基於多模影像的術中軟組織形變實時跟蹤及建模

《基於多模影像的術中軟組織形變實時跟蹤及建模》是依託中國人民解放軍第四軍醫大學，由盧虹冰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於多模影像的術中軟組織形變實時跟蹤及建模
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：盧虹冰
• 依託單位：中國人民解放軍第四軍醫大學

中文摘要

近年來計算機導航技術在神經外科、骨科及耳鼻喉科等手術中得到廣泛套用。但在腹部開放手術及基於內窺鏡的微創及介入治療中，組織器官由於受到呼吸、心跳、病人動作及醫生手術操作等影響，會在術中產生較大的位移及形變，極大降低了傳統導航系統的準確度,甚至無法套用。本課題針對手術及微創治療中器官移位和組織形變等關鍵問題，研究基於多模影像、經空間配準的定位及顯示系統及相應的檢測處理算法，實現對術中結構及軟組織形變的實時跟蹤。課題通過將術前靜態圖像、術中實時影像、微型定位系統和圖形圖像技術有機結合，重點對軟組織術前建模、多模圖像的定位與配準、術中形變檢測及跟蹤、以及形變信息的融合與實時顯示等問題進行深入研究，探索基於實時影像的軟組織導航關鍵技術。課題擬通過模型及動物實驗對系統的軟組織形變跟蹤性能進行定量評價，驗證其在腹部手術如膽囊切除術、肝切除術、結直腸手術中的套用及改進效果。

結題摘要

近年來影像引導的計算機手術導航技術在神經外科、骨科及耳鼻喉科等手術中得到廣泛套用。但目前大部分導航系統都採用術前圖像引導，難以實時反映術中環境的變化。在腹部微創及介入治療中，組織器官由於受到呼吸、心跳、病人動作及醫生手術操作等影響，會在術中產生較大的位移及形變，極大降低了傳統導航系統的準確度，甚至無法套用。本課題針對腹部微創介入治療中器官移位和組織形變等引起的導航難題，基於三維定位技術，通過將術前靜態三維圖像、術中實時影像和圖形圖像處理技術有機結合，對系列軟組織導航關鍵技術包括空間準確定位、感興趣器官及病灶提取、器官術前建模、多模圖像配準、形變檢測校正等進行研發和突破，實現對術中結構及軟組織形變的檢測與校正，構建基於實時影像的計算機輔助軟組織導航系統原型。為實現上述目標，課題首先基於真實人體腹部影像，通過結合水平集和先驗形狀約束、基於三維形狀及紋理特徵的分割方法，提取腹部感興趣器官或區域，建立了腹部軟組織器官的三維結構及形變模型，以定量反映腹部器官及組織的形變特性。在此基礎上，利用定位系統及放置在成像探頭上的微型線圈，將患者、術前圖像、術中成像空間進行配準，結合腹部物理模型及計算機仿真，對適用於腹部器官的全局及局部配準方法進行了深入研究，提出了基於改進Hammer算法的彈性配準、基於歸一化映射的非剛性局部配準、基於運動校正的非剛性配準等系列算法，結合圖像特徵及器官先驗模型，實現軟組織形變的檢測與校正。基於上述關鍵技術的突破，課題進一步設計並初步實現了兩類腹部軟組織導航系統原型，即超聲引導腹部介入治療導航系統和內窺鏡引導腹部微創手術導航系統，並基於系統原型，對標記點最佳化、非剛性配準算法、形變檢測校正、系統工作流程等進行了測試及改進，結合物理模型及動物實驗，對系統原型的性能進行了初步評價。Hepatitis Weekly預測，正如過去十年導航系統引起的神經外科手術變革一樣，軟組織導航系統將極大改善心血管及腹部手術的治療效果。本課題提出的算法及系統原型，將為人體腹部軟組織形變的監測及軟組織導航系統的實現提供理論和技術基礎。