颅底外科手术导航的配准跟踪方法研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61901031
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.5万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0125.医学信息检测与处理
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Endoscopic surgery is the major method for the diagnosis and treatment of skull base tumors. But the skull base tumors are often located adjacent to the brain stem, cranial nerves and important blood vessels, and the clinical operation is difficult. Multi-modal image-guided surgical navigation technology can compensate for the missing three-dimensional information of endoscopic images, thus avoiding accidental injury to these important tissues and organs during surgery. However, due to the low accuracy of registration between multi-modal images and intraoperative instruments, it does not satisfy the requirements of clinical surgery. Therefore, the project is intended to study on the basic methods of registration and tracking involved in the skull base surgery navigation. The adversarial network is introduced to evaluate the similarity between multi-modal images, then the full convolution network is used to realize the automatic non-rigid registration of multi-modal images. The dynamic information of endoscopic sequence images is employed to reconstruct the three-dimensional structure of the nasal cavity, and then the spatial correlation between endoscopic image and preoperative 3D image is registered. The intraoperative motions of patient and surgical instrument are obtained by optical tracking, so that the intraoperative registration error can be reduced by hybrid decision of image registration and optical tracking. The related researches will be applied to improve the accuracy and stability of surgical navigation system. This work has far-reaching significance for the clinical application of skull base surgery navigation system.
内镜手术是颅底肿瘤诊疗的主要手段,但颅底肿瘤往往位置较深,毗邻脑干、颅神经及重要血管,临床手术操作难度较大。多模态影像引导的手术导航技术可弥补内镜图像所缺失的三维信息,从而避免术中误伤上述重要组织器官。但因多模态图像间的配准与术中器械跟踪精度较低,尚无法完全满足临床手术需求。为此,本项目拟开展颅底外科微创手术导航所涉及的配准跟踪基础方法研究。研究内容包括引入对抗生成网络评估多模态影像间的相似性,使用全卷积网络实现多模态影像自动弹性配准;利用内镜序列图像的动态信息,重建鼻腔三维结构,并研究鼻腔表面结构与三维影像的快速配准方法,建立内镜二维图像与术前三维影像的空间信息关联;研究患者及手术器械在术中运动的光学跟踪方法,通过图像配准与光学跟踪混合决策,实现术中配准误差实时校正。并将理论研究成果应用于颅底外科微创手术导航,提高手术的效率与安全性。本项工作对影像引导手术导航的临床应用具有深远意义。

结项摘要

本项目按照预定计划开展研究,围绕颅底外科微创手术导航的配准跟踪问题开展基础性研究,以突破关键技术、提升算法可靠性为目标,深入研究多模态图像引导与光学跟踪相结合的颅底外科微创手术导航方法。搭建了一套双目光学跟踪系统和增强现实颅底手术导航系统,基于三坐标测量机的相机标定和优化的灰度矩坐标计算方法,达到了0.16mm的跟踪定位精度,自主设计光学跟踪硬件结构,将光学跟踪的刷新率提升至30Hz以上。基于特征点匹配的方法实现了跟踪系统到医学图像的自动配准,在临床实验中验证目标区域的导航误差<2mm。基于重要性排序面片渲染方法实现了导航过程中内镜图像与医学图像的虚实融合,实现术中患者位姿的快速、精准校正,延展手术视野并提供直观三维结构信息,并成功应用于颅底手术临床诊疗。研发了基于距离模型的实时空间距离分级预警功能,依距离对当前手术操作进行安全分级。在完成颅底外科虚实融合导航系统的关键技术突破后,进行了产品软件框架搭建、软件功能开发、产品外观设计、产品结构设计与加工,完成了颅底外科手术导航定位系统的小批量生产并在临床实验中验证其有效性。本项目完成了项目既定的研究目标,执行期间累计发表或录用16篇SCI期刊论文、15篇会议论文,申报国家发明专利11项,其中2项已授权。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(15)
专利数量(11)
Augmented reality calibration using feature triangulation iteration-based registration for surgical navigation
使用基于特征三角测量迭代的配准进行增强现实校准以进行手术导航
  • DOI:
    10.1016/j.compbiomed.2022.105826
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
    Computers in Biology and Medicine
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Long Shao;Shuo Yang;Tianyu Fu;Yucong Lin;Haixiao Geng;Danni Ai;Jingfan Fan;Hong Song;Tao Zhang;Jian Yang
  • 通讯作者:
    Jian Yang
Densely Connected U-Net with Criss-Cross Attention for Automatic Liver Tumor Segmentation in CT Images.
具有十字交叉注意力的密集连接 U-Net,用于 CT 图像中肝脏肿瘤的自动分割。
  • DOI:
    10.1109/tcbb.2022.3198425
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Qiang Li;Hong Song;Fengbo Yang;Zenghui Wei;Jingfan Fan;Danni Ai;Yucong Lin;Xiaoling Yu;Jian Yang
  • 通讯作者:
    Jian Yang
Joint Estimation of Depth and Motion from Monocular Endoscopy Image Sequence using Multi-loss Rebalancing Network
使用多损失重新平衡网络对单眼内窥镜图像序列的深度和运动进行联合估计
  • DOI:
    10.1364/boe.457475
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Biomedical Optics Express
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Shiyuan Liu;Jingfan Fan;Dengpan Song;Tianyu Fu;Yucong Lin;Deqiang Xiao;Hong Song;Yongtian Wang;Jian Yang
  • 通讯作者:
    Jian Yang
Volume-awareness and outlier-suppression co-training for weakly-supervised MRI breast mass segmentation with partial annotations
带有部分注释的弱监督 MRI 乳腺肿块分割的体积感知和离群值抑制联合训练
  • DOI:
    10.1016/j.knosys.2022.109988
  • 发表时间:
    2022-10
  • 期刊:
    Knowledge-Based Systems
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Xianqi Meng;Jingfan Fan;Hongwei Yu;Jinrong Mu;Zongyu Li;Aocai Yang;Bing Liu;Kuan Lv;Danni Ai;Yucong Lin;Hong Song;Tianyu Fu;Deqiang Xiao;Guolin Ma;Jian Yang;Ying Gu
  • 通讯作者:
    Ying Gu
Augmented reality navigation with real-time tracking for facial repair surgery
具有实时跟踪功能的增强现实导航用于面部修复手术
  • DOI:
    10.1007/s11548-022-02589-0
  • 发表时间:
    2022-03
  • 期刊:
    International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery,
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Long Shao;Tianyu Fu;Zhao Zheng;Zehua Zhao;Lele Ding;Jingfan Fan;Hong Song;Tao Zhang;Jian Yang
  • 通讯作者:
    Jian Yang

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其他文献

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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