專利名稱：基于ct配準(zhǔn)結(jié)果的光學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及其導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種信息處理技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)及方法，具體是一種用于輔助冠狀 動(dòng)脈搭橋手術(shù)的基于術(shù)中超聲與術(shù)前CT配準(zhǔn)結(jié)果的導(dǎo)航定位系統(tǒng)及其導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)我國(guó)心血管病的發(fā)病率逐年上升，其中冠心病是最常見(jiàn)的心血管疾病。針 對(duì)冠心病的治療方法中，冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)是目前除了藥物治療和介入治療之外的最主要、 成熟治療方式。然而傳統(tǒng)冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)需要胸骨正中切口，必要時(shí)還需要借助體外循 環(huán)等操作才能完成手術(shù)。其包括切口大、恢復(fù)慢、并發(fā)癥多等缺點(diǎn)。作為新型治療方式的導(dǎo) 航輔助微創(chuàng)冠脈搭橋手術(shù)，僅需要通過(guò)在胸壁上開(kāi)幾個(gè)手指粗細(xì)的切口、利用特殊的手術(shù) 器械即可完成手術(shù)，達(dá)到了切口美觀、創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、并發(fā)癥少等要求。
進(jìn)行導(dǎo)航輔助微創(chuàng)冠脈搭橋的主要手術(shù)難點(diǎn)之一是如何快速而精確定位目標(biāo)點(diǎn)， 不當(dāng)或者錯(cuò)誤的定位可直接影響到手術(shù)的成敗和遠(yuǎn)期療效。目前，微創(chuàng)冠脈搭橋手術(shù)的定 位主要依賴術(shù)前影像，未能利用反映手術(shù)區(qū)域真實(shí)情況的實(shí)時(shí)信息，無(wú)法解決術(shù)中由于呼 吸、體表標(biāo)記點(diǎn)位移和體位變化等因素導(dǎo)致的誤差問(wèn)題，從而使得定位效果不理想。
經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，“3D_imageguidance for minimally invasive robotic coronary artery bypass, Heart Surg Forum 2000-9732(3)”(三維圖像指導(dǎo)機(jī) 器人輔助微創(chuàng)冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)，心臟外科論壇，2000年)中TM. Peter最先嘗試應(yīng)用三維影 像圖像進(jìn)行心臟外科手術(shù)術(shù)前規(guī)劃的研究，他通過(guò)對(duì)患者術(shù)前采集的CT圖像進(jìn)行分割，得 到心臟和骨架的表面模型，初步建立了一個(gè)微創(chuàng)搭橋手術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時(shí)提 供了一個(gè)虛擬內(nèi)窺鏡，利用術(shù)前手術(shù)配準(zhǔn)的技術(shù)，使得真實(shí)內(nèi)窺鏡與模型試驗(yàn)中模型的相 對(duì)位置關(guān)系和虛擬內(nèi)窺鏡與系統(tǒng)中建模出的心臟骨架模型的相對(duì)位置關(guān)系一致。但該系統(tǒng) 只是一個(gè)原型系統(tǒng)，存在許多不足，如真實(shí)內(nèi)窺鏡2D圖像沒(méi)有與虛擬的3D場(chǎng)景有效融合等 問(wèn)題。
“Flexible calibration of actuated stereoscopic endoscope for overlay in robot assisted surgery,MICCAI 2002 (I )LNCS 2488,T. Dohi and R.Kikinis(eds)， 25-34. ”(機(jī)器人輔助手術(shù)中立體內(nèi)窺鏡的靈活標(biāo)定，2002年醫(yī)學(xué)影像計(jì)算與計(jì)算機(jī)輔助介 入大會(huì))中Mourguess和Coste-Maniere嘗試著將一個(gè)動(dòng)物的心臟在內(nèi)窺鏡下的影像與該 心臟的冠脈樹(shù)三維模型的虛擬內(nèi)窺鏡各自以一定透明度重疊進(jìn)行融合，對(duì)手術(shù)中定位目標(biāo) 點(diǎn)起到了一定的效果。但是術(shù)中冠脈樹(shù)的模型是靜止的，而且冠脈樹(shù)的三維模型與內(nèi)窺鏡 影像的融合是依靠識(shí)別內(nèi)窺鏡中觀察到的標(biāo)示點(diǎn)來(lái)使二者較為準(zhǔn)確的融合，這種方法的魯 棒性以及準(zhǔn)確性并不十分令人滿意。
中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1650813,記載了“外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)基于光學(xué)定位的機(jī)器人手 術(shù)定位方法”，該方法首先在機(jī)器人基座上設(shè)計(jì)三個(gè)標(biāo)志位，通過(guò)光學(xué)跟蹤儀定位指針來(lái)選 取這三個(gè)標(biāo)志，讓機(jī)器人探針和光學(xué)跟蹤儀定位指針對(duì)接時(shí)同時(shí)采集空間同一坐標(biāo)系，最 后通過(guò)光學(xué)跟蹤儀與機(jī)器人系統(tǒng)的坐標(biāo)互換。該技術(shù)主要使用與腦外科手術(shù)中，由于腦外科手術(shù)解剖學(xué)形變小，精確度問(wèn)題上更容易把握；但該技術(shù)無(wú)法應(yīng)用于解剖學(xué)形變較大的心血管系統(tǒng)領(lǐng)域。中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101703409A，記載了 “一種超聲引導(dǎo)機(jī)器人輔助治療的系統(tǒng)和方法”，該系統(tǒng)包括手術(shù)機(jī)器人、二維超聲儀、磁定位儀和工作站，通過(guò)將他們相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病患區(qū)域的有效檢測(cè)及自動(dòng)化治療，從而降低醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高手術(shù)實(shí)施的精確度。但是此方法中使用的是磁定位儀，磁定位儀在使用時(shí)受到場(chǎng)地、器械、其他儀器等各種干擾，容易產(chǎn)生誤差。同時(shí)三維重建的超聲信息會(huì)產(chǎn)生圖像變形問(wèn)題，用其圖像信息指導(dǎo)手術(shù)可能會(huì)造成偏差，而且產(chǎn)生信息量有限，無(wú)法用于一些較為精細(xì)復(fù)雜的手術(shù)，如心臟手術(shù)的精確操作?？梢?jiàn)，雖然機(jī)器人輔助治療系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于臨床治療中，但是其在手術(shù)目標(biāo)定位上的發(fā)展尚不完善，很多臨床難題仍有待解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出了一種基于CT配準(zhǔn)結(jié)果的光學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及其導(dǎo)航方法，采用虛擬現(xiàn)實(shí)和術(shù)中超聲相結(jié)合的方式，補(bǔ)償由于呼吸等因素造成的術(shù)中定位誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冠脈搭橋術(shù)的目標(biāo)點(diǎn)的精確定位導(dǎo)航。通過(guò)對(duì)術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)中的心臟和冠脈血管樹(shù)進(jìn)行手動(dòng)分割重建，然后在光學(xué)導(dǎo)航儀和基于術(shù)前CT圖像與二維超聲圖像的術(shù)中配準(zhǔn)誤差校正的幫助下搭建一個(gè)將內(nèi)窺鏡和虛擬內(nèi)窺鏡相融合的增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)冠脈搭橋術(shù)的目標(biāo)點(diǎn)的精確定位導(dǎo)航。