1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
3 北京理工大学计算机学院，北京 100081
4 北京理工大学医学技术学院，北京 100081
5 中国人民解放军总医院激光医学科，北京 100853
手术导航综合运用器官分割建模与手术规划、位姿标定与跟踪定位、多模态图像配准与融合显示等技术，使医生精确定位病灶与手术工具的位置，透过组织表面对内部组织进行观测，可大幅提升手术的安全性，缩短手术时间并提高手术效率。常规手术通常使用超声、内窥镜或X光等单模态影像进行手术过程引导，信息单一且均为二维影像，空间立体信息缺失，手术过程严重依赖医生经验；而多模态图像引导的手术导航技术通过融合多模态图像的优势，在三维空间提供病灶的结构或功能信息，大幅提升医生对血管、神经以及重要组织结构的空间辨识力。由此，本文针对多模态图像分割建模、手术方案决策、手术空间位姿标定与跟踪、多模态图像配准、图像融合与显示等多模态图像引导手术导航的关键技术进行总结和分析，提出其进一步发展面临的挑战并展望其未来发展趋势。多模态图像引导手术导航技术已成为神经外科、颅颌面、骨科、经皮穿刺、血管介入等临床科室精准治疗的新兴手段，具有重要的应用前景。
手术导航 手术机器人 多模态医学影像 医学图像处理 定位跟踪 配准融合 光学学报
2023, 43(15): 1500002
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Engineering Research Center of Mixed Reality and Advanced Display, School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System (Beijing Institute of Technology), Ministry of Education, Beijing 100081, China
3 Department of Hand Surgery, Beijing Ji Shui Tan Hospital, Beijing 100035, China
Vascular Doppler optical coherence tomography (DOCT) images with weak boundaries are usually difficult for most algorithms to segment. We propose a modified random walk (MRW) algorithm with a novel regularization for the segmentation of DOCT vessel images. Based on MRW, we perform automatic boundary detection of the vascular wall from intensity images and boundary extraction of the blood flowing region from Doppler phase images. Dice, sensitivity, and specificity coefficients were adopted to verify the segmentation performance. The experimental study on DOCT images of the mouse femoral artery showed the effectiveness of our proposed method, yielding three-dimensional visualization and quantitative evaluation of the vessel.
100.3008 Image recognition, algorithms and filters 170.4500 Optical coherence tomography Chinese Optics Letters
2019, 17(5): 051001
北京理工大学 光电技术与信息系统实验室, 北京 100081
研究了应用于移动平台的器官柔性形变仿真方法。提出了面向移动平台的碰撞检测方法, 通过模型的外层包围盒迅速剔除场景中未发生碰撞的情况, 进而对模型的几何面元进行相交检测, 从而实现对器官的碰撞检测。研究了应用于虚拟器官的质点-弹簧模型, 通过对形变区域的控制降低形变的计算量, 通过对虚拟器械的运动控制避免形变过程中虚拟器官发生穿透或者脱离器械的现象。实验结果表明, 器官柔性形变仿真与交互方法计算速度快、交互过程自然, 可应用于移动平台的虚拟手术仿真系统中。
移动平台 碰撞检测 柔性形变 虚拟手术 virtual surgery mobile platform collision detection flexible deformation
北京理工大学 光电学院 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
针对复杂多变的肝脏图像,提出了一种基于先验稀疏字典和空洞填充的三维肝脏图像分割方法。对腹部CT图像进行Gabor特征提取,并分别在Gabor图像和灰度图像的肝脏金标准边界上选择大小相同的图像块作为两组训练集,利用训练集得到两种查询字典及稀疏编码。将金标准图像与待分割图像配准,并将配准后的肝脏边界作为待分割图像的肝脏初始边界;在初始边界点上的十邻域内选择大小相同的两组图像块作为测试样本,利用测试样本与查询字典计算稀疏编码及重构误差,并选择重构误差最小的图像块的中心作为待分割肝脏的边界点;最后,设计一种空洞填充方法对肝脏边界进行补全和平滑处理,得到最终分割结果。利用医学图像计算和计算机辅助介入国际会议中提供的肝脏数据进行了实验验证。结果表明,该方法对肝脏分割图像具有较好的适用性和鲁棒性,并获得了较高的分割精度。其中,平均体积重叠率误差为(5.21±0.45)%,平均相对体积误差为(0.72±0.12)%,平均对称表面距离误差为(0.93±0.14) mm。
计算机层析(CT)图像 肝脏分割 稀疏编码 字典学习 空洞填充 Computed Tomographic(CT) image liver segmentation sparse coding dictionary learning hole filling
