[J]. 黄瑾,刘厚佳,蒲江,胡晋红,项耀钧. 中国医院管理. 2011(06)
[3]虚拟脑部穿刺手术中的任意切片实现[J]. 杨贞祥. 技术与市场. 2011(01)
[4]基于二维直方图斜分的最小类内方差阈值分割[J]. 吴一全,吴文怡,潘喆. 仪器仪表学报. 2008(12)
[5]虚拟现实技术在医学实验教学中的应用[J]. 朱利,赵卫. 南方医学教育. 2008(04)
[6]双通道触觉交互系统中牙科手术工具之间动态交互的力觉仿真[J]. 刘冠阳,张玉茹,王瑜,王党校. 系统仿真学报. 2007(20)
[7]虚拟消化道内窥镜训练系统[J]. 何必航,肖国臻,李侃. 江南大学学报(自然科学版). 2007(02)
[8]实现牙体预备触觉交互仿真的图形显示[J]. 刘冠阳,张玉茹. 计算机工程与应用. 2007(06)
[9]肿瘤热消融治疗:现状和展望[J]. 董宝玮,梁萍. 中华医学杂志. 2006(12)
[10]超声引导经皮微波消融治疗早期原发性肝癌的远期疗效[J]. 董宝玮,梁萍,于晓玲,于德江,张晶,冯蕾,程志刚,王旸,王知力. 中华医学杂志. 2006(12)
博士论文
[1]脑外科虚拟手术中软组织形变及撕裂模型研究[D]. 邹艳妮.南昌大学 2016
[2]虚拟手术系统关键技术研究[D]. 高永辉.上海交通大学 2011
[3]计算机集成技术在影像引导消融治疗中应用的研究[D]. 鲁通.中国人民解放军军医进修学院 2010
硕士论文
[1]基于Unity3D的神经外科虚拟手术训练软件设计与开发[D]. 李永强.浙江工业大学 2016
[2]数字三维心脏模型可视化的交互设计与实现[D]. 徐扬.北京工业大学 2016
[3]腹部CT图像的三维重构与手术规划[D]. 王文峰.国防科学技术大学 2010
[4]肝肿瘤微波消融治疗机器人超声影像采集及三维重建系统的研究[D]. 李宇鑫.北京化工大学 2009
[5]医学图像三维重建技术的研究与应用[D]. 门怀宇.电子科技大学 2008
[6]虚拟膝关节手术中大范围实时变形方法研究[D]. 徐兴华.国防科学技术大学 2007
[7]计算机模拟髋关节手术的研究[D]. 苏永松.清华大学 2005
本文编号：3249007
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３第一套虚拟手术系统ｔ２４］?
十分重要的作用与意义，并且已经开始应用于临床医学当中。??在１９９６年的全球第四届医学虚拟现实会议上，ＳａｔａｖａＲＭ［２１］正式提出将医学虚拟??现实系统框架的发展分为三个阶段，如图１－２所示：??（?ｆｃａａｓａ）?（?ｘｓｓ?）?考虑器官生理机能的生理??第二代?乂?ｙ?Ｖ?乂?学仿真??（）?（?ａ？?）??ｖ?Ｊ?ｖ?ｙ?加入人体组织物理特性的??＿?＾?物理学仿真??第－代?（Ｔ）?Ｑ??＾＾?＾Ｖ?着重于人体结构组成的解??第一代?广一￣￣、?广＼?剖学仿真??图１－２虚拟手术发展三个阶段??Ｆｉｇ．１－２?Ｔｈｒｅｅ?ｓｔａｇｅｓ?ｏｆ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｓｕｒｇｅｒｙ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ??ｉ．第一阶段：几何特征??这一阶段虚拟手术系统发展重点在于能够表现出人体的几何模型，主要工作是完??成人体几何特征的刻画，形成人体解剖数据集，并将虚拟现实技术中的沉浸与漫游等??特性用于这一数据集，主要应用于向医务人员展示人体解剖知识，将平面图跃然于纸??上