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于CT配準(zhǔn)結(jié)果的光學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊、圖像分割模塊、體表初始配準(zhǔn)模塊、術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊和術(shù)中導(dǎo)航模塊，其中術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊接收術(shù)前影像學(xué)檢查獲得的DICOM格式圖像文件，生成術(shù)前影像包并分別輸出至圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊，術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊分別與圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊相連并接收帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)以及體表初始配準(zhǔn)結(jié)果，術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊輸出術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣至術(shù)中導(dǎo)航模塊，通過(guò)術(shù)中導(dǎo)航模塊輸出精確手術(shù)導(dǎo)航信息。所述的術(shù)前影像包包括目標(biāo)區(qū)域內(nèi)一個(gè)或若干個(gè)心動(dòng)周期的若干幅DIOM格式的術(shù)前CT圖像以及根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)重建得到的三維立體影像，其中一個(gè)心動(dòng)周期術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)由若干個(gè)相位的術(shù)前圖像組成。所述的帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)包括由圖像分割模塊生成的動(dòng)態(tài)心臟模型和血管樹(shù)模型。所述的術(shù)前影像導(dǎo)入模塊包括DIC0M圖像讀入單元和術(shù)前影像三維繪制單元，其中DIC0M圖像讀入單元將術(shù)前影像學(xué)檢查獲得的心臟一個(gè)心動(dòng)周期的一系列DICOM格式圖像文件導(dǎo)入解析出DICOM數(shù)據(jù)并傳輸至術(shù)前影像三維繪制單元，術(shù)前影像三維繪制單元根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)重建成三維立體影像并合并為術(shù)前影像包并分別輸出至圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊。所述的圖像分割模塊包括心臟分割單元和血管樹(shù)分割單元，其中心臟分割單元對(duì)術(shù)前影像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的心臟CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出心臟輪廓，并根據(jù)獲得的心臟CT圖像分割結(jié)果重建得到動(dòng)態(tài)心臟模型；血管樹(shù)分割單元對(duì)術(shù)前影 像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的血管樹(shù)CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出血管樹(shù)輪廓并根據(jù) 臨床需求手動(dòng)標(biāo)出手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)，從而根據(jù)獲得的血管樹(shù)CT圖像分割結(jié)果重建獲得血管樹(shù) 模型并與動(dòng)態(tài)心臟模型一并作為帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)輸出至術(shù)前CT圖像與 術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊。
所述的體表初始配準(zhǔn)模塊包括配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)選擇單元和轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算單元，其中 配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)選擇單元選擇設(shè)置于手術(shù)對(duì)象體表上的配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，并獲得其術(shù)前CT圖像數(shù) 據(jù)在圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)以及真實(shí)手術(shù)對(duì)象的空間坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算單元根據(jù)圖像坐標(biāo)系坐 標(biāo)以及空間坐標(biāo)，利用剛體配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)坐標(biāo)之間的配準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)圖像空間與手術(shù) 對(duì)象空間的配準(zhǔn)，并利用這兩組坐標(biāo)計(jì)算出初始轉(zhuǎn)換矩陣作為體表初始配準(zhǔn)結(jié)果，輸出至 術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲配準(zhǔn)模塊。
所述的術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊包括術(shù)中二維超聲圖像讀入 單元、二維超聲圖像與術(shù)前CT圖像配準(zhǔn)單元和ECG(electrocardiogram,心電圖)讀入單 元，其中二維超聲圖像與術(shù)前CT圖像配準(zhǔn)單元接收術(shù)中二維超聲圖像讀入單元采集的二 維超聲輸入圖像和心電圖讀入單元采集的當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位，通過(guò)輸入心電圖信號(hào)將帶有 手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)的若干個(gè)相位與當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位進(jìn)行匹配，計(jì)算出 兩者之間的轉(zhuǎn)換矩陣并輸出至術(shù)中導(dǎo)航模塊，其中每一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)應(yīng)心動(dòng)周期中的一個(gè) 相位的心臟和帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維冠脈樹(shù)。
所述的術(shù)中導(dǎo)航模塊包括轉(zhuǎn)換矩陣選擇單元和導(dǎo)航顯示單元，其中轉(zhuǎn)換矩陣 選擇單元根據(jù)當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位選擇與之相對(duì)應(yīng)的一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，并將所得的該轉(zhuǎn)換矩陣 輸出至導(dǎo)航顯示單元，通過(guò)導(dǎo)航顯示單元計(jì)算出當(dāng)前虛擬器械與實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)之間的距離以 及相對(duì)位置關(guān)系并進(jìn)行視頻顯示，從而引導(dǎo)手術(shù)精確完成。
本發(fā)明涉及上述系統(tǒng)的導(dǎo)航方法，包括以下步驟
第一步、圖像分割模塊中的心臟分割單元通過(guò)術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊獲得目標(biāo)區(qū) 域一個(gè)心動(dòng)周期的一系列CT圖像數(shù)據(jù)(DIC0M格式)后，對(duì)該心動(dòng)周期內(nèi)的心臟CT圖像基 于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出心臟輪廓，獲得分割結(jié)果，并根據(jù)分割結(jié)果重建得到動(dòng)態(tài)心臟 模型。
