脑卒中后肌肉痉挛是脑卒中常见的伴随症状,其阴性症状表现为运动协调性降低、肌无力等等,其阳性症状表现为肌张力的增高。随时间发展患者逐渐由阴性症状向阳性症状转变,若未得到及时治疗,患者肌肉长期处于紧张状态,无法做出相应的动作,生活非常不便。目前临床中常用超声图像引导药物注射治疗脑卒中后肌肉痉挛,医生活动患者肢体,观察超声图像中肌肉的运动定位靶肌,使用穿刺针完成药物注射。超声成像清晰度较低,图像识读难度大,图像中肌肉不存在明显轮廓,因此临床穿刺中针体与靶肌的定位较为困难。为了观察到穿刺针尖与靶肌的相对位置,必须将穿刺针置于超声探头侧面,穿刺角度受限。在进针过程中,医生凭借经验判断针尖是否抵达目标肌肉,高度依赖经验。这些问题造成的结果是穿刺成功率低,反复穿刺更会加重患者的损伤。针对目前临床中肌肉穿刺存在的弊端,本文研究并设计了基于超声图像和光学定位的肌肉穿刺导航系统。本系统借助器械注册技术将穿刺针、超声探头、超声图像配准到统一的世界坐标系,借助图像处理技术实时分割出运动的靶肌,借助三维可视化导航技术将手术器械和分割结果以模型的形式进行显示,并实时更新位置和姿态。医生通过观察三维可视化导航窗口即可掌握手术器械和靶肌的情况。器械注册是完成手术的基础,注册后的器械可以实现空间与模型的联动效果。本文推导出针尖、针尾与定位装置的数学关系,经过计算得到转换矩阵完成注册;对于超声探头,本文以图像中的源点集和空间中的目标点集进行匹配计算,使用奇异值分解得到转换矩阵完成注册。本文分析临床中的穿刺过程,借助光流算法对形态发生变化的靶肌进行分割。首先对图像进行光流计算,得到逐像素偏移值,设置速度经验阈值初步过滤噪声点,使用密度聚类进行二次过滤得到最终结果,最后绘制凸包得到分割结果。本文设计并实现了基于L-K(Lucas-Kanade)光流和基于卷积神经网络光流两种靶肌分割算法,分别部署于低性能平台和高性能平台。将器械注册结果和靶肌分割结果整合到自研定位导航软件中进行手术导航,软件的三维导航窗口中实现了进针轨迹显示、实施距离计算、近点投影、靶肌中心点连线、抵达注射点反馈功能,指导医生完成手术。为验证系统是否符合临床要求,本文进行了活体兔腿部股直肌注射实验。药物准确注射进靶肌,实验流程在8～10分钟之间,系统稳定运行。实验结果表明本系统具备一定的临床实用性。