MEMS角速度传感器在Freehand 3D超声扫描中的应用

目的:用2D超声探头进行Freehand 3D扫描,需要记录成像面的相对位置,传统的方法是利用固定的光学或电磁传感器跟踪探头的轨迹,这一方法既贵且不方便。新近广泛使用在移动通信设备中的MEMS惯性传感器可以检测物体的运动过程而无须外部固定设备的参与。本文提出了在普通的2D探头中内置MEMS角速度传感器检测其角位移的方法,不仅可以作为完整的免轨迹传感器3D解决方案的一部分,而且还可以单独使用在球形器官的徒手3D扫描中。方法:本文提出了这一方法的理论并建立了球形器官扫描的数学模型。在一个普通的2D机械扇扫探头中置入一个角速度传感器,并进行了实验研究,实现了对一个置于球壳中的线靶的三维扫描和重建。结果:对线靶的三维扫描和重建的实验表明,线靶的重建误差不超过3.5%,且能正确得表达探头的运动轨迹。实验的重复性也较好。结论:内置惯性传感器的探头进行徒手3D扫描,既避免了通常3D探头的复杂结构和控制,又避免了使用轨迹传感器。重建实验表明,本文提出的方法对线靶的重建精度可以达到3.5%以下。用角速度传感器为徒手3D扫描提供探头的角位移信息是一个可行的方案。

基于手绘草图特征识别的机械零件3D建模

针对机械零件结构中包含圆孔棱边等特点,提出一种基于特征识别的零件3D建模方法。首先将手绘草图规整化为直线圆弧等组成的矢量图,然后采用特征点/线条检索及图元匹配识别圆孔和圆角,通过特征点检索及区块判别识别圆柱等形状特征。对于识别过程中出现的孤立线及隐藏线,定义形状修补规则,判断是否为棱柱型实体。最后根据识别出的信息生成各局部三维模型,并在全局坐标系下组合得到整体零件模型。实验表明,该方法能从手绘草图中识别生成包含加强筋等几何特征的机械零件模型,实现二维草图到三维模型的自动转换。

珠线式模板在Freehand超声图像快速标定中的应用

为了精确标定freehand超声图像坐标系与固定于超声探头上的跟踪设备坐标系间坐标转换关系,提出一种"Z"形珠线模板,由双层"Z"形棉线与精确定位的圆珠构成。定位珠能够引导用户将探头准确定位,即将定位珠全部收入图像视野中。计算定位珠在超声图像中成像点间距的比例关系,根据其相应的模板空间间距比例制定优化算法,校准用户拾取的图像坐标。应用同源点匹配算法得到超声图像平面坐标系与磁跟踪设备坐标系间的空间转换关系,从而实现2-D超声图像向3-D空间坐标系的定位转换。标定结果显示此方法与以往的标定方法相比:加快了标定速度,且标定精度与重建精度有所提高。试验采用磁定位方式进行探头的跟踪定位,此方法同样适用于其他定位方式。

O-arm导航、3D打印导板及C型臂X线机辅助下寰枢椎螺钉置入的准确性比较

目的:对比分析O-arm导航、个体化3D打印导板、C型臂X线机辅助下置入寰椎侧块螺钉和枢椎椎弓根螺钉的准确性和安全性.方法:回顾性分析2015年1月~2020年12月在我院行寰枢椎内固定术患者的临床资料,根据纳入和排除标准,共纳入47例患者,男28例,女19例;年龄15~59岁(46.2±10.0岁).根据置入寰枢椎螺钉方式的不同,分为导航组(应用O-arm导航辅助下置钉,11例)、导板组(应用3D打印导板指导下置钉,15例)、透视组(依据解剖标志在C型臂X线机透视辅助下徒手置钉,21例).统计三组的手术时间、置钉时间、术中出血量、一次性置钉成功率、螺钉置入精准性及并发症.结果:导航组手术时间、置钉时间和出血量分别为120.7±11.1min、20.0±1.1min和225.8±25.6ml;导板组分别为97.5±9.0min、15.8±1.9min和162.7±18.5ml;透视组分别为121.0±12.8min、19.4±2.1min和239.0±24.5ml,导板组手术时间、置钉时间、出血量少于其他两组(P<0.05).共置入寰枢椎螺钉188枚,导航组44枚、导板组60枚、透视组84枚.导航组一次性置钉成功率为100%(44/44),导板组为93.3%(56/60)、透视组为80.9%(68/84),导航组一次性置钉成功率高于其他两组(P<0.05).导航组0、1、2、3级置钉分别44、0、0、0枚,置钉准确率为100%;导板组分别为59、1、0、0枚,准确率为98.3%;透视组分别72、6、3、3枚,准确率为85.7%,透视组置钉准确率低于其他两组(P<0.05).透视组有3枚螺钉进入椎动脉孔,但术后均无脑缺血等相关表现.透视组术后2例患者出现枕颈部疼痛,分析原因为术中刺激C2神经根,给予糖皮质激素及脱水剂治疗后症状缓解;导航组与导板组均未出现术后枕颈部疼痛.三组患者手术切口均一期愈合,无切口或深部感染.结论:O-arm导航及个体化3D打印导板辅助下置入寰枢椎螺钉均能取得较高的准确率,优于传统的C型臂X线机辅助下徒手置钉技术;O-arm导航技术在寰枢椎的一次性置钉成功率方面具有优势;个体化3D导板能够在精确置入寰枢椎螺钉的情况下,节省手术时间、减少出血量.