第二步、圖像分割模塊中的血管樹(shù)分割單元對(duì)術(shù)前影像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的血 管樹(shù)CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出血管樹(shù)輪廓并根據(jù)臨床需求手動(dòng)標(biāo)出手術(shù)目標(biāo) 點(diǎn)，獲得分割結(jié)果，從而根據(jù)分割結(jié)果重建獲得血管樹(shù)模型，構(gòu)建出一個(gè)包含動(dòng)態(tài)血管樹(shù)模 型的三維虛擬場(chǎng)景，該三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)成了一個(gè)虛擬內(nèi)窺鏡圖像。
第三步、體表初始配準(zhǔn)模塊利用體表配準(zhǔn)來(lái)獲得術(shù)前CT圖像坐標(biāo)系與手術(shù)對(duì)象 實(shí)時(shí)二維超聲圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，即兩個(gè)不同空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)特征互相 映射并實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到最終術(shù)前CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲圖像的對(duì)應(yīng)；具 體通過(guò)在術(shù)前CT圖像中選取若干個(gè)配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，在真實(shí)的空間找到與圖像中配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的點(diǎn)并利用光學(xué)導(dǎo)航儀得到這些點(diǎn)在真實(shí)空間的坐標(biāo)，利用這兩組不同坐標(biāo)系，但是 一一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集的位置坐標(biāo)，求得兩個(gè)空間之間的轉(zhuǎn)換矩陣T。
第四步、通過(guò)輸入心電圖信號(hào)將帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)的若干 個(gè)相位與當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位相匹配，即以上述轉(zhuǎn)換矩陣T作為初始轉(zhuǎn)化矩陣，設(shè)Ti (i=l,2，…N)為在轉(zhuǎn)換矩陣T的基礎(chǔ)上針對(duì)術(shù)前影像包中的每一個(gè)相位的CT圖像進(jìn)行校正后的轉(zhuǎn)換矩陣，即針對(duì)其中一個(gè)相位的CT圖像i，TiXT能進(jìn)一步的校正該相位CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲圖像之間的配準(zhǔn)誤差，其中N為一個(gè)心動(dòng)周期術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)中術(shù)前CT圖像的相位個(gè)數(shù)，從而得到一組對(duì)T進(jìn)行校正的轉(zhuǎn)換矩陣；具體步驟包括4.1)通過(guò)超聲探頭對(duì)心臟采集一系列手術(shù)對(duì)象的手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)圖像，其中每一幅采集到的手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)圖像都對(duì)應(yīng)某一個(gè)相應(yīng)的術(shù)前CT圖像、每一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像都對(duì)應(yīng)了一系列的二維超聲圖像，對(duì)于相位i的術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，提取出心臟內(nèi)壁的表面輪廓；4. 2)對(duì)相位i所對(duì)應(yīng)的每一幅二維超聲圖像提取出心臟內(nèi)壁的輪廓，從這一系列的二維超聲圖像中提取的內(nèi)壁組成了一組點(diǎn)集，從該點(diǎn)集中提取出特征點(diǎn)點(diǎn)集，從術(shù)前CT圖像中提取的心臟內(nèi)壁表面輪廓是另一組點(diǎn)集；4. 3)通過(guò)迭代最近點(diǎn)算法(ICP算法)將二維超聲圖像上的點(diǎn)集配準(zhǔn)到術(shù)前CT圖像上的點(diǎn)集，得到這兩個(gè)點(diǎn)集之間的轉(zhuǎn)換矩陣Ti，用于后續(xù)的精配準(zhǔn)處理的起始矩陣。第五步、通過(guò)體外光學(xué)定位將真實(shí)內(nèi)窺鏡圖像與虛擬內(nèi)窺鏡圖像進(jìn)行融合。所述的體外光學(xué)定位是指采用NDI光學(xué)定位儀進(jìn)行紅外線反射定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的三維定位。所述的融合是指通過(guò)將兩幅場(chǎng)景以不同的透明度相融合，便形成了一個(gè)增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使得虛擬內(nèi)窺鏡看到的包含心臟跳動(dòng)模型的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)內(nèi)窺鏡看到的真實(shí)場(chǎng)景一致；同時(shí)從步驟4. 3得到的一組轉(zhuǎn)換矩陣中根據(jù)當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位選擇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣Ti，從而建立圖像空間與真實(shí)空間之間的映射轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終將該映射轉(zhuǎn)換關(guān)系用于實(shí)時(shí)顯示出器械與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離和相對(duì)位置關(guān)系，從而引導(dǎo)手術(shù)準(zhǔn)確實(shí)施。
技術(shù)效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括1.率先在機(jī)器人輔助冠脈搭橋手術(shù)導(dǎo)航中引入術(shù)中超聲，通過(guò)術(shù)中二維超聲圖像與術(shù)前CT圖像的配準(zhǔn)來(lái)校正呼吸等因素造成的誤差；2.解決了臨床上一直以來(lái)依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)定位搭橋目標(biāo)點(diǎn)的不確定性問(wèn)題。


圖1為本發(fā)明模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實(shí)施例多幅三維心臟示意圖(含冠脈樹(shù)及心電圖對(duì)應(yīng)位置)。
圖3為光學(xué)導(dǎo)航儀及配準(zhǔn)模塊示意圖。
圖4為實(shí)施例流程介紹示意圖。
圖5為實(shí)施例融合示意圖中a為現(xiàn)實(shí)內(nèi)窺鏡圖像；b為虛擬內(nèi)窺鏡圖像；c為兩者重合圖像。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖1所示，本實(shí)施例包括包括術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊、圖像分割模塊、體表初 始配準(zhǔn)模塊、術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊和術(shù)中導(dǎo)航模塊，其中術(shù)前CT圖 像導(dǎo)入模塊接收術(shù)前影像學(xué)檢查獲得的DICOM格式圖像文件，生成術(shù)前影像包并分別輸出 至圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊，術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊分別與 圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊相連并接收帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)以及體 表初始配準(zhǔn)結(jié)果，術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊輸出術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣至術(shù)中 導(dǎo)航模塊，通過(guò)術(shù)中導(dǎo)航模塊輸出精確手術(shù)導(dǎo)航信息。
所述的術(shù)前影像包包括目標(biāo)區(qū)域內(nèi)一個(gè)或若干個(gè)心動(dòng)周期的若干幅DIOM格式 的術(shù)前CT圖像以及根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)重建得到的三維立體影像。
