术中透视图像质量对计算机辅助骨科手术系统空间定位精度的影响规律和机理研究

Spatial positioning accuracy is the most important performance index of computer assisted orthopedic surgery (CAOS) system. The qualities of intraoperative images, which are the most important source data, have significant influence on the accuracy of CAOS system. But this issue hasn't been paid sufficient attention. The discipline and mechanism of the influence of intraoperative images' qualities on the accuracy of CAOS system still remain to be studied. The accuracy sensitivity of typical image quality parameters, such as resolution, distortion rate, signal-to-noise ratio and contrast, will be studied, based on the platform of surgical robot and navigation. The discipline of the influence of different image quality parameters on the accuracy will be concluded. Then the error propagation rule of image error in different spatial positioning method will be studied by Monte Carlo method to reveal the mechanism of the influence of image quality on the spatial positioning accuracy. This research will add new method and perspective to the theoretical research of CAOS system's accuracy, as well as provide theoretical basis for the research on image processing and spatial position method in CAOS system. This has great significance for improving the accuracy of CAOS system. On the other hand, this research can help to setup the realistic standard of intraoperative images for CAOS system, which will facilitate the popularity of minimally invasive surgical techniques and the development of CAOS system.

空间定位精度是计算机辅助骨科手术（CAOS）系统最重要的指标,术中透视图像作为系统最重要的源头输入数据，其质量优劣对于系统精度有显著的影响，但该问题并未得到足够的重视，图像质量对CAOS系统精度影响的规律及机理还有待研究。本项目立足已有的骨科手术机器人和手术导航系统平台，通过实验研究探索空间定位精度与典型图像质量参数之间的敏感程度，以及不同图像质量参数对系统精度的定量影响规律；利用蒙特卡洛方法研究不同定位方法下由透视图像质量问题引入的图像误差的传递规律，从而揭示图像质量对系统空间定位精度的影响机理。本研究将为CAOS系统精度和误差的理论研究增添新的内容和方向，也为CAOS系统中图像处理和空间定位方法的研究提供理论依据，对于提高CAOS系统精度有重要意义。本项目的研究成果还有助于建立在保障手术精度的前提下合理的术中透视图像质量标准，对于微创技术的普及和CAOS系统的发展有重要意义。

空间定位精度是计算机辅助骨科手术（CAOS）系统最重要的指标,术中透视图像作为系统最重要的源头输入数据，其质量优劣对于系统精度有显著的影响，但该问题并未得到足够的重视，图像质量对CAOS系统精度影响的规律及机理还有待研究。.本项目针对CAOS系统中最有代表性的两种空间定位算法：基于C型臂标定的算法和非标定的双平面定位算法分别建立了数学模型，并完成了软件实现。通过实验研究对比了两种定位算法对四种典型的图像质量参数（分辨率、畸变程度、信噪比、对比度）的敏感程度。实验发现分辨率和图像畸变对于CAOS定位算法的精度有显著影响，而信噪比和对比度主要通过影响对图像上标志点的自动识别来影响定位精度，本身影响并不显著。通过实验还发现：虽然两种定位算法在数学原理上很相似，但对于不同的图像质量参数却有不同的敏感程度；基于C型臂标定的算法对于分辨率和图像畸变都比较敏感，尤其是图像畸变对精度影响非常显著；而非标定的双平面定位算法对于图像畸变敏感度较低，但整体误差水平确较高。本项目还利用蒙特卡洛方法研究不同定位方法下由透视图像质量问题引入的图像误差的传递规律，发现相同的图像随机误差，在双平面定位算法中会被更多的放大。 .在上述图像质量参数对定位精度的影响研究的基础上，本项目还提出了一种新型的基于在线标定的空间定位算法，既兼顾了基于标定的定位算法在精度和图像鲁棒性方面的优势，又具有双平面定位算法在临床应用方面的便利性。完成了该算法的数学模型建立和软件实现，开展了定位精度的测试实验，通过图像测试得到该方法的定位精度为0.574±0.379mm。.本项目研究揭示了术中透视图像质量对于CAOS系统定位精度的影响，为CAOS系统精度和误差的理论研究增添新的内容和方向，也为CAOS系统中图像处理和空间定位方法的研究提供理论依据，对于提高CAOS系统精度有一定的参考价值。本项目的研究成果还有助于建立在保障手术精度的前提下合理的术中透视图像质量标准，对于微创技术的普及和CAOS系统的发展有一定意义。