这是较早可以实现相对真实反馈力的一套系统［２８］。１９９７年，Ｄｅｌｐ等人利用美国医学??国家实验室的Ｖｉｓｉｂｌｅ?Ｈｕｍａｎ项目中人体切片数据中的腿部数据，成功研发出一套三??维显示系统，该系统可以实现对真实手术场景的三维显示，如图１－５所示。这套能进??行三维手术场景显示的虚拟手术系统，成功建立起一个受伤的腿部模型，并且可以成??功模拟手术中人体软组织在受到手术工具的外力与切割之后发生的形变与流血效果。??受限于当时计算机技术的发展，此系统依然不够完善，但依然是虚拟手术系统研宄的??一大进步，对于虚拟手术系统未来的发展具有十分重要的指导意义［２９］。Ｃｏｔｉｎ等人在??１９９９年，建立一套真正意义上具备完善交互功能的虚拟手术系统，该系统还可以实现??根据虚拟手术系统中设备的位置计算出模拟器官软组织产生的形变量［３Ｑ］。这些都是虚??拟手术系统发展早期阶段具有代表性的成果，对虚拟手术系统的研宄具有开创性的意??义。??图１－５腿部虚拟手术交互系统［２９］??Ｆｉｇ．?１－５?Ｌｅｇ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｓｕｒｇｅｒｙ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｓｙｓｔｅｍ［２９］??随着计算机模拟技术的快速发展，虚拟手术研究也步入发展的快车道，美国、欧??洲以及日本的许多研究机构与公司涌现出大量的虚拟手术产品。??加州大学伯克利分校研发出一套用于进行手术路径规划的虚拟注射手术系统［３１］。??１９９９年美国Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ医学公司研发出一套具备力反馈功能的虚拟注射系统??ＣａｔｈＳｉｍ［＇如图１－６所示，在使用过程中可以感受到注射器和皮肤之间的接触与穿??刺效果。??６?
【参考文献】：
期刊论文
[1]经皮穿刺腰椎间盘介入手术虚拟训练系统的研究[J]. 游箭,李恺,谢叻,林支付,魏欣. 西部医学. 2013(04)
[2]临床医学科研伦理审查面临的问题与对策[J]. 黄瑾,刘厚佳,蒲江,胡晋红,项耀钧. 中国医院管理. 2011(06)
[3]虚拟脑部穿刺手术中的任意切片实现[J]. 杨贞祥. 技术与市场. 2011(01)
[4]基于二维直方图斜分的最小类内方差阈值分割[J]. 吴一全,吴文怡,潘喆. 仪器仪表学报. 2008(12)
[5]虚拟现实技术在医学实验教学中的应用[J]. 朱利,赵卫. 南方医学教育. 2008(04)
[6]双通道触觉交互系统中牙科手术工具之间动态交互的力觉仿真[J]. 刘冠阳,张玉茹,王瑜,王党校. 系统仿真学报. 2007(20)
[7]虚拟消化道内窥镜训练系统[J]. 何必航,肖国臻,李侃. 江南大学学报(自然科学版). 2007(02)
[8]实现牙体预备触觉交互仿真的图形显示[J]. 刘冠阳,张玉茹. 计算机工程与应用. 2007(06)
[9]肿瘤热消融治疗:现状和展望[J]. 董宝玮,梁萍. 中华医学杂志. 2006(12)
[10]超声引导经皮微波消融治疗早期原发性肝癌的远期疗效[J]. 董宝玮,梁萍,于晓玲,于德江,张晶,冯蕾,程志刚,王旸,王知力. 中华医学杂志. 2006(12)
博士论文
[1]脑外科虚拟手术中软组织形变及撕裂模型研究[D]. 邹艳妮.南昌大学 2016
[2]虚拟手术系统关键技术研究[D]. 高永辉.上海交通大学 2011
[3]计算机集成技术在影像引导消融治疗中应用的研究[D]. 鲁通.中国人民解放军军医进修学院 2010
硕士论文
[1]基于Unity3D的神经外科虚拟手术训练软件设计与开发[D]. 李永强.浙江工业大学 2016
[2]数字三维心脏模型可视化的交互设计与实现[D]. 徐扬.北京工业大学 2016
[3]腹部CT图像的三维重构与手术规划[D]. 王文峰.国防科学技术大学 2010
[4]肝肿瘤微波消融治疗机器人超声影像采集及三维重建系统的研究[D]. 李宇鑫.北京化工大学 2009
[5]医学图像三维重建技术的研究与应用[D]. 门怀宇.电子科技大学 2008
[6]虚拟膝关节手术中大范围实时变形方法研究[D]. 徐兴华.国防科学技术大学 2007
[7]计算机模拟髋关节手术的研究[D]. 苏永松.清华大学 2005
本文编号：3249007
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