一种基于2D／3D配准的脊柱术中校正方法

背景：脊柱术前三维影像有助于诊断和治疗,术中患者体位变化将引起脊柱形态改变,致使术前影像不能反映术中实际情况,无法确保手术的顺利实施。目的：利用脊髓手术中影像校正术前脊柱模型形态。方法：实验提出了一种基于2D／3D配准的脊枉术中校正方法,借助数字影像重建技术完成术前X射线图像与CT体数据的2D／3D配准,进一步完成术中、术前X射线图像中独立椎段的特征匹配,利用上述配准结果实现术前脊柱CT模型的术中快速校正。结果与结论：采朋附有标记的颈椎标本进行实验,校正后可基本消除术前脊柱模型与术中形态的偏差,其误差可控制在1mm以内,能够满足医学临床要求。     

基于C型臂超短扫描路径锥束投影的图像合成

背景：CT成像质量的优劣不仅取决于仪器的精密性和先进性,在很大程度上也取决于重建算法,由二维扇束扫描向三维锥束扫描是CT技术的发展方向,因此,寻找一种合适的锥束重建算法具有无法忽略的意义。目的：探讨基于C型臂超短扫描路径锥束投影的图像合成,为实现基于C型臂2D投影图像的3D模型重建提供算法支持。方法：由第一作者于2012年3至5月检索PubMed数据库、CNKI系列数据库及万方数据库1990年至2011年文献。检索词为＂C型臂,超短扫描路径,FDK算法,有限角锥形束三维重建,超短扫描扇束重建算法＂,检索文章的语言种类为中文和英文。计算机初检得到58篇文献,其中19篇符合纳入标准被保留。结果与结论：基于C型臂2D投影图像的3D模型重建必须进行三维模型的重建,目前应用最为广泛的的三维图像重建方法仍然是FDK。但是FDK算法适用于全路径,对超短路径而言不能直接采用,而通过将二维扇束重建算法推广到三维空间中而获得的短扫描轨迹的FDK类型锥束重建算法可对采集到的锥束投影数据进行感兴趣区域重建。未来的研究可针对减少噪声等干扰数据对重建质量造成的影响进行探讨。     

一种基于2D/3D配准的脊柱术中校正方法

背景:脊柱术前三维影像有助于诊断和治疗,术中患者体位变化将引起脊柱形态改变,致使术前影像不能反映术中实际情况,无法确保手术的顺利实施。目的:利用脊髓手术中影像校正术前脊柱模型形态。方法:实验提出了一种基于2D/3D配准的脊柱术中校正方法,借助数字影像重建技术完成术前X射线图像与CT体数据的2D/3D配准,进一步完成术中、术前X射线图像中独立椎段的特征匹配,利用上述配准结果实现术前脊柱CT模型的术中快速校正。结果与结论:采用附有标记的颈椎标本进行实验,校正后可基本消除术前脊柱模型与术中形态的偏差,其误差可控制在1mm以内,能够满足医学临床要求。     

基于C型臂超短扫描路径锥束投影的图像合成

背景:CT成像质量的优劣不仅取决于仪器的精密性和先进性,在很大程度上也取决于重建算法,由二维扇束扫描向三维锥束扫描是CT技术的发展方向,因此,寻找一种合适的锥束重建算法具有无法忽略的意义。目的:探讨基于C型臂超短扫描路径锥束投影的图像合成,为实现基于C型臂2D投影图像的3D模型重建提供算法支持。方法:由第一作者于2012年3至5月检索PubMed数据库、CNKI系列数据库及万方数据库1990年至2011年文献。检索词为"C型臂,超短扫描路径,FDK算法,有限角锥形束三维重建,超短扫描扇束重建算法",检索文章的语言种类为中文和英文。计算机初检得到58篇文献,其中19篇符合纳入标准被保留。结果与结论:基于C型臂2D投影图像的3D模型重建必须进行三维模型的重建,目前应用最为广泛的的三维图像重建方法仍然是FDK。但是FDK算法适用于全路径,对超短路径而言不能直接采用,而通过将二维扇束重建算法推广到三维空间中而获得的短扫描轨迹的FDK类型锥束重建算法可对采集到的锥束投影数据进行感兴趣区域重建。未来的研究可针对减少噪声等干扰数据对重建质量造成的影响进行探讨。     