所述的帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)包括由圖像分割模塊生成的動(dòng)態(tài)心臟 模型和血管樹(shù)模型。
所述的術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊包括=DICOM圖像讀入單元和術(shù)前影像三維繪制單 元，其中=DICOM圖像讀入單元將術(shù)前影像學(xué)檢查獲得的心臟一個(gè)心動(dòng)周期的一系列DICOM 格式圖像文件導(dǎo)入解析出DICOM數(shù)據(jù)并傳輸至術(shù)前影像三維繪制單元，術(shù)前影像三維繪制 單元根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)重建成三維立體影像并合并為術(shù)前影像包并分別輸出至圖像分割模 塊和體表初始配準(zhǔn)模塊。
所述的圖像分割模塊包括心臟分割單元和血管樹(shù)分割單元，其中心臟分割單 元對(duì)術(shù)前影像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的心臟CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出心臟輪 廓，并根據(jù)獲得的心臟CT圖像分割結(jié)果重建得到動(dòng)態(tài)心臟模型；血管樹(shù)分割單元對(duì)術(shù)前影 像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的血管樹(shù)CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出血管樹(shù)輪廓并根據(jù) 臨床需求手動(dòng)標(biāo)出手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)，從而根據(jù)獲得的血管樹(shù)CT圖像分割結(jié)果重建獲得血管樹(shù) 模型并與動(dòng)態(tài)心臟模型一并作為如圖2所示的帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)輸出至 術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊。
所述的體表初始配準(zhǔn)模塊包括配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)選擇單元和轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算單元，其中 配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)選擇單元選擇設(shè)置于手術(shù)對(duì)象體表上的配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，并獲得其在CT圖像數(shù)據(jù) 在圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)以及空間坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算單元根據(jù)圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)以及空間坐標(biāo)， 利用剛體配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)坐標(biāo)之間的配準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)圖像空間與手術(shù)對(duì)象空間的配準(zhǔn)， 并利用這兩組坐標(biāo)計(jì)算出初始轉(zhuǎn)換矩陣作為體表初始配準(zhǔn)結(jié)果，輸出至術(shù)前CT圖像與術(shù) 中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊。
所述的配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)是指在術(shù)前獲取CT圖像數(shù)據(jù)時(shí)，在手術(shù)對(duì)象的體表上貼上 6-8個(gè)金屬標(biāo)記點(diǎn)，金屬標(biāo)記點(diǎn)均勻分布在手術(shù)對(duì)象的胸廓體表上，金屬標(biāo)記點(diǎn)會(huì)在術(shù)前 CT圖像數(shù)據(jù)中高亮顯示。
所述的空間坐標(biāo)具體通過(guò)在配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)選擇單元中設(shè)置NDI spectra光學(xué)導(dǎo)航儀 得以實(shí)現(xiàn)。
所述的術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊包括術(shù)中二維超聲圖像讀入 單元、二維超聲圖像與術(shù)前CT圖像配準(zhǔn)單元和ECG(electrocardiogram,心電圖)讀入單 元，其中二維超聲圖像與術(shù)前CT圖像配準(zhǔn)單元接收術(shù)中超聲圖像讀入單元采集的二維超 聲輸入圖像和心電圖讀入單元采集的當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位，通過(guò)輸入心電圖信號(hào)將帶有手術(shù) 目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)的若干個(gè)相位與當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位進(jìn)行匹配，計(jì)算出兩者之間的術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣并輸出至術(shù)中導(dǎo)航模塊，其中每一組術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)應(yīng)一種當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位與帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)相位。所述的術(shù)中導(dǎo)航模塊包括轉(zhuǎn)換矩陣選擇單元和導(dǎo)航顯示單元，其中轉(zhuǎn)換矩陣選擇單元根據(jù)當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位選擇術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣中對(duì)應(yīng)的一組轉(zhuǎn)換矩陣，并將所得的一組轉(zhuǎn)換矩陣輸出至導(dǎo)航顯示單元，通過(guò)導(dǎo)航顯示單元計(jì)算出當(dāng)前虛擬器械與實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)之間的距離以及相對(duì)位置關(guān)系并進(jìn)行視頻顯示，從而引導(dǎo)手術(shù)精確完成。導(dǎo)航方法，包括以下步驟第一步、圖像分割模塊中的心臟分割單元通過(guò)術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊獲得目標(biāo)區(qū)域一個(gè)心動(dòng)周期的一系列CT圖像數(shù)據(jù)(DIC0M格式)后，對(duì)該心動(dòng)周期內(nèi)的心臟CT圖像基 于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出心臟輪廓，獲得分割結(jié)果，并根據(jù)分割結(jié)果重建得到動(dòng)態(tài)心臟模型。第二步、圖像分割模塊中的血管樹(shù)分割單元對(duì)術(shù)前影像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的血管樹(shù)CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出血管樹(shù)輪廓并根據(jù)臨床需求手動(dòng)標(biāo)出手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)，獲得分割結(jié)果，并根據(jù)分割結(jié)果重建獲得血管樹(shù)模型，構(gòu)建出一個(gè)包含動(dòng)態(tài)血管樹(shù)模型的三維虛擬場(chǎng)景，該三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)成了一個(gè)虛擬內(nèi)窺鏡圖像。