骨科手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀與未來

關(guān)于骨科手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀與未來

通過導(dǎo)航系統(tǒng)提高手術(shù)精度已是手術(shù)微創(chuàng)和數(shù)字化時代的必然趨勢。開放手術(shù)微創(chuàng)透視導(dǎo)航出血，創(chuàng)傷

視野受限

輻射第2頁,共31頁，星期六，2024年，5月類型基于雙目視覺的光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)2.基于3D打印導(dǎo)向板的導(dǎo)航技術(shù)3.基于陀螺儀的導(dǎo)航技術(shù)第3頁,共31頁，星期六，2024年，5月1.光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)基于紅外線的導(dǎo)航技術(shù)基于可見光的導(dǎo)航技術(shù)第4頁,共31頁，星期六，2024年，5月第一代光學(xué)導(dǎo)航第5頁,共31頁，星期六，2024年，5月第二代光學(xué)導(dǎo)航第6頁,共31頁，星期六，2024年，5月第三代光學(xué)導(dǎo)航第7頁,共31頁，星期六，2024年，5月光學(xué)導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)1.光學(xué)定位跟蹤技術(shù)2.圖像配準(zhǔn)技術(shù)第8頁,共31頁，星期六，2024年，5月第9頁,共31頁，星期六，2024年，5月圖像配準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀技術(shù)特點(diǎn)

缺點(diǎn)點(diǎn)配準(zhǔn)需要在患者骨骼安裝金屬標(biāo)志。增加了創(chuàng)傷且不易自動識別面配準(zhǔn)需要使用激光或光學(xué)三維掃描儀獲取骨骼表面點(diǎn)云，進(jìn)行配準(zhǔn)，易受術(shù)中骨表面上血跡和軟組織的干擾，產(chǎn)生誤差。DRR投影法精度高，完全自動配準(zhǔn)DRR產(chǎn)生環(huán)節(jié)要消耗大量時間第10頁,共31頁，星期六，2024年，5月一類重要的點(diǎn)特征：角點(diǎn)角點(diǎn)（cornerpoints）：局部窗口沿各方向移動，均產(chǎn)生明顯變化的點(diǎn)圖像局部曲率突變的點(diǎn)典型的角點(diǎn)檢測算法：Harris角點(diǎn)檢測CSS角點(diǎn)檢測第11頁,共31頁，星期六，2024年，5月不同類型的角點(diǎn)第12頁,共31頁，星期六，2024年，5月第13頁,共31頁，星期六，2024年，5月XOnYm視頻圖像構(gòu)成原理分辨率m

×n如：480×640灰度圖像

I=f(x,y)彩色圖像

IR=fR(x,y)IG=fG(x,y)IB=fB(x,y)制式

PAL/NTSC視頻圖像數(shù)字圖像像素第14頁,共31頁，星期六，2024年，5月什么是角點(diǎn)？目前關(guān)于角點(diǎn)的具體定義和描述主要有如下幾種：1．角點(diǎn)是一階導(dǎo)數(shù)(即灰度的梯度)的局部最大所對應(yīng)的像素點(diǎn)；4．角點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)最大，二階導(dǎo)數(shù)為零；2．角點(diǎn)是兩條及兩條以上邊緣的交點(diǎn)；3．角點(diǎn)指示了物體邊緣變化不連續(xù)的方向；5．角點(diǎn)是指圖像中梯度值和梯度方向的變化速率都很高的點(diǎn)。第15頁,共31頁，星期六，2024年，5月

基于可見光的定位和跟蹤技術(shù)比基于紅外線的技術(shù)有許多優(yōu)越性，但其技術(shù)更復(fù)雜，運(yùn)算量也更大，要想達(dá)到實(shí)時性的要求也更難。第16頁,共31頁，星期六，2024年，5月圖像的二值化00000000000000000000000000000000000000000000001000000000000000000001111000000000000000001111111100000000000000111111111110000000000011111111111110000000000000000000000000000000000000000000000第17頁,共31頁，星期六，2024年，5月

