基于C型臂三维CT图像的下肢骨肿瘤术中导航技术研究

The image registration technique, based on C-arm CT for computer aided navigation of bone tumors surgery, can improve the both accuracy and minimally invasion of bone tumor surgery. Two typical C-arm CT devices scan human body in iso-center mode or non-iso-center mode. The C-arm CT with iso-center scanning can reconstruct a good quality of CT images, but fail to scan the operation area in operation bed; the C-arm CT with non-iso-center scanning can realize a large field of view scan, but the scanning angle is within 135 degrees. The lack of scanning angle will lead to blur the CT image along the certain directions. Therefore, it is difficult to match such reconstructed image precisely with the spiral CT images scanned before the operation. In the project, we will develop a CT iterative reconstruction algorithm for C-arm CT with limited-angle data, based on the priori information of spiral CT images before the operation. We will also recovery the scan geometry parameters from the projection data of designed markers with morphological characteristics, and develop multi-threading and multi-GPU acceleration implementation method as well. The research results can be used to both the bone-tumor surgery navigation and the domestic C-arm CT devices research and development.

C型臂CT技术应用于计算机辅助导航骨肿瘤手术的图像注册，可以提高骨肿瘤外科手术的精确性和微创性。目前常用的C型臂CT扫描有等中心扫描和非等中心扫描两类，前者可以重建较好质量的CT图像，但扫描视野较小，无法扫描位于手术床一侧的手术区域；后者可实现大视野扫描，但扫描角度局限于135度之内，由于扫描角度缺失，导致重建的CT图像沿某些方向产生模糊，难以与术前螺旋CT图像进行精确匹配。本项目将发展一种利用术前螺旋CT图像信息的三维C型臂CT有限角成像的迭代重建算法，通过具有形态特征的标志物的投影数据恢复扫描几何位置参数，并给出基于多线程调度的多GPU的加速实现方法。本项目的研究成果既可用于下肢骨肿瘤外科手术导航，也可用于国产C型臂CT设备的研发。

基于C型臂三维CT图像的计算机辅助导航技术，可以大大提高骨肿瘤外科手术的精确性和微创性。然而术中C型臂CT重建图像模糊，难以与术前螺旋CT图像进行精确匹配，严重影响了该技术的进一步推广应用。C型臂CT扫描角度缺失，是引起了重建CT图像沿某些方向产生模糊的主要原因。另外，单侧支撑机构使得扫描过程可能产生C型臂的振动以及旋转、水平和垂直方向的运动误差，此外病人的移动也会导致物象关系发生变化，这些都将导致C型臂CT图像的模糊。本项目主要目标是：改善术中C型臂CT的图像质量，实现该图像与术前螺旋CT的精确匹配，为骨科下肢手术导航提供技术支撑。.经过四年努力，项目组在C形臂CT的有限角CT重建、术前和术中图像匹配、CT图像的几何伪影和硬化伪影校正等方面都取得了重要进展。(1)针对C型臂CT扫描角度缺失所引起的图像模糊问题，研究利用术前高质量螺旋CT图像，改善术中CT图像的重建质量的方法；提出了利用术前图像作为正则约束项的优化成像模型及求解方法，术中CT图像得到了明显改善；(2)针对C型臂CT单侧支撑机构中振动以及旋转、水平和垂直方向的运动误差，所引起的几何参数误差，提出了基于标志物的几何伪影校正方法，解决了振动以及旋转、水平和垂直方向的运动误差所引起的几何伪影。(3)结合C形臂CT系统研制，开发了支持多种类型射线源、探测器和控制器，具有多种扫描模式和重建算法的CT应用软件系列，包括CT数据库软件和下肢骨X射线CT图像配准系统软件.本项目研究结果为自主知识产权的国产C形臂CT研发提供了理论支持和软件技术。