第三步、體表初始配準(zhǔn)模塊利用體表配準(zhǔn)來(lái)獲得術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)在圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)與真實(shí)手術(shù)對(duì)象的空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣，即兩個(gè)不同空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)特征互相映射并實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到最終術(shù)前CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲圖像的對(duì)應(yīng)；具體通過(guò)在術(shù)前CT圖像中選取若干個(gè)配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，在真實(shí)的空間找到與圖像中配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)并利用光學(xué)導(dǎo)航儀得到這些點(diǎn)在真實(shí)空間的坐標(biāo)，利用這兩組不同坐標(biāo)系，但是一一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集的位置坐標(biāo)，求得兩個(gè)空間之間的轉(zhuǎn)換矩陣。所述的體表配準(zhǔn)采用剛體配準(zhǔn)算法，即在二維空間中，點(diǎn)(Xl，Y1)經(jīng)過(guò)剛體變換到
X2_cos <9 土 sin OxX+KCl)入sin θ T cos θ_Λ_Λ_其中，Θ是旋轉(zhuǎn)角度，(tx，ty)T為平移量。所述的轉(zhuǎn)換矩陣T [X2] = T [X1]，其中=X1和X2分別對(duì)應(yīng)手術(shù)對(duì)象二維超聲圖像空間和術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)空間的某點(diǎn)坐標(biāo)。第四步、由于一個(gè)心動(dòng)周期術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)由若干個(gè)相位的術(shù)前圖像組成，因此通過(guò)輸入心電圖信號(hào)將帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)的若干個(gè)相位與當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位相匹配，具體步驟包括4.1)通過(guò)超聲探頭對(duì)心臟采集一系列手術(shù)對(duì)象的手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)圖像，其中每一幅采集到的手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)圖像都對(duì)應(yīng)某一個(gè)相應(yīng)的術(shù)前CT圖像、每一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像都對(duì)應(yīng)了一系列的二維超聲圖像，對(duì)于相位i的術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，提取出心臟內(nèi)壁的表面輪廓，即針對(duì)一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像i，TiXT能進(jìn)一步的校正該相位CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲圖像之間的配準(zhǔn)誤差，其中N為一個(gè)心動(dòng)周期術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)中術(shù)前CT圖像的相位個(gè)數(shù)，具體流程為通過(guò)一個(gè)標(biāo)定好的超聲探頭來(lái)獲取術(shù)中的二維超聲圖像，通過(guò)T將二維超聲圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，從而與術(shù)前CT圖像進(jìn)行融合。設(shè)Ti (1=1,2,…N)為在轉(zhuǎn)換矩陣T的基礎(chǔ)上針對(duì)術(shù)前影像包中的每一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像進(jìn)行校正后的轉(zhuǎn)換矩陣，即針對(duì)一個(gè)相位的、與一組轉(zhuǎn)換矩陣中的Ti相對(duì)應(yīng)的術(shù)前CT圖像i，TiXT能進(jìn)一步的校正該相位CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲圖像之間的配準(zhǔn)誤差。具體流程為通過(guò)標(biāo)定好的超聲探頭對(duì)心臟采集一系列的二維超聲圖像，由于心電圖信號(hào)，每一幅采集的二維超聲圖像都對(duì)應(yīng)某一個(gè)相應(yīng)的術(shù)前CT圖像。完成后，每一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像都對(duì)應(yīng)了一系列的二維超聲圖像。對(duì)于相位i的術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，提取出心臟內(nèi)壁的表面輪廓。然后該相位所對(duì)應(yīng)的每一幅二維超聲圖像提取出心臟內(nèi)壁的輪廓。從這一系列的二維超聲圖像中提取的內(nèi)壁組成了一組點(diǎn)集，從術(shù)前CT圖像中提取的心臟內(nèi)壁表面輪廓是另一組點(diǎn)集。通過(guò)迭代最近點(diǎn)(ICP)算法將二維超聲圖像上的點(diǎn)集配準(zhǔn)到術(shù)前CT圖像上的點(diǎn)集上得到了一個(gè)新的轉(zhuǎn)換矩陣Ti，而Ti XT在T的基礎(chǔ)上，精度有了進(jìn)一步的提高；
所述的標(biāo)定好的超聲探頭是指為了能將實(shí)時(shí)的二維超聲圖像融合進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)， 需要求得從二維超聲圖像坐標(biāo)系到導(dǎo)航儀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。設(shè)TMtdIi是從二維超聲圖像坐標(biāo)系到固定在超聲探頭上的追蹤設(shè)備(光學(xué)放光球或者電磁傳感器)的坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，TMui —td是從超聲探頭上的追蹤設(shè)備坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系(導(dǎo)航儀坐標(biāo)系)的轉(zhuǎn)換矩陣，二維超聲 圖像中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過(guò)下面的公式轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。X-M, I= TMut—rd X td^mSyXUr 0 1其中，(uk, uv)是這個(gè)點(diǎn)在二維超聲圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(sx, sy)是X軸和y軸的比例系數(shù)，(xw, yw, zw)是其在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。超聲探頭標(biāo)定就是要求得從二維超聲圖像坐標(biāo)系到固定在超聲探頭上的追蹤設(shè)備的坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣TMtd — ui ；
完成上述步驟后通過(guò)迭代最近點(diǎn)算法(ICP算法)將二維超聲圖像上的點(diǎn)集配準(zhǔn)到術(shù)前CT圖像上的點(diǎn)集，得到這兩個(gè)點(diǎn)集之間的轉(zhuǎn)換矩陣Ti，用于后續(xù)的精配準(zhǔn)處理的起始矩陣，具體步驟包括假設(shè)兩個(gè)待配準(zhǔn)的點(diǎn)集P和Q，尸=K ,Q = qt ,Pi和Qi分別是兩個(gè)點(diǎn)集中的點(diǎn)，i=l···!!，配準(zhǔn)問(wèn)題的關(guān)鍵就是求解最優(yōu)解使得五= |$一(Αχ + Γ)|最小時(shí)的R和i=lT ；
在完成了 ICP初配準(zhǔn)后，每一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像i都各自得到了一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣 TiXT0之后在導(dǎo)航階段，將會(huì)實(shí)時(shí)的連續(xù)進(jìn)行精配準(zhǔn)，每一次精配準(zhǔn)的初始轉(zhuǎn)換矩陣就是 TiXT0對(duì)于某一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像，目標(biāo)在于尋找一個(gè)使相似性測(cè)度最大的最優(yōu)的轉(zhuǎn)換矩陣，記為T' i，使其能最終滿足對(duì)由于呼吸等因素造成的誤差，從而滿足對(duì)目標(biāo)血管的定位要求，在此過(guò)程中采用的相似性測(cè)度為歸一化的互信息。
