Automatic Bone Surface Restoration for Markerless Computer-Assisted Orthopaedic Surgery

An automatic markerless knee tracking and registration algorithm has been proposed in the literature to avoid the marker insertion required by conventional computer-assisted knee surgery,resulting in a shorter and less invasive surgical workflow.However,such an algorithm considers intact femur geometry only.The bone surface modification is inevitable due to intra-operative intervention.The mismatched correspondences will degrade the reliability of registered target pose.To solve this problem,this work proposed a supervised deep neural network to automatically restore the surface of processed bone.The network was trained on a synthetic dataset that consists of real depth captures of a model leg and simulated realistic femur cutting.According to the evaluation on both synthetic data and real-time captures,the registration quality can be effectively improved by surface reconstruction.The improvement in tracking accuracy is only evident over test data,indicating the need for future enhancement of the dataset and network.

一种基于结构光的高效手术导航空间注册方法

空间注册是手术导航系统获得手术空间与图像空间转换关系的关键步骤。针对现有手术导航系统存在的空间注册过程操作复杂、耗时长问题,本研究提出了一种基于编码散斑结构光的空间注册方法,设计了一种包含不同半径的圆形点阵光斑的散斑模板用于重建手术空间点云,通过与图像空间进行由粗到精的点云配准完成空间注册。实验表明,该方法在提升整体注册效率的同时,保证了较高的空间注册精度,整体注册时间小于10 s,所有靶点的平均注册精度为(0.89±0.08) mm,可满足在手术导航中的应用要求。

高精度光学导航辅助颅颌面骨畸形整复的技术方法建立与应用

目的:通过自主建立用于颅颌面手术的高精度计算机导航软硬件系统,模拟和精确设计手术方案,实现术中实时可视化手术导航。方法:(1)创建颅颌面整复手术规划及导航软件(TBNAVIS-CMFS)。(2)建立基于Polaris光学定位仪的导航工作站。(3)临床上对50例复杂颅颌面畸形患者实施导航辅助矫治与修复重建手术。结果:TBNAVIS-CMFS以清晰的界面和简洁的操作,实现了高精度数字化手术规划;导航辅助的颅颌面骨畸形整复术取得了精确可靠的手术效果,减少了手术创伤。结论:计算机导航技术结合颅颌面整复外科,将有利于从疾病诊断、术前模拟、术中导航等方面推动颅颌面外科趋于精确和微创。

光学导航定位多自由度机械臂辅助颅颌面骨畸形整复技术方法的建立及初步应用

目的:基于现有的光学定位正颌外科导航手术的技术路线,建立并验证光学导航定位下机械臂辅助颅颌面骨畸形整复手术的技术路线。方法:(1)应用工业机械臂Motoman作为执行机构,并与现有导航系统实现整合;(2)按照术前规划,在导航下对颅骨模型进行截骨操作;(3)记录实验相关数据并进行误差分析。结果:自主算法实现了机械臂与导航系统的整合,并按照术前规划,顺利完成Le FortⅠ型截骨操作。机械臂末端执行器定位误差小于2mm,方位角度误差小于5°。结论:光学导航定位多自由度机械臂辅助颅颌面骨畸形整复手术的技术路线得到验证,整合后的系统基本能够满足在医师现场监控下临床应用的要求。

一种无图像导航下ACL重建的等距规划方法

针对膝关节前交叉韧带(ACL)移植位置不易确定的问题,采用光电跟踪技术,提出了一种基于等长规划的ACL无图像导航重建方法。首先根据韧带等距理论,设计了一种基于计算胫骨绕股骨运动过程中距离变化最小的点对的等距规划方法,然后分析了无图像导航系统的总体结构及关键技术,包括手术空间各对象的坐标转换、关节特征采集原则和表面重建方法,最后利用该方法进行了2例牛腿骨实验。结果表明,该规划方法合理有效,在股骨/胫骨的生长区域内的定位精度达1.45mm,能够满足临床手术要求。

ACL导航手术中实时曲面重建问题研究

针对ACL导航手术中以光学定位仪测量方式得到的三维散乱数据云为基础 ,实时重建植入物的胫骨和股骨附着面及可能产生碰撞的部分滑车面。该方法在手术中可帮助医生判断附着面的合适位置及是否可能发生碰撞的滑车面的位置。大量的实际模拟结果表明 ,该方法避免了线性插值方法的缺点 ,在实际应用中更为有效。

基于光学定位仪的曲面三角网格重建及其应用

针对光学定位仪采集到的非均匀散乱数据进行曲面的实时三角网格重建。首次给出了光学定位仪采集点的曲面重建过程中样本密度以及邻域值的确定方法,并将其应用到手术导航中的骨表面重建,从而更好地利用可视化技术帮助医生进行术中判断。多次重建结果表明,该方法与未改进的曲面重建方法相比,能够更好地确定曲面的边界,在实际应用中也更为有效。

基于YOLOv5⁃DeepSORT融合的低帧率水面航行多目标跟踪算法

针对游弋舰船或近水面航行的潜艇等目标在低帧率或视频图像中缺失部分帧情况下,跟踪目标帧与帧之间存在较大差距,导致跟踪精度下降、效率低的问题,提出一种基于YOLOv5与DeepSORT融合的水面航行多目标跟踪算法。首先,引入超分辨率重建网络对跟踪目标图像进行增强,以消除云雾及海浪对识别网络的干扰,使图像中目标特征清晰化;其次,在YOLOv5中引入ShuffleAttention注意力模块以增强识别网络对目标特征的提取能力;最后,在DeepSORT算法级联匹配中引入欧氏距离匹配替代IOU匹配,以此提升目标跟踪精度。仿真结果表明,本文算法的跟踪效果良好,改进的YOLOv5模型相对mAP50⁃95值提升了9.4%;在DeepSORT跟踪网络中,跟踪准确率对比优化前提升了8.11%。