基于深度学习的2D/3D图像配准方法在脊柱微创导航手术中的应用北大核心

目的:探讨基于深度学习的2D/3D图像配准方法在脊柱微创手术导航中的应用效果。方法:对LIDC⁃IDRI数据集中20例病人的术前3D脊柱CT影像和术中2D的X⁃ray影像实施分步配准。首先,将三维CT影像进行空间变化,投影到二维平面。通过卷积神经网络(CNN)对生成的二维图像进行训练并学习相关特征,将待配准图像输入学习网络,得到相关参数,完成粗配准。其次,对术前脊柱CT影像进行分割,计算浮动图像与参考图像间的相似度,通过参数优化算法对椎骨进行精确配准。采用Elastix作为对照组。结果:与对照组相比,本研究提出的方法在归一化互相关指标上提高了0.1856,在归一化互信息指标上提高了0.4456,在平均绝对误差指标上降低了0.0978。结论:该算法配准精度高,提示将深度学习方法应用于脊柱CT图像配准是一项具有前景的研究。     

基于灰度的二维/三维图像配准方法及其在骨科导航手术中的实现

目的随着基于医学图像导航的手术对三维信息需求的加强,建立二维/三维的医学图像配准算法,在二维规划的基础上引入三维信息。方法首先,将获取的骨盆图像体数据集通过投影得到DRR图像,将获取的X线图像进行校正;然后,利用灰度相似性测度配准DRR图像和无失真X线图像。结果在初始位置相对坐标位移<20mm,角度<5°时配准精度小于1.47%,取得良好的配准结果。结论本文提出的基于灰度计算的配准技术能够实现术中二维医学图像与术前三维医学图像的配准,实现术中二维/三维手术规划相结合。     

基于正侧位锥束CT投影快速构建脊椎三维模型

目的 探讨基于C形臂的两张正侧位2D锥束CT（CBCT）投影图像进行3D模型重建的效果。方法 采用半自动化的二维投影图像特征点提取算法,选定18点的特征点集并提取其对应的正侧位二维投影图像平面坐标,然后针对C形臂CBCT系统建立坐标系,推导特征点三维空间坐标与其在投影图像中平面坐标之间的几何关系,代入转换公式获得特征点集的三维空间坐标。利用薄板样条法对三维脊椎基础模型进行空间非刚性插值获得三维脊椎目标模型。将L3石膏模型置入C形臂CBCT系统,获取375幅圆周扫描图像,利用FDK算法重建三维模型并进行表面重采样得到三维脊椎参考模型,对其进行不规则形状调制得到三维脊椎基础模型,利用本文方法对三维脊椎基础模型进行空间非刚性插值得到三维脊椎目标模型,并设置对照组对本文方法的精度进行评价。结果 相对于特征点手动提取和边缘增强提取算法,采用半自动化特征点提取算法构建获得的三维脊椎目标模型与参考模型的误差降低至1 mm以内。结论 采用本文方法可构建出近似的、精度较高的脊椎三维模型,为基于C形臂CBCT的手术导航提供3D图像支持。     

3D打印技术在骨科的临床研究进展

3D打印技术作为数字化技术的集中体现,是实现各种骨科手术个体化、精确化的有效手段。随着基于CT、MRI图像的人体组织器官的三维数字化建模技术和3D打印技术的进步,使越来越多的骨科手术向具有高度个性化、精确化和快速化发展。本文对3D打印技术在还原重建骨骼模型、个体化手术导板、个体化替代物、存在的问题及展望方面进行综述。     

螺旋CT及3D重建在骨关节骨折诊疗中的应用

目的：探讨螺旋CT及3D重建在骨关节骨折诊疗中的价值。方法：对20例骨关节骨折病人进行普通C线摄片，螺旋CT及3D重建检查。结果：20例患者螺旋CT及3D重建图像均能明确；其中14例手术病人在重建图像与手术所见结果一致；1例复查病人螺旋CT及3D重建图像显示恢复良好。结论：螺旋CT及3D重建图像有助于发现隐匿性骨折，并补充了三维空间上新的骨折类型，结合二维图像对手术方案选择，术后随访有指导意义。     

3D均中值滤波参数的选取对3D OSEM重建图像的影响

目的 为了分析3D均值中值滤波参数的选取对OSEM重建图像的影响，采用3D均值中值滤波器对重建前的投影数据进行滤波处理，并调整参数进行定量分析。资料与方法 对分析模拟软件ASIM模拟的三维模体投影数据进行3D 均值中值滤波处理。利用开源断层图像重建软件STIR中的OSEM算法对滤波前后的投影数据进行重建，视觉和定量评估重建图像。结果 滤波参数与图像质量密切相关。值过大，重建图像边缘保持效果较差，图像过平滑。值过小，不能抑制噪声，导致重建图像细节模糊。 结论 重建图像的噪声大小以及边缘保持效果对滤波参数的选取是十分敏感的。可根据梯度分布直方图确定滤波参数选取范围，再结合梯度分布比从该范围内折中选择合适的参数，达到既去除噪声又保护图像边缘的目的。     

