超声手术导航技术研究：图像分割，标定及可视化

发布时间：2020-10-27 14:08

　　 与其它医学成像技术相比,超声成像具有安全性高、时间分辨率好等重要优势。由超声图像引导的介入式手术导航技术正日益成为临床医学的重要技术手段之一。在介入式手术过程中,超声导航技术跟踪超声图像探头的坐标位置,用于引导手术器械使之快速准确地达到目标位置。研究并实现基于双目视觉的超声引导介入是手术导航系统,需要面对三个主要技术挑战:第一,要保证导航系统的高度精确性,并能够准确地将身体内部状态与变化展现给屏幕旁的外科医生;第二,要在模糊的和固有斑点噪声的医学超声图像中准确分割出肿瘤部位;最后,要结合利用数据实现导航过程的可视化,对手术医生实时显示合适的信息。为了解决这些问题,本文进行了以下研究工作:首先,开发了一种手术器械尖端的标定方法。针对传统的基于最小二乘法(LS)标定方法对异常值敏感问题,提出了一种基于递推最大熵(RMC)准则的自适应标定方法。分析和实验表明,该方法对异常值具有较好鲁棒性,且标定精度较高。其次,通过结合局部相关熵和全局相关熵,提出了一种基于全局和局部相关熵的k均值(GLCK)图像分割算法。局部相关熵力在目标边界附近起主导作用,用来吸引水平集函数曲线达到目标边界;而全局相关熵力在远离目标边界时起主导作用。结果表明,GLCK模型提高了斑点噪声和边界模糊的图像在分割上的鲁棒性和精度,且计算时间也明显减少。最后,提出了一个综合的多模态可视化场景。我们设计了可以从任何位置观看的虚拟3D导航场景,包括跟踪的手术器械和实时2D超声图像平面的伪影表示。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R319
【文章目录】：
Abstract
摘要
1 Introduction
    1.1 Research Background and Significance
    1.2 The Key Technologies in Ultrasound-Based Surgery Navigation
        1.2.1 Ultrasound Imaging
        1.2.2 Tracking Technologies
        1.2.3 Calibration of the Ultrasound Probe and Surgery Instrument
        1.2.4 Registration and Ultrasound Segmentation
        1.2.5 Visualization in Ultrasound-based Surgery Navigation
    1.3 Research Progress
        1.3.1 Literature Review
        1.3.2 The Challenge of Ultrasound-based Surgical Navigation
    1.4 Outline
2 Workflow and Application of Ultrasound-based Surgery Navigation
    2.1 Workflow of Ultrasound-based Surgery Navigation
    2.2 Applications of Ultrasound-Based Surgical Navigation
        2.2.1 Ultrasound-based Surgery Navigation in Neurosurgery
        2.2.2 Ultrasound-based Surgery Navigation in Laparoscopic
    2.3 Chapter Summary
3 The Principle and Method of the Surgical Instrument’s Tip and Ultrasound Probe Calibration
    3.1 Recursive Maximum Correntropy based Calibration of the Surgical Instrument’s Tip
        3.1.1 Principle Method of Surgical Instrument Tip Calibration
        3.1.2 Recursive Maximum Correntropy Theory
        3.1.3 Surgical Instrument Tip Calibration using the Recursive Maximum Correntropy Algorithm
        3.1.4 Experimental Setup
        3.1.5 Experimental Results
        3.1.6 Conclusion and Discussion
    3.2 Ultrasound Probe Calibration
        3.2.1 Principle Method of Ultrasound Probe Calibration
        3.2.2 Experimental Process and Results
        3.2.3 Conclusion and Discussion
    3.3 Chapter Summary
4 The Principle and Method of Tumor Segmentation in the Ultrasound Image
    4.1 Image Segmentation Background
        4.1.1 CV Method
        4.1.2 LBF Method
    4.2 Active Contour Driven by Global and Local Correntropy Energies （GLCK） for Segmentation Ultrasound Image
        4.2.1 GLCK Methodt
        4.2.2 GLCK Algorithm
        4.2.3 Experimental Results
        4.2.4 Discussion and Conclusion
    4.3 Chapter Summary
5 Assembly of Ultrasound-based Navigation Systems
    5.1 System Material
    5.2 System Calibration
    5.3 System Visualization
        5.3.1 Main Part of the Program
        5.3.2 Experimental Results
    5.4 Chapter Summary
Conclusions
References
Research Projects and Publications in Master Study
Acknowledgement

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 罗杨宇;徐静;鲁通;陈恳;李成荣;;基于磁定位器的手动三维超声图像标定[J];中国生物医学工程学报;2008年02期

2 刘洁,高上凯,李铮;三维Freehand超声血流测量系统中的单平面定标方法[J];北京生物医学工程;2001年03期

相关博士学位论文 前1条

1 马文娟;红外手术导航仪关键技术研究[D];上海交通大学;2010年

本文编号：2858624