基于多模影像的术中软组织形变实时跟踪及建模

近年来计算机导航技术在神经外科、骨科及耳鼻喉科等手术中得到广泛应用。但在腹部开放手术及基于内窥镜的微创及介入治疗中，组织器官由于受到呼吸、心跳、病人动作及医生手术操作等影响，会在术中产生较大的位移及形变，极大降低了传统导航系统的准确度,甚至无法应用。本课题针对手术及微创治疗中器官移位和组织形变等关键问题，研究基于多模影像、经空间配准的定位及显示系统及相应的检测处理算法，实现对术中结构及软组织形变的实时跟踪。课题通过将术前静态图像、术中实时影像、微型定位系统和图形图像技术有机结合，重点对软组织术前建模、多模图像的定位与配准、术中形变检测及跟踪、以及形变信息的融合与实时显示等问题进行深入研究，探索基于实时影像的软组织导航关键技术。课题拟通过模型及动物实验对系统的软组织形变跟踪性能进行定量评价，验证其在腹部手术如胆囊切除术、肝切除术、结直肠手术中的应用及改进效果。

近年来影像引导的计算机手术导航技术在神经外科、骨科及耳鼻喉科等手术中得到广泛应用。但目前大部分导航系统都采用术前图像引导，难以实时反映术中环境的变化。在腹部微创及介入治疗中，组织器官由于受到呼吸、心跳、病人动作及医生手术操作等影响，会在术中产生较大的位移及形变，极大降低了传统导航系统的准确度，甚至无法应用。本课题针对腹部微创介入治疗中器官移位和组织形变等引起的导航难题，基于三维定位技术，通过将术前静态三维图像、术中实时影像和图形图像处理技术有机结合，对系列软组织导航关键技术包括空间准确定位、感兴趣器官及病灶提取、器官术前建模、多模图像配准、形变检测校正等进行研发和突破，实现对术中结构及软组织形变的检测与校正，构建基于实时影像的计算机辅助软组织导航系统原型。. 为实现上述目标，课题首先基于真实人体腹部影像，通过结合水平集和先验形状约束、基于三维形状及纹理特征的分割方法，提取腹部感兴趣器官或区域，建立了腹部软组织器官的三维结构及形变模型，以定量反映腹部器官及组织的形变特性。在此基础上，利用定位系统及放置在成像探头上的微型线圈，将患者、术前图像、术中成像空间进行配准，结合腹部物理模型及计算机仿真，对适用于腹部器官的全局及局部配准方法进行了深入研究，提出了基于改进Hammer算法的弹性配准、基于归一化映射的非刚性局部配准、基于运动校正的非刚性配准等系列算法，结合图像特征及器官先验模型，实现软组织形变的检测与校正。基于上述关键技术的突破，课题进一步设计并初步实现了两类腹部软组织导航系统原型，即超声引导腹部介入治疗导航系统和内窥镜引导腹部微创手术导航系统，并基于系统原型，对标记点优化、非刚性配准算法、形变检测校正、系统工作流程等进行了测试及改进，结合物理模型及动物实验，对系统原型的性能进行了初步评价。. Hepatitis Weekly预测，正如过去十年导航系统引起的神经外科手术变革一样，软组织导航系统将极大改善心血管及腹部手术的治疗效果。本课题提出的算法及系统原型，将为人体腹部软组织形变的监测及软组织导航系统的实现提供理论和技术基础。