歸一化互信息定義為H{M) + H(R),.NMI(M,R) = —~-———(5)其中，M為二維超聲圖像所在區(qū)域在術(shù)前CT上采樣所得的圖像灰度點(diǎn)集，R為實(shí)時(shí)的二維超聲圖像灰度點(diǎn)集，H(M)為M的香農(nóng)熵，= —Ιο^Λ, ’iM代表M圖像像素點(diǎn)的灰iM度值， 代表M圖像中像素點(diǎn)灰度值為iM的概率；H(R)為R的香農(nóng)熵，=,
FlM1R
iK代表R圖像像素點(diǎn)的灰度值，馬^代表R圖像中像素點(diǎn)灰度值為iK的概率；H (M, R)為M
和R的聯(lián)合熵，ΜΜΑ = —⑷.代表M圖像中像素點(diǎn)灰度值為iM、
R圖像中像素點(diǎn)灰度值為iK的概率。對(duì)于待配準(zhǔn)的M圖像和R圖像，設(shè)Im(Xm)、Ie(Xe)分別為M、R的灰度函數(shù)，XM、Xe分別代表Μ、R圖像空間中的坐標(biāo)，則Xk=T' iXXM，即Ik(Xk)=Ik(T' iXXM)。整個(gè)配準(zhǔn)過(guò)程也就是尋找T' i，使得匪I (M，R)最大。由于TiXT是通過(guò)與術(shù)中二維超聲圖像的配準(zhǔn)得到，已經(jīng)具有了較小的誤差，是一個(gè)較好的初始尋優(yōu)位置，因此能快速的收斂到最優(yōu)解，從而得到一個(gè)最終精確的轉(zhuǎn)換矩陣。 第五步、通過(guò)體外光學(xué)定位將真實(shí)內(nèi)窺鏡與虛擬內(nèi)窺鏡圖像進(jìn)行融合。如圖5所示，所述的融合是指通過(guò)將兩幅場(chǎng)景以不同的透明度相融合，便形成了一個(gè)增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使得虛擬內(nèi)窺鏡看到的包含心臟跳動(dòng)模型的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)內(nèi)窺鏡看到的真實(shí)場(chǎng)景一致；同時(shí)從步驟4. 3得到的一組轉(zhuǎn)換矩陣中根據(jù)當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位選擇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣Ti，從而建立圖像空間與真實(shí)空間之間的映射轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終將該映射轉(zhuǎn)換關(guān)系用于實(shí)時(shí)顯示出器械與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離和相對(duì)位置關(guān)系，從而引導(dǎo)手術(shù)準(zhǔn)確實(shí)施。如圖3所示，所述的體外光學(xué)定位是指采用NDI光學(xué)定位儀進(jìn)行紅外線反射定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的三維定位。該NDI光學(xué)導(dǎo)航儀包括光源8及接收器9，配準(zhǔn)工具10。其中光源及接收器最遠(yuǎn)有效距離為3000mm，最大面積可達(dá)1470 X 1856mm2。配準(zhǔn)工具由反光球11部分及前端長(zhǎng)配準(zhǔn)針頭12部分組成?；颊咴谶M(jìn)行CT掃描前均勻貼附6-8個(gè)金屬標(biāo)記點(diǎn)，這樣金屬標(biāo)記點(diǎn)在術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)中高亮顯示?；颊咴谶M(jìn)行手術(shù)時(shí)以同樣體位趟在手術(shù)臺(tái)上，接生命檢測(cè)設(shè)備，在進(jìn)行全麻后，開(kāi)始利用在圖像中獲取金屬標(biāo)記點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，同時(shí)利用NDI光學(xué)導(dǎo)航儀獲取的金屬標(biāo)記點(diǎn)在真實(shí)研究對(duì)象空間的坐標(biāo)，利用剛體配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)這個(gè)坐標(biāo)系的配準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)圖像空間與手術(shù)對(duì)象空間的配準(zhǔn)。通過(guò)光學(xué)定位儀實(shí)時(shí)傳入的內(nèi)窺鏡與機(jī)械臂的位置信息，軟件能在計(jì)算機(jī)屏幕中實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂與模型的相對(duì)位置。為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)內(nèi)窺鏡與虛擬內(nèi)窺鏡的融合，需要求得從世界坐標(biāo)系到內(nèi)窺鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣以及從內(nèi)窺鏡坐標(biāo)系到內(nèi)窺鏡投影坐標(biāo)系的矩陣，即需要進(jìn)行內(nèi)窺鏡的標(biāo)定。在完成內(nèi)窺鏡標(biāo)定后，通過(guò)輸入的內(nèi)窺鏡位置朝向等信息，實(shí)現(xiàn)中虛擬內(nèi)窺鏡與真實(shí)內(nèi)窺鏡的狀態(tài)完全一致。從而使得虛擬內(nèi)窺鏡看到的包含心臟跳動(dòng)模型的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)內(nèi)窺鏡看到的真實(shí)場(chǎng)景一致，通過(guò)將兩幅場(chǎng)景以不同的透明度相融合，便形成了一個(gè)增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，有效引導(dǎo)手術(shù)準(zhǔn)確實(shí)施。上述的內(nèi)窺鏡標(biāo)定內(nèi)窺鏡圖像的獲取是一個(gè)3D場(chǎng)景在一個(gè)2D投影平面投影所得的結(jié)果。其中，X= [x y z 1]τ是3D場(chǎng)景中一個(gè)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)系，x、y、z分別表示點(diǎn)在X軸、y 軸、z軸上的坐標(biāo)，[u V 1]τ代表了該點(diǎn)在2D投影平面中的坐標(biāo)，U、V分別表示點(diǎn)在X軸、 y軸上的坐標(biāo)，λ是2D投影平面其次坐標(biāo)系的縮放因子。上式中包含了一個(gè)從世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到內(nèi)窺鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Mrart以及一個(gè)從內(nèi)窺鏡坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換內(nèi)窺鏡投影坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Mint。Mrart是一個(gè)4X4轉(zhuǎn)換矩陣，可以表示為r4I)0 0 0]其中，h......r9為旋轉(zhuǎn)因子，tx, ty, tz為平移向量。Mint可以表示為sf O O Mm = O / V0 O (8)0 0 10其中，f為鏡頭焦點(diǎn)到鏡面中心的距離，S為鏡頭視野的寬高比，(U(I，V(I)為鏡面中心在 2D投影坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。內(nèi)窺鏡的標(biāo)定即是要確定Mint和Mrait這兩個(gè)矩陣。
使用本定位技術(shù)可以較為快速、精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)冠狀動(dòng)脈的定位，平均精確度達(dá)3_左右，大大減少了機(jī)器人輔助冠狀動(dòng)脈搭橋中尋找病變冠脈的時(shí)間，使手術(shù)更加安全、高效。
為了避免術(shù)前CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲配準(zhǔn)過(guò)程中由于呼吸、心跳等因素造成的誤差，將術(shù)中超聲引入機(jī)器人冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)導(dǎo)航，這是本發(fā)明的突出之處。
