骨肿瘤手术的医学影像导航系统关键技术研究

随着医学影像导航系统在骨肿瘤手术中的应用，如何进一步提高手术的成功率、降低手术对患者肢体的损伤，成为一个亟待解决的问题。解决这一问题需要三个方面的关键技术作为保障：基于图像三维重建的肿瘤识别、图像配准以及图像融合。目前肿瘤图像的分割主要依据医生的临床经验，时间耗费严重；图像配准技术目前有两种主要的思路，但都存在不足：在提高算法鲁棒性的同时，算法的时间复杂度也相应地增加，并且随着三维图像的广泛应用，数据呈几何级数增长，这个问题也越来越突出；图像融合的方法虽然较为成熟，但是考虑到CT图像和MR图像的不同性质，对异源图像进行融合仍具有重要意义。本课题的目的是：针对现行图像重建和肿瘤识别以及图像配准和融合中的问题进行深入研究，在骨肿瘤图像的自动识别、对不同分辨率、沿不同轴向的图像之间进行高效配准以及对异源图像进行自动融合等方面取得突破，使得医学影像导航系统在骨肿瘤手术应用中发挥更加智能化的作用

近年来医学影像导航系统在骨科手术中得到广泛的应用，导航系统提供的术中精确指引能够辅助医生判断肿瘤病灶切除是否安全，对于特定区域的骨肿瘤手术具有极其重要的意义；同时计算机辅助导航系统在骨肿瘤外科的应用，丰富了计算机导航应用范围，而且充分显示了医学影像与虚拟空间精确匹配的技术优势，并且在临床现实中要求精准外科手术中获得帮助。.主要研究内容及结果.1、基于影像配准，从理论建模的角度对导航系统注册过程涉及的误差进行了分析和实验。在明确导航系统工作原理的情况下，从信号处理的角度利用子空间理论对选点误差进行分解，探索了弱相关性的由来。针对特殊情况下注册误差与导航误差相关性可能为零，本课题在特定表面寻找到满足这样性质的注册点集，制作模具完成了实验验证，加深了对导航系统注册过程的理解。针对导航误差随测试点远离注册区域而增大的现象。.2、建立导航系统辅助截骨精度测量的方法。精度测量特指实际完成的骨骼切割与术前设计的切割间差异。完成了术前设计方案到导航系统的转换过程，提出了两种用于切割面转换的方法，一种基于参数的精确变换，一种基于切割面在导航系统的可视化。之后对长骨和骨盆分别设计术后CT扫描截骨标本在数字化，建立建立导航辅助长骨和骨盆区域截骨精度测量的评估方法。.3、研究医学影像肿瘤图像精准分割和术前计划的可视性研究，扩展了导航系统的应用范围。骨肿瘤切割之后需要进行骨骼重建，目前常用的重建手段包括金属假体和异体骨移植两种。对于金属假体的重建方案，本课题探索了将CAD软件的假体设计方案精确导入导航系统的流程，在导航系统指引下完成病体骨特定位置的切割，这种切割位置的匹配保证了设计的金属假体与待填充区域的精确匹配，利于患者的术后恢复。该流程也适用于目前方兴未艾的3D打印概念。.4、对于异体骨移植的重建方案，本课题提出了一种基于切割轮廓提取与匹配的异体骨筛选算法。该方法充分利用到切割轮廓位于病体骨正常区域的特点，能够有效地提高异体骨与待填充区域的匹配程度。该方法不需要对侧骨骼的数据，扩展了原有筛选方法的应用范围，也避免了原有方法带来的额外射线照射。.5、设计了一款基于FPGA平台的屏幕录制系统。.总之，在国家自然科学基金委的支持下取得了丰硕的研究成果，达成了预期目标。同时我们也意识到将研究成果转化到实际的临床应用的重要性和必要性，需要我们进一步的努力。