Freehand三维超声体数据重建的最新研究进展

Freehand三维超声成像系统因其扫描方式自由、能提供更大的成像视角和更高的图像分辨率等优点,比较符合医生习惯和手术室环境,成为近年来超声影像引导介入手术的主要研究方向。Freehand三维超声从一系列不规则的二维B超图像入手,重构器脏结构的三维体数据,并进行三维渲染显示。体数据重建是Freehand三维超声成像系统的关键技术,对提高重建图像质量有着重要的作用。对Freehand三维超声体数据的重建算法进行归纳和分类,比较分析其中的典型算法,最后对Freehand三维超声体数据重建算法的研究状况和未来的发展方向进行展望。

3D打印辅助与徒手置钉经皮椎弓根钉内固定治疗胸腰椎骨折的1年随访

背景:经皮椎弓根钉内固定作为重建脊柱恢复局部稳定性的常见外科手术方法,其置钉的准确性和安全性直接影响着患者术后的活动能力以及生活质量。3D打印技术可基于精确的影像学资料在术前重建患者的脊柱局部结构模型,模拟置钉操作,精确置钉的置入点、方向、角度等,为术中操作提供数据支持。理论上3D打印辅助置钉相比徒手置钉的准确性更高,预后更佳,但需要大量的临床资料证实。目的:探讨3D打印辅助下置钉与徒手置钉在经皮椎弓根钉内固定治疗胸腰椎骨折的临床特点及对术后稳定性的影响。方法:以2016年10月至2018年7月于贵州医科大学附属医院接受经皮椎弓根钉内固定治疗的胸腰椎(T_(10)-L_(3))骨折患者作为研究对象,根据手术方案进行分组,其中徒手组30例采用透视引导法徒手置钉,3D打印组30例在3D打印辅助下置钉。对比两组患者手术时间、出血量、术中透视次数、置钉数、首次置钉准确性等情况;随访1年对比两组患者椎体前缘高度比、后凸Cobb角等椎体高度、曲度变化以及功能恢复情况。结果与结论:①与徒手组相比,3D打印组术中出血量、术中透视次数减少,手术时间、住院时间缩短,术中首次置钉准确量和准确率增高,差异均有显著性意义(P<0.05);②两组患者术后目测类比评分、术后1年满意度相比差异均无显著性意义(P>0.05);③与徒手组相比,3D打印组术后固定节段矢状曲度矫正度数有所增加;④3D打印组术后7 d、3个月以及12个月的Oswestry功能障碍指数显著低于徒手组,差异均有显著性意义(P<0.05);⑤在椎体稳定性方面,两组术后7 d、3个月以及12个月的椎体前缘高度比均呈下降趋势,而Cobb角均呈增长趋势,但两组间对比差异均无显著性意义(P>0.05);⑥提示3D打印辅助置钉依靠先进的重建技术实现了模拟手术,在此基础上形成的椎弓根置入相关数据为真实手术的一次性置钉准确率提供了保障,进而最大程度地实现了脊柱功能的短期恢复和中期稳定。