其所能獲得的有益效果1.實(shí)現(xiàn)了基于術(shù)中超聲與術(shù)前CT配準(zhǔn)結(jié)果的光學(xué)導(dǎo)航定位方法；2.解決了臨床上一直以來(lái)依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)定位搭橋目標(biāo)點(diǎn)問(wèn)題，使得手術(shù)操作更加安全、高效。
權(quán)利要求
1.一種基于CT配準(zhǔn)結(jié)果的光學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其特征在于，包括術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊、圖像分割模塊、體表初始配準(zhǔn)模塊、術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊和術(shù)中導(dǎo)航模塊，其中術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊接收術(shù)前影像學(xué)檢查獲得的DICOM格式圖像文件，生成術(shù)前影像包并分別輸出至圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊，術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊分別與圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊相連并接收帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)以及體表初始配準(zhǔn)結(jié)果，術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲配準(zhǔn)模塊輸出術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣至術(shù)中導(dǎo)航模塊，通過(guò)術(shù)中導(dǎo)航模塊輸出精確手術(shù)導(dǎo)航信息； 所述的術(shù)前影像包包括目標(biāo)區(qū)域內(nèi)一個(gè)或若干個(gè)心動(dòng)周期的若干幅DIOM格式的術(shù)前CT圖像以及根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)重建得到的三維立體影像，其中一個(gè)心動(dòng)周期的術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)由若干個(gè)相位的術(shù)前圖像組成； 所述的帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)包括由圖像分割模塊生成的動(dòng)態(tài)心臟模型和血管樹(shù)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊包括=DICOM圖像讀入單元和術(shù)前影像三維繪制單元，其中DIC0M圖像讀入單元將術(shù)前影像學(xué)檢查獲得的心臟一個(gè)心動(dòng)周期的一系列DICOM格式圖像文件導(dǎo)入解析出DICOM數(shù)據(jù)并傳輸至術(shù)前影像三維繪制單元，術(shù)前影像三維繪制單元根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)重建成三維立體影像并合并為術(shù)前影像包并分別輸出至圖像分割模塊和體表初始配準(zhǔn)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的圖像分割模塊包括心臟分割單元和血管樹(shù)分割單元，其中心臟分割單元對(duì)術(shù)前影像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的心臟術(shù)前CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀進(jìn)行手動(dòng)分割，并根據(jù)獲得的心臟術(shù)前CT圖像分割結(jié)果重建得到動(dòng)態(tài)心臟模型；血管樹(shù)分割單元對(duì)術(shù)前影像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的血管樹(shù)術(shù)前CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀進(jìn)行手動(dòng)分割，并根據(jù)獲得的血管樹(shù)術(shù)前CT圖像分割結(jié)果重建獲得血管樹(shù)模型并與動(dòng)態(tài)心臟模型一并作為帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)輸出至術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的體表初始配準(zhǔn)模塊包括配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)選擇單元和轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算單元，其中配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)選擇單元選擇設(shè)置于手術(shù)對(duì)象體表上的配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，并獲得其在術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)在圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)以及空間坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算單元根據(jù)圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)以及空間坐標(biāo)，利用剛體配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)坐標(biāo)之間的配準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)圖像空間與手術(shù)對(duì)象空間的配準(zhǔn)，并利用這兩組坐標(biāo)計(jì)算出初始轉(zhuǎn)換矩陣作為體表初始配準(zhǔn)結(jié)果，輸出至術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像配準(zhǔn)模塊包括術(shù)中二維超聲圖像讀入單元、二維超聲圖像與術(shù)前CT圖像配準(zhǔn)單元和心電圖讀入單元，其中二維超聲圖像與術(shù)前CT圖像配準(zhǔn)單元接收術(shù)中超聲圖像讀入單元采集的二維超聲輸入圖像和心電圖讀入單元采集的當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位，通過(guò)輸入心電圖信號(hào)將帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)的若干個(gè)相位與當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位進(jìn)行匹配，計(jì)算出兩者之間的術(shù)前CT圖像轉(zhuǎn)換矩陣并輸出至術(shù)中導(dǎo)航模塊，其中每一組術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)應(yīng)一種當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位與帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的術(shù)中導(dǎo)航模塊包括轉(zhuǎn)換矩陣選擇單元和導(dǎo)航顯示單元，其中轉(zhuǎn)換矩陣選擇單元根據(jù)當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位選擇術(shù)前CT轉(zhuǎn)換矩陣中對(duì)應(yīng)的一組轉(zhuǎn)換矩陣，并將所得的一組轉(zhuǎn)換矩陣輸出至導(dǎo)航顯示單元，通過(guò)導(dǎo)航顯示單元計(jì)算出當(dāng)前虛擬器械與實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)之間的距離以及相對(duì)位置關(guān)系并進(jìn)行視頻顯示，從而引導(dǎo)手術(shù)精確完成。