腹腔镜下肝脏手术增强现实三维影像导航平台的构建与应用

目的 实现腹腔镜下肝脏手术增强现实三维影像实时导航方案，构建平台雏形并评估其运行效果。方法 通过编写术前CT影像三维重建自动化算法、三维模型二维平面投影轮廓点集采集算法、基于人工智能的腹腔镜手术视野肝脏轮廓点集识别采集算法、“一对多”匹配算法、坐标系转换算法以及视频实时渲染增强融合算法，组成腹腔镜下肝脏手术增强现实三维影像实时导航软件，配合光学定位系统硬件和双目光学信息采集硬件，构建出导航平台雏形。在实验室仿真模型和大型动物中进行平台试运行，引入配准误差参数，评估运行效果并进行优化调整。结果 腹腔镜下肝脏手术导航软件基本实现：三维模型重建（CT图像自动分割和异色掩膜处理），手术室观测坐标系、腹腔镜视角坐标系和三维重建模型坐标系的建立及三者之间的信息转换，三维重建模型与手术视频所见结构实时配准导航，导航平台雏形构建。实验室仿真模型中的试运行配准误差为（4.1±0.4）mm，大型动物试运行2次的配准误差分别为4.6 mm和5.8 mm。结论 通过腹腔镜下肝脏手术增强现实三维影像实时导航平台雏形的设计、研发、构建以及使用，导航配准精度已经基本可以达到临床需求，未来进一步优化调整之后，有望广泛...     

移动式C型臂X射线机图像拼接在骨科手术中的应用

背景：在脊柱和长骨骨折等骨科手术治疗中,获取骨折部位的完整骨结构图像对于监控和评价骨科术中效果具有十分重要的临床意义. 目的：探讨移动式C型臂X射线机图像拼接技术在临床骨科手术中的应用效果. 方法：对骨科手术部位的脊柱和长骨进行C型臂X射线机透视并采集2-4幅图像,经过图像拼接软件将图像多区域重叠,进行图像拼接技术处理后得到脊柱和长骨骨折内固定手术部位的1张全景图像. 结果与结论：移动式C型臂X射线机图像拼接技术处理后能在1张照片上获得脊柱和长骨骨折内固定手术部位全景图像,能较清晰、完整地显示脊柱和长骨的全景,并有助于术者在术中及时地了解和评估骨折部位的对位、对线情况,且能进行长度和角度测量,为进一步提高手术质量提供强有力的支持.     

前交叉韧带损伤膝关节6个自由度静态加载体的稳定性

背景：由于膝关节的体外标本无法模拟膝关节的真实运动,而体内的运动测试又无法获得骨结构的运动信息,因而不能得到准确的膝关节稳定性数据,也就无法对膝关节损伤的早期诊断及防治措施进行深入的研究。目的：应用计算机三维重建技术、2D/3D图像配准技术及图像处理技术对前交叉韧带损伤膝关节6个自由度变化进行静态加载体内稳定性测试。方法：8例患者单侧膝关节前交叉韧带断裂而对侧正常,膝关节在屈曲0°,30°,60°和90°时分别进行134N前加载。采集各角度相互垂直的2D图像,与3DCT图像在虚拟X射线投射系统进行2D/3D图像配准,还原膝关节不同角度时的股骨和胫骨相对3D位置关系,获得膝关节6个自由度数据。结果与结论：前交叉韧带断裂后胫骨前移均明显增加,在完全伸直（0°）时胫骨前移最小,胫骨前移在30°时达到最大;胫骨前移在60°和90°时逐渐减小,各角度间比较差异均有显著性意义（P=0.000）。前交叉韧带断裂后,膝关节胫骨内旋、内移均较健侧增加（P=0.000）。提示通过2D/3D图像配准技术可以实现对膝关节静态加载的体内稳定性分析;前交叉韧带损伤后膝关节前移、内旋和内移均明显增加。     

Accuracy evaluation of direct navigation with an isocentric 3D rotational X-ray system

Minimally invasive interventions are often performed under fluoroscopic guidance. Drawbacks of fluoroscopic guidance are the fact that the presented images are 2D projections and that both the patient and the clinician are exposed to radiation. Image-guided navigation using pre-interventionally acquired 3D MR or CT data is an alternative. However, this often requires invasive anatomical landmark-based, marker-based or surface-based image-to-patient registration. In this paper, a coupling between an image-guided navigation system and an intraoperative C-arm X-ray device with 3D imaging capabilities (3D rotational X-ray (3DRX) system) that enables direct navigation without invasive image-to-patient registration on 3DRX volumes, is described and evaluated. The coupling is established in a one-time preoperative calibration procedure. The individual steps in the registration procedure are explained and evaluated. The acquired navigation accuracy using this coupling is approximately one millimeter.     

