基于虚拟现实的血管介入手术规划系统关键技术研究

作     者：姜博文 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜杉

授予年度：2022年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：虚拟现实 血管介入 中心线提取 代价地图 路径规划 

摘      要：本文以基于虚拟现实的血管介入微创手术术前规划的关键技术为研究对象,构建了一种基于偏振光立体视觉的虚拟现实成像结构;提出了一种基于CT血管增强造影图像的血管中心线提取算法;提出了基于代价地图的血管介入路径规划算法。旨在为医生提供直观、科学的图像指导,提高血管介入手术规划的效率和质量。本研究的主要内容和成果如下:首先,提出了一种基于CT血管增强造影图像的血管中心线提取算法。通过对血管增强造影图像特征向量进行分析,对血管结构图像进行了增强从而提升了血管三维模型重建的质量。改进现有最大内切球算法,在中心线提取过程中引入虚拟点对截面提取过程进行了简化。同时,对初步提取出的中心线进行偏移检验和校正等后处理,得到光滑连续的中心线路径模型,为路径规划提供基础。其次,提出了基于代价地图的血管介入路径规划算法。基于层次分析法对血管结构中对影响介入手术的各项指标进行权重量化分析,通过重建的血管中心线模型进行代价地图编码形成代价地图。该代价地图以量化的方式显示出了血管介入路径中各点的危险程度,基于代价地图用路径搜索算法获得血管介入的最优路径。通过叠加代价地图的血管三维模型,可以将血管结构参数直观的呈现以指导手术规划。最后,提出一种基于双目视觉的反光标记物追踪算法为虚拟现实系统提供了稳定高效的空间注册交互支持,结合空间注册算法将完成三维模型的虚拟现实显示。搭建虚拟现实血管介入路径规划系统,在虚拟现实环境下查看路径规划结果,规划结果在虚拟现实环境下立体的呈现出来,使医生对复杂的血管结构有了更直观的了解,为手术规划提供了直观有效的指导。本文搭建的虚拟现实手术规划系统可以根据复杂的血管结构参数对介入路径的危险程度进行量化,并给出介入路径建议,提升了血管路径规划的科学性和可信度。虚拟现实系统直观的呈现出叠加代价地图的规划结果,可以为医生提供清晰直观手术规划辅助,具备强大的潜在临床应用价值。