计算机辅助手术导航系统用导航图像指导手术,在临床获得了广泛的应用,在骨科手术中主要应用于脊柱外科、关节外科和创伤外科等。根据导航图像建立的基础及空间配准方法的不同,骨科手术导航系统可以分为无影像导航系统、基于CT图像的导航系统、基于二维透视图像的导航系统和基于模态的导航系统。 手术导航系统的关键技术主要涉及术前医学图像处理、术中空间定位及配准等几个方面。在基于CT图像的导航系统中,虚拟图像与手术场景的配准,主要有基于特征点对应性的配准方法以及基于解剖结构的表面配准技术。本文研究了现有的骨科手术导航系统,提出了利用激光扫描数据的表面配准技术,实现基于CT图像的骨科手术导航。 CT图像是具有一定层间距的、离散的断层序列图像,从CT序列图像中提取出骨组织表面,需要经过插值、分割和重建。通过阈值分割和MarchingCubes等值面提取算法,从CT图像中重建骨组织表面,并对重建后的组织表面进行简化,作为手术导航系统的导航图像。 通过先进的三维激光扫描系统,获取对象的几何信息,这项技术广泛应用于逆向工程等领域。在骨科手术导航中,通过三维激光扫描,获取暴露的骨组织表面,用于空间配准。但是,由三维激光扫描仪采集的表面数据,数量巨大,不能直接用于配准。论文讨论了离散三维数据表示方法及精简算法,对扫描的骨组织表面数据进行重采样后配准。 CT图像、三维激光扫描数据以及空间定位系统的跟踪坐标,处于独立的坐标系中,手术场景和虚拟图像的配准,就是获得各坐标系的变换关系。CT图像和三维激光扫描数据的配准,使用ICP算法实现。ICP算法是表面配准的经典算法,主要可以分为重采样、匹配点搜索、错配点排除、最小化目标函数及算法迭代五个阶段。论文通过人机交互确定配准初值,使用重采样的激光扫描数据进行粗略配准,并采用基于距离和曲率的错配点排除策略,达到了较高的配准精度。