题目：面向骨科机器人的术中透视三维成像关键技术研究

基于C臂的术中透视三维成像是现代外科的热点研究方向，也是机器人手术导航技术研究的重要内容，能够有效提高人体解剖结构成像的实时性和真实度，保障手术安全。目前，常规C臂X光机在临床上得到了广泛普及，但其透视投影为二维图像，并且存在解剖结构的影像重叠、失真变形、视野狭窄等不足。针对上述问题，论文以骨科机器人临床应用为背景，以基于常规C臂的术中透视三维成像为目标，对其涉及的关键技术开展研究，从理论和方法上进行了探索。 针对C臂结构及其透视成像过程的特点，提出了适用于常规C臂术中透视三维成像的技术处理方案，在分析该方案涉及的透视图像预处理、成像几何参数标定、三维成像等关键技术的国内外研发现状的基础上，提出了论文的研究思路和内容结构。 针对C臂透视图像存在明显几何失真的问题，分析了针垫失真、S型扭曲以及图像偏移3种失真类型的来源及其分布特性，建立了几何失真模型。在比较局部校正法和分步全局校正法的基础上，设计并实现了基于多项式最小二乘拟合的全局校正法，将校正误差控制在了亚像素级别，能够满足三维成像和机器人手术导航的要求。 针对透视图像视野狭小、人体大组织无法完整显示的问题，提出并实现了基于外部标记物的无失真透视（全景）图像拼接方法，并采用自制标尺作为标记物，利用局部规范化互相关进行图像特征的灰度匹配，500 mm长度内的拼接误差控制到了2mm以下。在此基础上，针对骨科机器人手术导航对术中实时获得完整骨骼解剖图像的要求，提出了手术全程规划的方法，能够在创伤手术中实时获得完整长骨的全景图像，并直接在全景图像上测量长骨的解剖结构数据，实现精确、完整的手术信息规划。 针对C臂成像参数的标定问题，建立了基于小孔成像原理的C臂标定几何模型，并采用线性求解和迭代法来分解C臂标定矩阵的内外部参数。同时，根据仿射变换理论，建立了标定误差分析的数学模型，并以焦距为例评估了成像参数误差对手术导航的影响程度。在此基础上，设计制作了基于双层标记点结构的C臂标定靶，完成了有效性评价实验，可为后续的三维成像和机器人手术导航提供精确的C臂姿态信息。 在上述基础上，根据锥束重建的解析法和迭代法的特点，结合C臂轨道的圆形运动轨迹和成像几何条件，建立了基于FDK的C臂三维成像方案，利用模型实验测试了算法性能，分析了投影数量、插值函数以及滤波函数等对成像质量的影响，并采用对称性、齐次坐标映像矩阵等提高了反投影地址的计算速度，从而提高了方法的成像速度。 为了克服锥束方法对C臂投影图像采集条件要求严格的问题，在分析传统的层析摄影合成法的基础上，建立了基于外部标记物的无约束成像的流程，并针对C臂轨道的圆形运动轨迹，提出了CTS（基于C臂的层析摄影合成法）概念，设计并实现了一种基于C臂等中心旋转的术中CTS快速成像算法，可以利用在C臂的有限旋转角度内采集的投影图像进行三维成像；通过仿真实验验证了算法的成像精度及抗噪声干扰能力。 最后，基于上述研究工作，建立了医学透视成像的测试平台，并结合骨科机器人临床应用对透视成像的要求，在多家医院完成了标本实验及临床试验研究，验证了论文涉及的透视图像预处理、C臂透视参数标定、三维成像等关键技术的临床性能，从方法和应用角度为常规C臂术中透视三维成像的进一步研究奠定了实验基础。