基于C形臂2D投影的多元3D脊椎模型构建研究

基于CT重建3D图像的手术导航配准复杂且无法术中获取患者图像，而基于C形臂的手术导航又只能提供2D投影图像。为了在手术导航中兼顾CT的丰富3D解剖信息及C形臂术中获影的优势，本课题拟研究依据C形臂2D投影进行脊椎多元3D模型的术中构建。针对目前基于2D投影的3D建模领域存在的问题，本课题主要研究内容包括：非等中心C形臂有限角锥束X线摄影合成，研究将C形臂旋转中心位移、2D投影变形、及C形臂成像参数变化作为先验知识来补偿不完备数据，以实现缺失角度内投影虚拟与3D模型重建；基于C形臂少量2D投影的多元3D模型构建，研究脊椎多元3D参数化可变模型构建、2D投影图像中特征提取、以及2D投影与3D模型间的特征匹配及非刚性配准。所建多元3D模型可为脊柱侧凸及骨折的手术导航提供3D图像支持；此外，还可将研究成果扩展用于支持骨组织活检、长管状骨髓内钉固定术、及适合采用螺钉固定的手、足骨折手术。

目前，移动式C形臂X光机在骨外科临床应用广泛。但除西门子ISOC-3D等极少数高端品牌外，大多数的C形臂X光机仅可提供患部的2D投影图像。对临床诊断及手术实时导航颇为重要的3D模型及人体横截面图像却无法直接获取。为了获取类似CT重建效果的含有患者丰富解剖信息的3D图像，并同时兼顾常规移动式C形臂X 光机灵活机动的优势，本课题重点研究基于常规移动式C形臂X光机获取的系列2D投影图像进行人体特定组织（尤其是脊柱骨组织）的3D模型构建。具体研究内容包括：1、C形臂2D投影图像的几何变形研究及校正；2、C形臂成像系统几何参数标定；3、面向3D重建的非等中心C 形臂2D投影图像重排；4、基于C形臂密集2D投影的3D模型构建；5、基于2D 投影与3D 模型间的特征匹配及非刚性配准的3D模型构建。关于C形臂2D投影图像变形校正，我们提出一种新型集成方法，可在提高校正精度的基础上降低算法对多种单元变形的敏感度。关于C形臂成像系统几何参数标定，我们提出一种解析法与迭代法结合的标定算法，可在保证精度的前提下提高算法可靠性及易用性，该标定算法除可用于本课题外还可用于CBCT系统（锥束CT）。关于图像重排，我们提出一种面向3D重建的非等中心C 形臂2D投影图像重排方法。关于3D重建，我们对经典的FDK算法进行了适应性改进，以适合人体脊柱3D建模的需要。此外，我们还提出一种基于2D/3D非刚性配准的3D建模方法。所建3D 模型可为脊柱侧凸及骨折的手术导航提供图像支持。