● 摘要
本文以国家863计划“骨科机器人辅助手术系统在远程手术中的临床应用研究”和国家杰出青年科学基金“特种机器人”项目中骨科手术导航系统研究为背景，提出基于C臂的术中等中心锥束三维重建，以弥补二维透视跟踪导航和图像配准导航的不足，为手术导航提供更加丰富直观的三维解剖信息，进一步扩展临床适应症，有效辅助医生进行手术路径规划、手术器械导航等操作。 首先，设计实现了基于多项式拟合的C臂图像几何失真全局校正法。根据C臂图像失真特点以及三维重建的需要，在对比分析局部和全局两种校正法的基础上，提出用多项式拟合方法对图像失真进行全局校正。该方法所需标记点较少，校正后图像无锯齿边缘。同时，设计适合C臂使用的校正模板，通过校正实验分析C臂投影图像的失真表现形式，并且校正结果说明全局校正法精度可以达到0.5像素，满足使用需求。 其次，采用双层标定模型进行C臂参数标定。建立了C臂X光成像的几何参数标定模型，通过标记点求解出从空间映射矩阵，并且由映射矩阵线性分解出C臂成像的内外部参数，通过迭代法进一步提高了内外部参数的精度。同时，设计双层标定板，通过实验分析C臂的参数随姿态变化而变化的规律以及标记点空间映射精度。 然后，实现了Feldkamp锥束重建算法。在图像校正和参数标定的基础上，研究并编程实现锥束三维重建的近似解析Feldkamp算法。分别通过三维球体以及Shepp-Logan计算机仿真模型进行算法验证。进一步分析了影响重建质量和重建速度的因素，并相应提出改进措施。 最后，通过骨骼的三维重建实验，引入光电导航设备，进一步研究了锥束三维重建应用与骨科手术术中导航的方法，给出了从手术器械到骨骼坐标系的映射方法。 本论文通过研究术中三维重建的系统实现方法及实验分析，说明了其在计算机辅助骨科手术导航中的可行性，为进一步研究术中三维重建方法的临床应用奠定了技术基础。