基于混合现实的超声引导肾活检训练系统关键技术研究
发布时间：2021-04-04 20:00
慢性肾病（Chronic Renal Disease,CRD）已成为发病率与死亡率最高的肾部病症之一,大多数患者对自身病情往往并不自知。在该病症的临床诊断过程中,最佳的诊断标准是活体组织的病理检查。在医学上,肾部病灶检查的最常用方法是超声引导下的肾活检穿刺手术,但目前手术仍存在一些问题。在手术进行的过程中,主刀医生往往只能通过二维的超声图像来进行手术,无法实时地确定病灶部位与医用穿刺针的空间位置关系,导致患者需要被反复穿刺后才能取到病灶部位的活体组织,每位患者的平均穿刺次数将达到3至4次,增加了穿刺后并发症的发病几率。论文从超声引导下肾活检手术训练出发,旨在解决手术训练困难、效率低下等实际问题。围绕着基于A*算法的手术路径规划与手术训练辅助两方面,结合客观数据的分析,学习曲线的生成,对基于混合现实的肾穿刺手术训练进行了深入研究。在解决了上述问题的同时,还设计并开发了一套超声引导的肾活检手术训练系统,将上述研究成果集成在训练系统当中,进一步加强了训练系统的效率和效度。同时还邀请到了医院的医学生与专家进行操作并收集数据。论文的工作主要包括如下几个方面:（1）将虚拟现实技术与增强现实技术同手...
【文章来源】：云南师范大学云南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混合现实概念示意图
第1章绪论4图1.2增强现实系统展示2010年，Mrug和Bissler在火鸡胸肉下放置一个猪的肾脏，使用超声设备和半自动穿刺针来模拟经皮肾活检术[19]。随着设备计算能力与计算机图形渲染能力的提升，增强现实技术在虚拟现实技术的基础上实现了质的飞跃。BrainTse等人开发了第一台带有视觉与触觉渲染的牙科手术模拟器hapTEL，可以对牙科中的牙齿钻孔与清理等手术步骤进行模拟训练[20]。2011年，DongNi等人设计了用于肝穿刺的超声引导下的活检模拟器[21]。在2013年ZhangYi等人开发了一款经皮肾组织收集系统来训练使用者进行肾活检手术[22]。2014年，Macedo和Junior设计了一种无标记的增强现实患者医疗数据可视化的系统，通过体积裁剪来进行标记[23]。Tobias等人首次在腹腔镜部分肾脏切除手术中利用增强现实技术进行手术导航，并成功切除肿瘤[24]。2015年，Makiyama等人设计了一种基于虚拟现实的腹腔镜手术模拟器，该模拟器使用患者特定的数据创建基于虚拟现实的手术模拟，使外科医生能够在术前进行手术练习[25]。2016年，Wild等人将增强现实技术与荧光标记相结合应用在了腹腔镜手术当中，利用荧光标记使得增强现实技术可以在手术中进行过程中不受干扰（烟雾、血迹或组织）地显示要进行操作的目标[26]。2017年，Xie等人利用iRay系统结合微软公司生产的HoloLens开发了一种标记医学应用程序[27]；Hamamoto等人提出一种新型的肾穿刺导航系统，它可以实时引导虚拟超声肾穿刺的路径，目的是探讨实时虚拟
第2章相关技术理论研究11A*算法的定义：首先引入一个当前节点j的估价函数f，当前节点j的估价函数定义为：()=()+()（2.1）其中()为起点到当前节点j的实际费用量度；()为从当前节点j到终点的最小费用估计，可以根据实际情况来选择()的具体形式。()在这里需要满足一个要求，在这里引入()，其表示当前节点到达目标的最短距离，而()不能高于节点到终点的实际最小费用，也就是()≤()。因此()的选取有如下三种情况：（1）如果()<()，这种情况下搜索的点数多，搜索范围大，效率低，但能得到最优解。（2）如果()=()，即距离估价等于最短距离，那么后续路径将严格按照最短路径进行，此时搜索效率是最高的。（3）如果()>()，搜索点数最少，搜索范围最小，效率最高，但是无法得到最优解。