3D打印导板辅助椎动脉高跨患者C2椎弓根螺钉置入的临床研究

目的:探讨在椎动脉高跨患者中3D打印导板辅助置入C2椎弓根螺钉的准确性和安全性。方法:回顾性分析2018年1月~2018年12月在我院行上颈椎后路内固定术的72例C2椎动脉高跨患者。根据辅助C2椎弓根螺钉置入方式的不同分为导板组(n=36例)和徒手组(n=36例)。两组患者年龄、性别、体重指数(BMI)、疾病类型等一般资料比较差异均无统计学意义(P>0.05)。记录并比较两组患者C2椎弓根螺钉置钉时间、手术时间、术中出血量、透视时间、术中出血量、置钉相关并发症、手术技术费用、住院时间以及术前、术后3d、术后6个月VAS评分、JOA评分。根据术后颈椎CT并按照Kawaguchi等提出的螺钉分级标准评估C2椎弓根螺钉置入准确率,并计算术前模拟置钉与术后实际置钉进钉角度在矢状面与横断面上的偏差。结果:导板组置钉时间、手术时间、透视时间明显优于徒手组(P<0.05),手术技术费用徒手组明显低于导板组(P<0.05)。两组术中出血量、住院时间无明显统计学差异(P>0.05),两组术后3d、术后6个月的VAS评分和JOA评分均较术前明显改善(P<0.05),组间比较无统计学差异(P>0.05)。导板组和徒手组分别置入C2椎弓根螺钉42枚、43枚;置钉准确率(0级+1级)分别为95.2%、72.1%。两组螺钉矢状面偏离角度分别为0.52°±0.42°、2.21°±0.69°,横断面偏离角度分别为0.51°±0.36°、2.16°±0.77°。导板组在置钉准确率、螺钉偏差角度均优于徒手组(P<0.05)。并发症情况:两组患者中共发生椎动脉损伤4例,其中导板组0例,徒手组4例,差异有统计学意义(P<0.05),所有患者术后均未发生螺钉松动、断钉断棒。结论:在椎动脉高跨患者中,3D打印导板和徒手技术辅助置钉可达到相似的临床疗效,但在置钉准确性和安全性方面,导板技术更占优势,同时它能显著缩短置钉时间、透视时间,降低手术并发症。

3D打印导板辅助上颈椎椎弓根置钉与徒手置钉的比较

目的 比较个体化3D打印导板辅助上颈椎椎弓根置钉与徒手置钉的精准性。方法 选择2019年6月至2022年6月在蚌埠医学院第二附属医院就诊的上颈椎疾患患者20例,获取每位患者颈椎三维CT数据,根据置钉方式不同分为导板组和对照组,分别制作20例等比例3D打印上颈椎模型,导板组使用3D打印导板辅助上颈椎模型椎弓根螺钉置入,对照组在透视辅助下徒手置钉。根据椎体是否存在骨折,将导板组内20例模型分为钉道损伤组10例(寰椎骨折与枢椎骨折病例)和钉道完整组10例(畸形与关节脱位病例)。比较导板组和对照组螺钉可接受率、单枚螺钉置入时间差异;比较导板组术前理想钉道与术后实际钉道内倾角差异,对比钉道损伤组和钉道完整组置钉结果差异。结果 导板组螺钉可接受率为93.55%,高于对照组的79.03%(P<0.05);导板组单枚螺钉置入时间短于对照组(P<0.05);导板组术前理想螺钉内倾角与术后实际螺钉内倾角之间差异无统计学意义(P>0.05);钉道损伤组螺钉突破椎弓根率26.7%高于钉道完整组3.1%(P<0.05)。结论 个体化3D打印导板辅助上颈椎椎弓根置钉在置钉精准度、安全性和置钉效率方面优于徒手置钉技术。

基于自然手势跟踪的直接操作型三维人机交互范式

针对自然手势单通道条件下建立统一交互模型的难点问题和关键问题,该文提出一种基于二级行为模型的3D手势跟踪和交互方法,实现了一种基于自然手势的直接操作型3D人机交互界面范式原型系统.首先,建立了二级行为模型,然后,以行为模型为基础,设计并实现了一种基于行为模型的三维人机交互界面范式.文中主要创新点在于:建立了基本手势库的二级行为模型;用"令牌环"技术捕捉用户的交互意图;建立"多选一"的交互模型;用"替身"技术解决人手模型与不同物体的抓取过程中的多样性和复杂性问题,建立了抓取和释放操作的统一范式并提出了相关算法.文中算法在多个交互型虚拟装配平台上得到了验证.实验结果表明,与现有相关算法相比较,文中算法在时间开销和跟踪精度等方面得到了明显改善.

