空开发等领域。
1.4.4.1 远程手术和医疗有利于资源共享，提高偏远地区的医疗水平从全球范围来看，少数发达国家的医疗水平大大超过大多数第三世界国家，从一个国家的范围来看，医疗力量主要集中在少数大都市，如我国的北京、上海、广州等城市医疗水平较高，而偏远地区则相对落后很多。这种医疗资源分布的不均，使欠发达国家和地区的健康事业难以得到保障，例如如果西藏地区某公民患突发性疾病，需要尽快进行手术，而当地的医疗水平不足以完成该类
手术，转移到内地在时间上又不允许，此时正处于两难的境地。利用CAS系统可以圆满解决问题，在患者病发后立即把患者转移到当地医院，同时与内地水平较高的医院取得联系，安排远程手术医生，一切到位后远程手术医生开始执行手术，赢得了宝贵的手术时间，拯救了患者的生命。所以说，远程手术使欠发达地区的医院也能完成高难度的手术，有利于医疗资源共享，提高偏远地区的医疗水平，应用前景十分诱人。2001年9月7日，在美国纽约的科研机构通过高速网络控制大西洋彼岸斯特拉斯堡大学医学中心的一架名为ZEUS的机器人成功的完成了胆囊切除手术(如图1.3所示)，用事实证明了远程手术的可行性。
日常生活中应用较多的将是远程诊断。随着医疗水平的提高，人们越来越注重自己的健康状况，需要经常与医生进行交流，而每次亲自去医院就诊未免太费时费力，远程诊断系统将提供一种便捷的方式，让人们足不出户就可以完成就诊。其主要原理是在居民家中安装视频摄
像机和小型医疗检测仪器，这些设备获得的信息通过网络传送给医生。而患者和医生通过视频电话进行交流，然后医生给出诊断结果和处方。虽然远程医疗和远程手术没有根本上的技术难题，而且已有成功的实例，但要达到实用，尚需要一个过程。主要原因是因为作为该系统根基的国际高速医疗互联网络是一个庞大的工程，不仅依赖于技术，对安全性和稳定性的要求更高，而且还关系到国际合作和协商、投资收益等实际问题。 1.4.4.2 战地伤兵救护
美国专门研究战地伤亡和救治的组织WDMET(Wound Data MunitionsEffectiveness Team)对越南战争和海湾战争的伤亡数据进行统计，统计的结果显示：战场上的士兵很少会因为大脑、心脏等要害部位中弹后带来无可挽救的死亡。大部分死亡是由于胸腔、腹腔中弹引起的体内大出血引起的，而且90％的死亡发生在30分钟内。也就是说，如果在士兵中弹后及时进行护理和手术，就很有可能挽回士兵的生命，但传统的战地医院离前线较远，无法及时完成救护工作。而利用远程手术，医生可以在战地医院，甚至在遥远的后方完成对士兵的救护工作。美国对此进行了一系列尝试，他们把医用机器人搬进装甲车，使伤兵在转移的过程中就可以完成手术，赢得了宝贵的时间。士兵受伤后由运输直升机迅速转移到手术装甲车中，医生在战地医院通过遥控操作完成手术，同时后方城市的高水平医生提供技术支持。整个系统的通讯系统分为两部分，战地通讯系统主要由通讯飞机、卫星和地面雷达站组成，用于搜集战场上的伤亡信息，并负责战地医院
和手术装甲车之间的通讯；远程通讯系统由通讯卫星和地面接收装置组成，主要负责战地医院和后方医院之间的通讯。1.4.4.3 远程手术在太空开发和航空宇航方面的应用在21世纪中，人类航天事业将得到长足的发展，将突破小规模、小批次、日程短的范畴。国际空间站已建立多年，开发月球、火星的计划也初露端倪。在太空高辐射、零重力、营养匮乏等恶劣条件下，人体免疫能力下降，组织、器官更容易发生病变。而把手术医生带上航天器是不现实的，也没有必要，因为远程手术机器人可以解决这个问题。因此，太空医疗工程必将成为宇航生命保障工程中的一个重要分支。Jon C. Bowersox的报告指出2020年前后，人类载人登陆火星的计划将付诸实践，届时将有6名宇航员在飞船上进行为期3年的航行和火星地面考察。在这种艰苦的条件下，很难保证所有宇航员在3年内一直保持良好的健康状况。因此，为了保证宇航计划的顺利进行，航天器必须携带远程医疗设备，以处理突发事件。近年来，我国在航天领域取得了令人瞩目的成就，实现了载人航天工程，并向更高的目标迈进，也应该开展太空医疗工程方面的研究。