單閾值分割確定閾值第18頁,共31頁，星期六，2024年，5月第19頁,共31頁，星期六，2024年，5月以NDI公司的PolarisSpectra紅外光學(xué)追蹤為例，分辨率為1024×768，最大更新率60赫茲，最多同時跟蹤15個目標(biāo)，最遠(yuǎn)探測范圍2.4m，精度0.25mmRMS。以8位黑白灰度圖像計算，每秒鐘需要傳輸和計算的數(shù)據(jù)量為：1024×768×8×60=377.487Mbps。精度達(dá)到0.1mmRMS，則至少要使用2048×2048的分辨率，最大更新頻率為60赫茲，每秒鐘需要傳輸和計算的數(shù)據(jù)量為：2048×2048×8×60=2.013Gbps，最大更新頻率如達(dá)到100赫茲，每秒鐘需要傳輸和計算的數(shù)據(jù)量將達(dá)到3.355Gbps。第20頁,共31頁，星期六，2024年，5月光學(xué)定位的精度和圖像的分辨率成正比，和距離的平方成反比。如果同時跟蹤多個目標(biāo)，又將增加運(yùn)算量，要想滿足實(shí)時性對技術(shù)的要求將更高。第21頁,共31頁，星期六，2024年，5月現(xiàn)有技術(shù)的最高理論傳輸速率

USB2.0480Mbp/SUSB3.05.0Gbps。CameraLinkFull5.4Gbps第22頁,共31頁，星期六，2024年，5月目前的角點(diǎn)檢測算法可歸納為3類基于灰度圖像的角點(diǎn)檢測基于二值圖像的角點(diǎn)檢測基于輪廓曲線的角點(diǎn)檢測基于梯度基于模板基于模板梯度組合主要考慮像素領(lǐng)域點(diǎn)的灰度變化，即圖像亮度的變化，將與鄰點(diǎn)亮度對比足夠大的點(diǎn)定義為角點(diǎn)。計算機(jī)圖像處理算法是研究的重點(diǎn)第23頁,共31頁，星期六，2024年，5月軟件實(shí)現(xiàn)OpenCV

Matlab的圖像處理工具箱

編程語言腳本語言

開發(fā)實(shí)時系統(tǒng)測試算法

開源非開源第24頁,共31頁，星期六，2024年，5月基于MITK自主開發(fā)的圖像處理軟件MITK(MedicalImagingInteractionToolkit)是一款開源的交互式醫(yī)學(xué)圖像處理軟件開發(fā)平臺。目前已能實(shí)現(xiàn)圖像的分割，三維建模，圖像的配準(zhǔn)功能，虛擬手術(shù)和手術(shù)器械路徑規(guī)劃功能正在開發(fā)中。工作基礎(chǔ)、可行性第25頁,共31頁，星期六，2024年，5月定位跟蹤系統(tǒng)的硬件構(gòu)架框圖第26頁,共31頁，星期六，2024年，5月技術(shù)路線基于灰度特征的投影法第27頁,共31頁，星期六，2024年，5月2.基于3D打印技術(shù)

第28頁,共31頁，星期六，2024年，5月3.基于陀螺儀OrthAlign采用ADI

iSensor?IMU(慣性測量單元)?？梢栽跀?shù)秒時間內(nèi)測定病人脛骨旋轉(zhuǎn)中心，并精密計算出切骨角度。第29頁,共31頁，星期六，2024年，5月OrthAlign公司的KneeAlign2系統(tǒng)已經(jīng)得到FDA（美國食品及藥物管理局）510(k)許可證。操作簡便，能達(dá)到光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)同等的脛骨和股骨測量效果。據(jù)報道該系統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換對準(zhǔn)精度接近91%，而傳統(tǒng)外科手術(shù)設(shè)備僅有68%。第