一种基于光学定位的超声探头标定方法

在手持二维超声探头扫描重建三维超声图像之前,需要进行超声探头标定。为了在标定图像数量少的情况下,快速有效地标定超声探头,提出一种基于光学定位的超声探头标定方法。设计一种由两个互相垂直的平面组成的立体标定模板。在标定过程中,手持超声探头扫描标定模板,由光学定位设备获取摄像机与模板的变换矩阵、超声探头与摄像机的变换矩阵。每次扫描得到超声声束与模板三正交轴的3个交点,共构造6个标定方程。当采集两幅以上标定图像时,即可非线性优化求解得到超声图像与超声探头的变换矩阵,未知量包括6个空间变量和两个超声图像比例因子。仿真实验表明,标定误差随图像数量增加而减小,当图像数量大于30幅时,标定平均误差小于1 mm;真实实验表明,该方法在采用20幅以上标定图像时,标定平均误差小于2 mm。该方法平均标定精度满足超声影像导航手术的需求,并为进一步的三维超声重建奠定基础。

影视动画二维技术与三维技术的探讨

依据动漫专业师生原创动画短片《嫦娥》的制作过程,笔者对影视动画制作的三维技术与二维技术的结合以及两者发展预期进行了一定的思考。二维动画与三维动画制作技术相互渗透,三维动画技术可以模拟出二维动画的手绘风格,二维动画技术也可以为三位动画提供帮助,三维、二维两者相互结合,发挥其优势、互补其各自局限,带来了三维动画的全新视觉感受。相信对指导动画制作技术的实践及促其发展,能够起到抛砖引玉的作用。

磁感应式Freehand-3D超声与二维超声测量甲状腺模型体积准确性对比研究

目的探讨磁感应式Freehand-3D超声与二维超声测量甲状腺模型体积的准确性。方法使用猪肝制作40个甲状腺模型,用排水法测量得出各模型的体积作为金标准。与金标准对比,比较二维超声、磁感应式Freehand-3D超声测量甲状腺模型体积的准确性。结果二维超声、磁感应式Freehand-3D超声测量法与金标准测量甲状腺模型体积准确性差异无统计学意义(均P>0.05)。各种超声测量法分别与金标准相比,磁感应式Freehand-3D超声测量甲状腺模型体积相关系数最高(r=0.998)。Bland-Altman分析显示磁感应式Freehand-3D超声测量值误差最小,相对误差均值为3.42%,误差范围为-9.57%~12.07%,一致性界限为(-1.253,0.999)。结论与二维超声相比,磁感应式Freehand-3D超声可以更加精准地测量甲状腺模型的体积。

一种自由臂三维超声任意切面重建方法

提出一种无体素的自由臂三维超声任意切面重建方法。通过计算重建切面和原始超声图像的位置关系,根据重建切面附近的超声图像像素点直接重建得到任意切面图像,在计算切面图像像素值的过程中采用平方距离加权方法。实验结果证明,与传统方法相比该方法具有更高的重建精度和相近的噪声抑制能力,而针对某一确定平面的重建时间仅为传统方法的1.6%左右。

自由式三维B超图像数据重构算法及其实现

目的:三维B超近来在临床诊断及图象引导的应用中常被提及。虽然有专门的三维B超探头,但因为价格制约,我们仍然需要从二维B超中进行重建,得到三维B超图象。方法:获取三维图象需要两个步骤,一个是在探头上增加位置传感器,对二维图象进行配准;一个就是如何用重建算法实现三维体数据。结果:本文直接利用国产B超,利用改进的重构算法,在红外放疗跟踪系统上直接实现自由式三维B超。结论:该方法节约了成本,并取得了满意的临床应用结果。

基于磁导航的徒手超声三维重建

不同的超声探头与定位传感器间的空间变换难以统一,对此,基于磁导航设计了一种“三层简易N线”标定模型,以简便的方式完成超声探头的自动化标定。提出了一种“简易快速包围盒”方法确定重建空间,利用基于像素的方式和光线投影算法得到三维可视化结果,简化了超声重建过程,实现了一种快速徒手超声三维重建。

