基于VTK的医学三维图像模型构建与切割

虚拟外科手术是医学领域的一个重要研究方向。基于面绘制和体绘制两种可视化算法实现医学图像的三维模型重建,针对不同重建模型分别实现虚拟任意切割：面切割和体切割,并讨论了虚拟切割的交互操作实现方法。用VTK(Visualization Toolkit)初步实现了模拟手术系统中的虚拟切割脊柱体功能。     

基于正侧位投影约束的空间配准与脊柱手术导航

为提高机器人辅助脊柱手术的精确性、安全性以及易用性,将术前CT 图像与术中X 射线图像配准． 传统单平面配准法因缺乏沿光轴的深度信息而导致导航误差较大,本文通过同时计算正侧位透视图像来提高配准与 导航精度．通过分析正侧位投影空间变换模型,利用该双平面几何约束实现自动的配准初值估计并建立3 维手术空 间与CT 空间的映射．在虚拟X 射线导航基础上,利用立体视觉定位计算手术器械在CT 空间的实时位姿从而实现 3 维导航．脊柱体模实验证明该配准与导航方法的精度满足手术要求,动物椎板磨削实验表明该系统可实现实时监 控,提高手术安全性．     

基于MRI的开颅手术仿真系统设计

目前临床的医学可视化工具不能准确模拟开颅手术过程,也难以获得颅脑开窗后的仿真影像来评估手术方案对颅内组织的影响。为此,设计一种面向外科手术医生的开颅手术仿真系统。相对于传统医学可视化工具针对医学影像数据进行一次性建模的方式,该系统在三维数据重建前完成关键组织区域的提取和划分,以提升分割效果的区分度,同时采用松耦合结构方便后续功能扩展。系统基于病人术前的MRI数据,自动化地提取出关键组织区域并混合绘制为多解剖结构的手术模型。手术模型可模拟开窗区域规划、手术入路、虚拟切割等开颅手术过程,并对不同解剖结构的面绘制及体绘制模型分别应用切割隐函数,以生成开窗后大脑皮层及浅表静脉等关键区域影像。实现结果表明,该系统允许医生尝试不同的手术方案,能仿真关键问题并评估方案优劣,达到减少手术风险、熟练手术步骤、提高手术精确度的目的。     

全局一致的多视图像配准

为了提高多视图像配准的精度和一致性,考虑到各种不确定信息,提出了一个基于概率估计的多视图像配准方法。把各视点的位置姿态作为系统状态,构造系统增广模型和系统观测模型,运用增广卡尔曼滤波技术对各视点的位置姿态进行递归地估计,实现了精确的、全局一致的多视图像配准。实验对提出的配准方法进行了验证,结果表明提出的多视图像配准方法能够有效地处理不确定信息,配准结果是一致的和精确的。     

拟合精度引导的扩散加权图像配准

扩散加权图像的量化分析在临床诊断上有着广泛应用,而图像采集时病人呼吸、心脏运动导致的不同b值图像间的偏差对诊断结果有着重要影响,因此配准是精确量化估计的前提条件。由于由于不同b值的扩散加权图像中的信号衰减程度不同且同一b值图像内存在灰度不均匀性,因此使用传统的配准算法会导致在将不同b值图像配准到b₀图像的过程中产生较大的偏移,尤其是在高b值的图像上。文中提出了拟合精度引导自由形变(Free -Form Deformation,FFD)模型的新方法,实现了多b值扩散加权图像的精确配准。所提方法应用体素不相干运动(Intra-Voxel Incoherent Motion,IVIM)模型对图像进行参数拟合从而得到拟合精度,并使用拟合精度构造的权重矩阵对图像中的不同位置自适应地加权自由形变的变形步长以得到最优的变形场。5组不同b值序列图像上的实验结果表明,所提方法提高了扩散加权图像的配准效果,且经过配准后获得了更加精确的IVIM模型参数。     

虚拟手术中的模型实时绘制

实时的视觉反馈在虚拟手术中可以加强操作者的沉浸感。该文分析了体绘制和面绘制的优缺点,在系统实时性的要求下,实现了基于立体纹理映射的三维体模型的面绘制。算法在容许实时交互的同时,为操作者提供了真实感较强的视觉反馈。由于文中立体纹理生成及纹理坐标计算的特殊性,对虚拟手术中的拉压变形和切割等操作也能很好地处理。     

基于GPU的交互式体数据切割

为实现实时高效的体数据切割操作,提出一种将人机交互和基于GPU的体绘制相结合的切割方法.先通过人机交互生成多个切割体的几何形状并三角化,将其作为基于GPU的光线投射算法的代理面,然后利用深度剥离算法获得光线在所有代理面上的出入射点坐标,并用多个通道完成体绘制.该方法在单个3D纹理上进行,可以实现多个任意形状的切割体切割,在节省GPU内存空间的同时,提高了切割后的绘制效率.     

脊柱手术导航中分步式2D/3D图像配准方法

为实现微创脊柱手术导航,提出一种将脊柱术前CT与其术中X射线图像配准的方法.首先基于一种最近点迭代法进行快速粗配准;然后提取图像的梯度特征,根据投影变换原理,采用寻找具有CT最大梯度投影位置的方法进行精配准.在模拟数据及临床标本上进行实验的配准率分别为92%和78%. 实验结果表明:该方法鲁棒性强、人工干预少、适合于临床应用.     

板金属冲压零件表面模型与实测点云配准研究

为研究板料零件成形后实测点与设计原型之间的制造偏差,需要将实测坐标点云数据和产品数字模型进行配准,实现设计坐标系和实测点云数据的测量坐标系的统一。以CAD模型离散点云数据为引导,将配准过程分为初步配准和精确配准两个步骤。采用基于PCA提取特征坐标系的方法进行初步配准,采用k-d tree加速的ICP算法进行精确配准,将实测点云数据和设计原型离散点云数据转换到同一个坐标系中。基于UG NX平台将经过坐标转换的实测点云数据读入到CAD模型中,得到同一环境坐标系下配准后的实测点云数据和CAD模型,为制造偏差分析提供了基础,并进行了实例验证。     

基于CT图像的肝脏及其内部管道可视化系统

建立肝脏及其内部管道系统的三维模型并进行切割手术模拟可以提高肝脏外科手术的精确性和安全性,达到最大限度地减小手术创伤、缩短手术时间、提高手术成功率、减少医疗费用及促进病人康复的目的。论文阐述了作者开发基于CT图像的肝脏及其内部管道系统三维重建、虚拟切割采用的技术和方法———用直接体视化方法建立肝脏的三维体视化模型,在OPENGL环境下采用空间点绘制的方法显示肝脏的管道系统并进行切割手术模拟。最后,采用小波变化进行了医学图像数据的压缩。