基于三维高斯溅射的机器人手术动态场景三维重建

宋长顺1,2,3，许宁,4，杨蕊绮1,3，王林飞1,3，王琳4，邰永航1,3（1云南师范大学物理与电子信息学院；2云南师范大学云南省光电信息技术重点实验室；3云南省高校光电探测与感知技术工程研究中心；4昆明医科大学第二附属医院肝胆胰外科）

摘要：针对机器人辅助手术（RAS）场景三维重建过程中面临的软组织非刚性形变、手术器械与组织的交互和遮挡问题，提出一种基于三维高斯溅射（3DGS）的动态手术场景三维重建框架。所提方法构建了无需运动恢复结构（SFM）的联合优化策略，通过循环优化相机参数与高斯基元属性，提升在弱纹理和高动态手术场景下的三维重建保真度与鲁棒性。该框架引入混合交互建模策略来处理手术过程中软组织的拉扯、切割等非刚性形变以及手术器械的刚体运动，结合形变网络和样条曲线驱动的局部连续运动模型，实现对软组织拓扑变化与刚性器械运动的统一建模与动态还原。此外，本文利用渲染过程中的透射率信息，对来自被遮挡视图中的弱监督信号进行概率化过滤，从而实现对器械边界的锐利重建和对遮挡组织的恢复。为全面评估方法的性能，在公共数据集及临床机器人辅助手术数据集上，将所提方法与现有先进方法进行了定量与定性对比。在公开的EndoNeRF 数据集上，本方法在重建质量（PSNR）和感知相似度（LPIPS）指标上均优于现有方法。在三个临床手术数据集上，平均重建PSNR 达到34.35 dB，在分割任务上，平均交并比（mIoU）达到96.51%。实验结果表明，本文方法在软组织形变重建及手术器械分割方面表现优异，为实现更可靠的术中导航和手术模拟提供了技术支持。

关键词：动态场景重建；机器人辅助手术；三维高斯溅射；手术场景分割；样条曲线