三维模型检索中手绘草图轮廓特征的应用研究

为了能够在大量的三维模型中高效地检索出需要的模型,提出了基于手绘草图的轮廓特征实现三维模型检索的方法。首先对输入的草图进行预处理,提取草图平滑的轮廓;然后利用傅立叶变换对提取的草图轮廓进行降维处理,生成具有平移、旋转、比例缩放不变性的特征向量。利用动态时间规整方法计算特征向量的距离,比较手绘草图和3D模型之间的相似性。实验表明该方法具有较好的检索效率和检索效果。

一种B超图像和探头空间相对位置的测试方法

目的:对于腹部肿瘤,为了更好地进行实时、精确的放疗,需要获得清晰的三维肿瘤图像。三维B超近来在临床诊断及图像引导的应用中,不断地被介绍。虽然有专门的三维B超探头,因为价格原因,我们仍然需要从二维B超中进行重建,得到三维B超图像。帮助放疗专家,在对病人实施放疗时,动态对病人的肿瘤放疗进行实时的、数字化监控和修正,达到精确放疗的效果。方法:直接利用国产B超,在探头上增加位置传感器,精确地测定了B超图像和探头之间的空间关系,对二维图像进行配准。结果:本文设计一种配准测试方法,在红外放疗跟踪系统上直接实现自由式三维B超。结论:采用本文描述的测试方法能够基于红外放疗跟踪系统得到实时精确的自由式三维B超图像,节约成本,取得了满意的应用结果。

个性化导航模板辅助S2AI置钉与徒手置钉的对比

目的探讨3D打印导航模板辅助经后路第2骶椎髂骨(S2AI)螺钉置入的可行性与准确性。方法回顾性分析2017年9月至2019年9月接受初次S2AI置钉患者30例。其中男14例,女16例;年龄42~74岁。根据治疗方法的不同将其分为导板组和徒手组,每组15例。导板组患者术前行骨盆CT三维重建,设计导航模板并在术中使用,徒手组采用常规手术徒手置钉。所有患者术后复查骨盆CT,三维重建后观察螺钉与皮质的关系,并对比两组患者术后CT在矢状面上尾向偏角(SA)、横断面与正中线夹角(TA)、进钉点与骶正中嵴的距离(HD)以及与第1骶后孔下缘的垂直距离(VD)。记录并比较两组手术S2AI置钉时间、术中置钉所需透视C型臂次数。结果导板组15例患者共置入S2AI钉30枚,所有螺钉均穿过骶髂关节,无侵犯及穿出皮质。徒手组15例患者共置入S2AI钉30枚,所有螺钉均穿过骶髂关节,无侵犯及穿出皮质。导板组患者术后SA(30.00±3.49)°、TA(40.43±2.10)°、HD(19.44±0.85)mm、VD(4.97±0.43)mm,与徒手组患者术后SA(30.72±3.34)°、TA(39.71±2.12)°、HD(19.15±1.31)mm、VD(5.02±0.53)mm比较,差异无统计学意义(均P>0.05)。导板组测量置钉时间(19.60±1.30)min、透视次数(4.20±0.41)次低于徒手组测量置钉时间[(52.93±9.22)min]、透视次数[(13.80±2.81)次],差异有统计学意义(均P<0.05)。结论成人骨盆固定中,应用3D打印导板与徒手置钉的准确性无明显差异,但3D导板组手术时间更短,术中透视次数也更少。

三维超声数据采集技术及发展

近年来,超声三维成像技术得到了长足的发展并广泛应用于临床诊断领域。三维超声成像技术主要包括数据采集和重建后处理两部分,本文提出了三维数据采集技术的四个发展阶段:自由臂、辅助装置、机械容积探头、电子面阵探头。然后对各个阶段的各项采集技术分别进行描述,并归纳了其优缺点。

Freehand 3维超声重建算法综述

Freehand3维超声是近年来超声图像3维重建技术领域的研究热点之一。在对3维超声按获取方式不同进行分类的基础上,阐述了Freehand3维超声系统特点及其重建原理,对Freehand3维超声重建算法进行了综述和比较分析,并指出了今后面临的主要挑战和未来发展方向。