1.4.5 我国 CAS 系统的发展现状
虽然国际上关于CAS系统的研究已经取得了巨大的进步，但是国内在这方面的研究起步较晚，基础研究还很薄弱。不过近几年随着经济的发展，我国在CAS系统的研发和应用发面进步较快。深圳的安科公司于1999年推出了国内的一台商用CAS系统，但其核心部件导航定位系统仍采用加拿大NDI公司的产品。东南大学、北京航空航天
大学、上海交通大学、中科院自动化所等也从事相关方面的研究。国内的中国医大一院神经外科和沈阳卓越数字医疗有限公司共同研制开发了中国第一台双屏电磁手术导航系统，并于2005年9月20日在医大一院成功实施了一项手术，填补了国内的空白。总体来说，国内自行研发的产品和国际先进水平相比有较大差距，在临床应用，市场开拓上更是任重而道远。目前，CAS系统在国内医院的装机量不高，而且绝大部分为进口产品，价格昂贵，维护成本高，也增加了患者的负担。同时，我国经济实力日益增强，人民生活水平稳步提高，对医疗健康条件的要求越来越高。可以预见，在未来的20年内，拥有13亿人口及数万家大、中、小型医院的我国，对CAS系统和其他大型医疗设备的需求量也非常巨大。为了不把巨大的市场拱手让与他人，降低国民的医疗负担，开发出拥有自主知识产权且具有竞争力的CAS系统及相关医疗设备是一项十分紧迫的任务。
本文主要研究CAS系统中术前图像处理部分的相关关键技术，涉及到的具体工作有：解读DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine ) 3.0协议、读取DICOM医学图像文件、医学图像中标志点的自动识别与定位、CAS系统中的定位技术研究以及空间配准等，其中医学图像中标志点的识别与定位以及空间配准是本文工作的重点。本文研究的目的在于掌握并完善相关技术，开发一种可靠的医学图像中标志点自动识别和定位的算法，同时完成术前重建虚拟数据与术中患者以及手术器械真实位置的空间配准。 第二章 CAS 系统及其关键技术
2.1 引言
CAS系统是一个复杂的综合系统，涉及到计算机软硬件、信息科学、自动控制、临床医学等多个学科的相关技术。从CAS的流程来看，需要下列关键技术的支持。首先，医学影像是整个系统的数据源，用于诊断和建立模型，需要用到医学成像技术；其次，对医学图像进行处理需要图像处理与显示技术的支持，包括图像分割、图像配准和融合、三维重建等；在手术进行时，需要实时跟踪手术器械，所以空间定位技术和空间配准技术也是必须的。 2.2 CAS 系统的组成及运作流程
CAS系统从物理组成上可以分为：成像设备、计算机软硬件环境、图像显示设备、立体定位系统、手术执行设备等(如图2.1所示)。成像设备用于获取医学影像，是整个系统的基础，一般为CT、MRI、PET、内窥镜等；计算机软硬件环境用于图像处理、三维重建、系统建模以及人机交互等，一般为高性能的图形工作站；图像显示设备用于动态、实时地显示图像信息和系统的状态；立体定位系统用于对手术器械进行实时跟踪和定位，其定位精度是影响手术成败的关键之一；手术执行设备主要是指手术器械，它直接对手术部位进行手术操作完成手术，CAS系统中的手术器械一般是为专门的手术所特制的。从执行流程的先后顺序来看，CAS可分为术前数据获取、手术计划制订、术中导航和操作、手术效果评估四个阶段。前两个阶段在手术前完成，术前数据获取是指获取术前医学影像和各坐标系的信息，为手术导航建立数学模型；手术计划制定是指利用三维模型，进行手术模