7.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述系統(tǒng)的導(dǎo)航方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步、圖像分割模塊中的心臟分割單元通過(guò)術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊獲得目標(biāo)區(qū)域一個(gè)心動(dòng)周期的一系列DICOM格式的術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)后，對(duì)該心動(dòng)周期內(nèi)的心臟術(shù)前CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出心臟輪廓，獲得分割結(jié)果，并根據(jù)分割結(jié)果重建得到動(dòng)態(tài)心臟模型； 第二步、圖像分割模塊中的血管樹(shù)分割單元對(duì)術(shù)前影像包中一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的血管樹(shù)術(shù)前CT圖像基于臨床經(jīng)驗(yàn)逐幀手動(dòng)勾勒出血管樹(shù)輪廓并根據(jù)臨床需求手動(dòng)標(biāo)出手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)，獲得分割結(jié)果，并根據(jù)分割結(jié)果重建獲得血管樹(shù)模型，構(gòu)建出一個(gè)包含動(dòng)態(tài)血管樹(shù)模型的三維虛擬場(chǎng)景，該三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)成了一個(gè)虛擬內(nèi)窺鏡圖像； 第三步、體表初始配準(zhǔn)模塊利用體表配準(zhǔn)來(lái)獲得術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)在圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)與真實(shí)手術(shù)對(duì)象的空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣，即兩個(gè)不同空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)特征互相映射并實(shí)現(xiàn)--對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到最終術(shù)前CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲圖像的對(duì)應(yīng)； 第四步、通過(guò)輸入心電圖信號(hào)將帶有手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)冠脈樹(shù)中對(duì)應(yīng)的若干個(gè)相位與當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位相匹配； 第五步、通過(guò)體外光學(xué)定位將真實(shí)內(nèi)窺鏡與虛擬內(nèi)窺鏡圖像進(jìn)行融合，即通過(guò)將兩幅場(chǎng)景以不同的透明度相融合，便形成了一個(gè)增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使得虛擬內(nèi)窺鏡看到的包含心臟跳動(dòng)模型的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)內(nèi)窺鏡看到的真實(shí)場(chǎng)景一致；同時(shí)從步驟4. 3得到的一組轉(zhuǎn)換矩陣中根據(jù)當(dāng)前心臟跳動(dòng)相位選擇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣Ti，從而建立圖像空間與真實(shí)空間之間的映射轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終將該映射轉(zhuǎn)換關(guān)系用于實(shí)時(shí)顯示出器械與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離和相對(duì)位置關(guān)系，從而引導(dǎo)手術(shù)準(zhǔn)確實(shí)施。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是，所述的第三步具體通過(guò)在術(shù)前CT圖像中選取若干個(gè)配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，在真實(shí)的空間找到與圖像中配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)并利用光學(xué)導(dǎo)航儀得到這些點(diǎn)在真實(shí)空間的坐標(biāo)，利用這兩組不同坐標(biāo)系，但是一一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集的位置坐標(biāo)，求得兩個(gè)空間之間的轉(zhuǎn)換矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是，所述的第四步具體是指以轉(zhuǎn)換矩陣T作為初始轉(zhuǎn)化矩陣，設(shè)Ti為在轉(zhuǎn)換矩陣T的基礎(chǔ)上針對(duì)每一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像進(jìn)行校正后得到的轉(zhuǎn)換矩陣，即針對(duì)一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像i，TiXT能進(jìn)一步的校正該相位CT圖像與手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)二維超聲圖像之間的配準(zhǔn)誤差，其中N為一個(gè)心動(dòng)周期的術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)中術(shù)前圖像的相位個(gè)數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是，所述的第四步包括 .4.1)通過(guò)超聲探頭對(duì)心臟采集一系列手術(shù)對(duì)象的手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)圖像,其中每一幅采集到的手術(shù)對(duì)象實(shí)時(shí)圖像都對(duì)應(yīng)某一個(gè)相應(yīng)的術(shù)前CT圖像、每一個(gè)相位的術(shù)前CT圖像都對(duì)應(yīng)了一系列的二維超聲圖像，對(duì)于相位i的術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，提取出心臟內(nèi)壁的表面輪廓； .4. 2)對(duì)相位i所對(duì)應(yīng)的每一幅二維超聲圖像提取出心臟內(nèi)壁的輪廓，從這一系列的二維超聲圖像中提取的內(nèi)壁組成了一組點(diǎn)集，從該點(diǎn)集中提取出特征點(diǎn)點(diǎn)集，從術(shù)前CT圖像中提取的心臟內(nèi)壁表面輪廓是另一組點(diǎn)集； ，4.3)通過(guò)迭代最近點(diǎn)算法將二維超聲圖像上的點(diǎn)集配準(zhǔn)到術(shù)前CT圖像上的點(diǎn)集，得到這兩個(gè)點(diǎn)集之間的轉(zhuǎn)換矩陣Ti，用于后續(xù)的精配準(zhǔn)處理的起始矩陣。
全文摘要
一種信息處理技術(shù)領(lǐng)域的基于CT配準(zhǔn)結(jié)果的光學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及其導(dǎo)航方法，該系統(tǒng)包括術(shù)前CT圖像導(dǎo)入模塊、圖像分割模塊、體表初始配準(zhǔn)模塊、術(shù)前CT圖像與術(shù)中二維超聲圖像模塊和術(shù)中導(dǎo)航模塊；本發(fā)明采用虛擬現(xiàn)實(shí)和術(shù)中超聲相結(jié)合的方式，補(bǔ)償由于呼吸等因素造成的術(shù)中定位誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冠脈搭橋術(shù)的目標(biāo)點(diǎn)的精確定位導(dǎo)航。通過(guò)對(duì)術(shù)前心臟CT圖像數(shù)據(jù)中的心臟和冠脈血管樹(shù)進(jìn)行手動(dòng)分割重建，然后在光學(xué)導(dǎo)航儀和基于CT與超聲的術(shù)中配準(zhǔn)誤差校正的幫助下搭建一個(gè)將內(nèi)窺鏡和虛擬內(nèi)窺鏡相融合的增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)冠脈搭橋術(shù)的目標(biāo)點(diǎn)的精確定位導(dǎo)航。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102999902SQ201210454220
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者蔡俊鋒, 羅哲, 王肅, 趙強(qiáng), 顧立栩 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院