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题目:血管介入机器人的三维可视化导航技术研究

关键词:双平板C臂;C臂标定;血管三维重建;导管末端跟踪定位

  摘要


远程机器人辅助血管介入手术是传统介入手术的一个发展方向,基于C臂的图像导航系统对实现远程机器人辅助血管介入手术具有重要意义。但是由于医生在工作站内远程操纵血管介入机器人,丢失了手眼坐标系的直观信息,需要三维可视化导航系统为医生提供辅助手术的信息。本文针对三维可视化导航系统中的多方面重要问题进行了深入探索,并利用教研室搭建的模拟系统进行了试验验证。主要研究工作如下:

首先,为了降低C臂的标定过程中拍摄要求和操作难度,并在无人工干预的情况下实现标记点的自动提取和标记点空间坐标的分配,本文提出一种基于平面靶标的平板C臂标定。该方法先在图像内提取标记点图像坐标,再根据图像平面到靶标平面的单应性为所有标记点分配空间坐标,进而利用Tsai的两步法标定出C臂参数。

其次,为了提高血管三维重建的自动化程度,以改善重建的自动化程度,提高手术效率,本章提出一种基于双平板C臂影像的血管三维重建方法。该方法先从二值化血管中细化提取血管骨架线,并对骨架线进行半自动提取、匹配和重建,进而估计血管半径,重建出血管的三维结构。

再次,为了快速精确地对导管末端进行定位,以方便手术安全有效的进行,本文提出基于磁导航与C臂信息融合的导管末端定位方法。该方法结合了磁传感器定位与图像定位,先利用SVD奇异值分解进行空间坐标系与磁场坐标系之间的配准,再利用磁传感器进行粗定位,继而通过图像精确定位获取导管末端的精确位置。

最后,设计了多组试验对本文设计的算法进行了验证,并分析了算法的精度。主要试验包括:标记点自动提取与匹配试验、可见光图像C臂图像标定精度试验、空间点重建测距试验、血管三维重建半径误差试验、导管定位精度试验。每部分试验都描述了试验过程,展示了试验结果,并进行了相应的分析。试验结果表明,本文算法具有有效的可行性,且精度较高,能有效提高手术的效率和精度。