磁导航引导主动脉支架植入术的实验研究

目的:研究虚拟现实环境下应用磁导航引导对主动脉夹层进行支架植入术的可行性。方法:利用术前CT影像信息,通过计算机进行三维解剖结构重建,与模型完成术前配准,并通过融入实时超声图像,形成虚拟现实环境。对介入手术器械和主动脉支架植入物进行结构性能改造,应用NDI Aurora电磁导航系统,在体外实验模型中实现对器械和植入物的精确示踪和三维立体定位,参照支架前传感器完成支架释放,并以经胸超声和CT进行验证。记录操作时间(T),计算配准误差(E1),记录植入后支架实际位置与目标位置之间的误差即总实验误差(E2)。结果:所有主动脉支架植入操作均成功完成,平均操作时间为(38.4±3.9)min,平均配准误差为(0.59±0.27)mm,平均总实验误差为(1.94±1.15)mm。配准和操作精确度均满足临床要求。结论:体外模型试验证明,虚拟现实环境下磁导航引导的主动脉支架植入术操作直观、简单、无辐射,具有较高的精确度和良好的重复性,可以作为新的介入示踪和定位方法。     

计算机辅助技术在骨关节疾病中的应用

背景：以往采用二维图像资料如X射线片、CT、MRI扫描等进行骨关节病手术设计,在反映骨关节病变严重程度、病变位置和畸形情况等方面不全面、欠准确,而且缺少直观性。目的：研究计算机辅助设计和快速成型技术辅助骨关节伤病手术治疗的新方法。方法：按反求工程的基本原理,采用医学CT/MRI扫描获取106例骨伤病患者骨骼二维图像资料,采用计算机辅助三维重建建立骨、关节解剖模型,将骨、关节解剖模型输入CAD软件进行精确分析,进一步采用快速成型技术制作骨关节原型进行实物原型分析,然后将骨关节解剖模型输入计算机进行外科手术过程设计、预演,选择合适的内固定材料,计算机辅助设计、快速成型技术制作外科手术辅助模板、个性化植入物等,最后精确实施骨关节外科手术。结果与结论：31例骨关节畸形患者术后恢复良好的解剖外形和功能;17例前后交叉韧带损伤患者术后膝关节功能良好;31例骨折患者术后3～6个月获得骨折愈合;7例个性化假体和8例内固定重建肿瘤切除后骨缺损患者,随访期间未发现内固定器械断裂、假体松动和肿瘤复发;12例髋臼发育不良患者术后恢复正常髋臼包容和良好髋关节功能。提示计算机辅助技术可应用于骨关节畸形精确数字化矫形,设计个性化假体,辅助前后交叉韧带重建,疑难假体置换,辅助特殊疑难骨折、关节内骨折、陈旧性骨折复位、固定,骨肿瘤的个性化切除设计、结构与功能重建。     

基于调幅-调频与熵图多模态医学图像的配准

背景：基于传统互信息量的多模态医学图像配准方法配准时需要利用二维直方图或者Parzen窗函数的方法估计概率密度分布,进而计算互信息量,这种方式计算速度慢,而且只考虑了图像的灰度信息,容易出现误配。目的：针对目前主流的配准方法鲁棒性差、耗时的缺点,提出了一种新的基于调幅-调频（AM-FM）特征互信息量的快速配准方法。方法：该方法考虑了图像的空间和结构信息;首先通过AM-FM模型对图像进行分解,得到图像的AM-FM特征,与图像的灰度特征一起组成高维特征;然后利用熵图和最小生成树加快AM-FM特征互信息量的计算,从而实现了医学图像的快速配准。结果与结论：对20组磁共振T1-T2加权图像、CT/正电子发射计算机断层成像图像进行了实验,结果表明该方法在图像空间分辨率较低,有噪声影响等情况下均可以达到较好的结果,且配准精度优于国际上的主流方法,具有计算速度快,精度高,鲁棒性强的特点,适于临床应用。