A*算法的过程：在搜索过程中设置两个表：Open表，存放所有现有生成的而未被考察到的节点；Close表，记录目前已经被考察过的节点[43]。本文中的A*算法过程如下图：图2.1A*算法路径图2.1模拟了穿刺路径规划的过程，穿刺针刺入点为S、穿刺目标点为G、图中椭圆形为模拟患者肋骨。围绕患者的肋骨目前有两条路径，分别是路径0，1，2，3，4，5与路径0，1，6，7，4，5，寻路过程如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三维重建模型的增强现实技术在颅内病变术前定位中的应用研究[J]. 张威,常骁毅,高珂,冒平,王伟,梁晨. 中国微侵袭神经外科杂志. 2019(12)
[2]超声检查在慢性肾病早期诊断中的价值[J]. 孙延玲,李立新,尹建. 影像研究与医学应用. 2019(23)
[3]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[4]CTA联合增强现实导航精确性评价及其在游离股前外侧皮瓣手术中的应用[J]. 罗翔,农裕,江建中,韦平欧,莫勇军,许林,林汉,谭霄,谭海涛. 中国数字医学. 2018(11)
[5]基于力反馈的腰椎内固定虚拟手术训练系统构建[J]. 林艳萍,郭晓杰,陈华江,张颖,袁文,王成焘. 北京生物医学工程. 2016(06)
[6]一种胆囊切除虚拟手术仿真训练平台研究[J]. 汪军,刘冬. 系统仿真学报. 2016(08)
[7]超声引导下经皮肾穿刺活检术在慢性肾脏疾病中诊断价值[J]. 周敬勉,姚丽婷,杨鸣. 临床军医杂志. 2015(05)
[8]超声引导下肾穿刺活检160例并发症分析[J]. 席志凤. 中国误诊学杂志. 2012(02)
[9]基于增强现实的下颌角截骨配准技术的研究[J]. 朱明,柴岗,张艳,马晓飞,俞哲元,朱一佳. 上海口腔医学. 2010(06)
[10]基于增强现实的骨缺损修复系统原型设计[J]. 姚远,逄秀香,刘涛,胡庆夕. 计算机工程. 2009(23)
博士论文
[1]虚拟手术仿真系统中软组织切割模型研究[D]. 程强强.南昌大学 2018
[2]产业集群发展中的政府行为及其评价研究[D]. 王战营.武汉理工大学 2013
硕士论文
[1]基于虚拟现实的牙齿根管预备手术仿真训练系统开发[D]. 肖勇.东南大学 2017
[2]基于增强现实的手术导航图像融合方法研究[D]. 刘晓宏.吉林大学 2015
[3]增强现实牙科虚拟手术的关键技术研究[D]. 乔晨.北京理工大学 2011
本文编号：3118390
【文章来源】：云南师范大学云南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混合现实概念示意图
第1章绪论4图1.2增强现实系统展示2010年，Mrug和Bissler在火鸡胸肉下放置一个猪的肾脏，使用超声设备和半自动穿刺针来模拟经皮肾活检术[19]。随着设备计算能力与计算机图形渲染能力的提升，增强现实技术在虚拟现实技术的基础上实现了质的飞跃。BrainTse等人开发了第一台带有视觉与触觉渲染的牙科手术模拟器hapTEL，可以对牙科中的牙齿钻孔与清理等手术步骤进行模拟训练[20]。2011年，DongNi等人设计了用于肝穿刺的超声引导下的活检模拟器[21]。在2013年ZhangYi等人开发了一款经皮肾组织收集系统来训练使用者进行肾活检手术[22]。2014年，Macedo和Junior设计了一种无标记的增强现实患者医疗数据可视化的系统，通过体积裁剪来进行标记[23]。Tobias等人首次在腹腔镜部分肾脏切除手术中利用增强现实技术进行手术导航，并成功切除肿瘤[24]。2015年，Makiyama等人设计了一种基于虚拟现实的腹腔镜手术模拟器，该模拟器使用患者特定的数据创建基于虚拟现实的手术模拟，使外科医生能够在术前进行手术练习[25]。2016年，Wild等人将增强现实技术与荧光标记相结合应用在了腹腔镜手术当中，利用荧光标记使得增强现实技术可以在手术中进行过程中不受干扰（烟雾、血迹或组织）地显示要进行操作的目标[26]。2017年，Xie等人利用iRay系统结合微软公司生产的HoloLens开发了一种标记医学应用程序[27]；Hamamoto等人提出一种新型的肾穿刺导航系统，它可以实时引导虚拟超声肾穿刺的路径，目的是探讨实时虚拟
