超声图像引导下介入式手术导航关键技术研究

发布时间：2017-09-04 21:34

  本文关键词：超声图像引导下介入式手术导航关键技术研究

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【摘要】：介入式手术导航系统是利用医学影像协助医生将手术器械直接穿刺到病灶内部进行微创治疗的计算机辅助技术,它是集定位技术、医学成像技术、图像处理技术等为一体的交叉课题。其中的定位技术包括机械定位、电磁定位、光学定位等。光学定位较其他定位方式具有精度高、抗电磁干扰等优点而被广泛使用。比较常用的医学影像模式为CT、X-ray和MRI图像,而CT、X-ray影像对患者和医生会造成不同程度的辐射损伤,MRI影像存在一定的灰度畸变和几何畸变,增加手术引导的误差。超声图像具有价格低廉、实时成像等优点,为此本文研究光学定位的超声图像引导下介入式手术导航系统关键技术。主要研究工作及成果如下：首先,针对可见光定位系统,提出一种基于最大相关熵准则的手术器械尖端点标定算法,由于光照、背景等因素导致手术器械标记点定位出现较大抖动,导致尖端点的标定有较大误差,而最大相关熵准则可以克服由于抖动带来的误差,从而提高标定精度,实验结果显示本算法比传统的最小二乘(LMS)算法精度有所提高,且达到相同精度所需图像更少。其次,提出一种快速超声探头自动标定方法,利用光学定位系统定位超声图像区域中的尖端点,来代替复杂的标定模板,利用图像处理技术提取超声图像中的尖端点,可以克服手动选取引入的随机误差及节省大量时间。另外,基于局部高斯分布拟合能量(LGDF)模型的图像分割方法,对初始轮廓选取及参数选择较敏感,每次分割需要手动选取初始轮廓,轮廓选取不当会由于陷入局部极小值而导致分割失败,且分割速度较慢。针对以上不足,本文提出了一种结合图像局部熵阈值分割及改进正则化项的LGDF模型的超声图像自动分割方法。最后,设计了几种简易的手术器械,小球作为标志点,利用小球形状来跟踪手术器械标志点,利用小球颜色来区别不同的器械。搭建了导航系统样机,对系统进行了手术器械的标定、目标跟踪、精度测试等。各项关键技术基本满足介入式导航系统的精度和实时性的要求。
【关键词】：介入式手术导航 光学定位 器械标定 超声探头标定 图像分割
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R445.1;R61
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题的研究背景与意义10-11
• 1.2 介入式手术导航的关键技术11-16
• 1.2.1 介入式手术导航的医学成像与图像处理技术11-14
• 1.2.2 介入式手术导航的定位跟踪技术14-15
• 1.2.3 介入式手术导航的手术器械标定技术15-16
• 1.2.4 介入式手术导航的配准与显示技术16
• 1.3 超声图像引导下手术导航的发展现状16-17
• 1.3.1 国外发展现状16-17
• 1.3.2 国内发展现状17
• 1.3.3 存在的问题与挑战17
• 1.4 本文的主要工作与成果17-18
• 1.5 本文的结构安排18-20
• 2 超声图像引导下介入式手术导航系统的基本理论20-31
• 2.1 超声图像引导下介入式手术导航系统的工作原理20-21
• 2.2 光学定位技术21-26
• 2.2.1 摄像机模型21-24
• 2.2.2 摄像机标定与立体标定24-25
• 2.2.3 三维重建25-26
• 2.3 手术器械标定技术26-27
• 2.3.1 手术探针的尖端点标定26
• 2.3.2 超声探头的图像标定26-27
• 2.4 超声图像分割技术27-30
• 2.4.1 基于阈值的分割方法27-28
• 2.4.2 基于统计学习的分割方法28
• 2.4.3 基于区域的分割方法28-29
• 2.4.4 基于边缘的分割方法29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 超声图像引导下介入式手术导航的手术器械标定方法31-46
• 3.1 基于最大相关熵准则的手术器械尖端点标定方法31-38
• 3.1.1 基本介绍31-32
• 3.1.2 相关熵32-33
• 3.1.3 算法原理33-35
• 3.1.4 算法流程35
• 3.1.5 实验与结果分析35-38
• 3.1.6 讨论38
• 3.2 一种快速超声探头自动标定方法38-45
• 3.2.1 基本介绍38-39
• 3.2.2 超声图像标定算法原理39-43
• 3.2.3 标定算法流程43
• 3.2.4 实验及结果分析43-45
• 3.3 本章小结45-46
• 4 基于改进LGDF模型的超声图像自动分割方法46-56
• 4.1 概述46-47
• 4.2 分割算法47-50
• 4.2.1 LGDF模型47
• 4.2.2 本文算法47-50
• 4.2.3 算法步骤50
• 4.3 实验与结果分析50-55
• 4.3.1 评价准则50-51
• 4.3.2 实验条件51
• 4.3.3 实验结果51-55
• 4.3.4 分析讨论55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 超声图像引导下介入式手术导航系统样机设计56-64
• 5.1 系统组成56-57
• 5.1.1 硬件系统56
• 5.1.2 软件系统56-57
• 5.2 系统标定57-60
• 5.2.1 摄像机标定57-58
• 5.2.2 手术器械标定58-60
• 5.3 系统性能测试60-62
• 5.3.1 测量精度测试60-61
• 5.3.2 多个手术器械识别测试61-62
• 5.4 器械跟踪实验62-63
• 5.4.1 单个器械跟踪62
• 5.4.2 双器械跟踪62-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文和申请专利情况69-70
• 致谢70-71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：793972