第2章相关技术理论研究11A*算法的定义：首先引入一个当前节点j的估价函数f，当前节点j的估价函数定义为：()=()+()（2.1）其中()为起点到当前节点j的实际费用量度；()为从当前节点j到终点的最小费用估计，可以根据实际情况来选择()的具体形式。()在这里需要满足一个要求，在这里引入()，其表示当前节点到达目标的最短距离，而()不能高于节点到终点的实际最小费用，也就是()≤()。因此()的选取有如下三种情况：（1）如果()<()，这种情况下搜索的点数多，搜索范围大，效率低，但能得到最优解。（2）如果()=()，即距离估价等于最短距离，那么后续路径将严格按照最短路径进行，此时搜索效率是最高的。（3）如果()>()，搜索点数最少，搜索范围最小，效率最高，但是无法得到最优解。A*算法的过程：在搜索过程中设置两个表：Open表，存放所有现有生成的而未被考察到的节点；Close表，记录目前已经被考察过的节点[43]。本文中的A*算法过程如下图：图2.1A*算法路径图2.1模拟了穿刺路径规划的过程，穿刺针刺入点为S、穿刺目标点为G、图中椭圆形为模拟患者肋骨。围绕患者的肋骨目前有两条路径，分别是路径0，1，2，3，4，5与路径0，1，6，7，4，5，寻路过程如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三维重建模型的增强现实技术在颅内病变术前定位中的应用研究[J]. 张威,常骁毅,高珂,冒平,王伟,梁晨. 中国微侵袭神经外科杂志. 2019(12)
[2]超声检查在慢性肾病早期诊断中的价值[J]. 孙延玲,李立新,尹建. 影像研究与医学应用. 2019(23)
[3]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[4]CTA联合增强现实导航精确性评价及其在游离股前外侧皮瓣手术中的应用[J]. 罗翔,农裕,江建中,韦平欧,莫勇军,许林,林汉,谭霄,谭海涛. 中国数字医学. 2018(11)
[5]基于力反馈的腰椎内固定虚拟手术训练系统构建[J]. 林艳萍,郭晓杰,陈华江,张颖,袁文,王成焘. 北京生物医学工程. 2016(06)
[6]一种胆囊切除虚拟手术仿真训练平台研究[J]. 汪军,刘冬. 系统仿真学报. 2016(08)
[7]超声引导下经皮肾穿刺活检术在慢性肾脏疾病中诊断价值[J]. 周敬勉,姚丽婷,杨鸣. 临床军医杂志. 2015(05)
[8]超声引导下肾穿刺活检160例并发症分析[J]. 席志凤. 中国误诊学杂志. 2012(02)
[9]基于增强现实的下颌角截骨配准技术的研究[J]. 朱明,柴岗,张艳,马晓飞,俞哲元,朱一佳. 上海口腔医学. 2010(06)
[10]基于增强现实的骨缺损修复系统原型设计[J]. 姚远,逄秀香,刘涛,胡庆夕. 计算机工程. 2009(23)
博士论文
[1]虚拟手术仿真系统中软组织切割模型研究[D]. 程强强.南昌大学 2018
[2]产业集群发展中的政府行为及其评价研究[D]. 王战营.武汉理工大学 2013
硕士论文
[1]基于虚拟现实的牙齿根管预备手术仿真训练系统开发[D]. 肖勇.东南大学 2017
[2]基于增强现实的手术导航图像融合方法研究[D]. 刘晓宏.吉林大学 2015
[3]增强现实牙科虚拟手术的关键技术研究[D]. 乔晨.北京理工大学 2011
本文编号：3118390
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