本發(fā)明涉及手術(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其是指一種應(yīng)用于無標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的全自動(dòng)病人注冊(cè)方法。
背景技術(shù)：
：手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是外科手術(shù)治療精準(zhǔn)化和微創(chuàng)化的重要發(fā)展方向。在手術(shù)精度、手術(shù)消耗時(shí)間、手術(shù)創(chuàng)傷、術(shù)后療效等方面相對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)外科手術(shù)療法有長足的改進(jìn)。在術(shù)中導(dǎo)航中，須將定位儀跟蹤到的手術(shù)器械實(shí)時(shí)顯示于術(shù)前重建的三維解剖結(jié)構(gòu)上，首先需要將患者與圖像空間重建的三維解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行注冊(cè)，該過程病人注冊(cè)。這個(gè)過程的結(jié)果是通過計(jì)算得到定位系統(tǒng)坐標(biāo)系與術(shù)前三維醫(yī)學(xué)圖像坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，將病人術(shù)中實(shí)際體位和術(shù)前三維解剖結(jié)構(gòu)精確配準(zhǔn)，使得醫(yī)生在顯示設(shè)備上看到的三維模型才是真實(shí)反映手術(shù)器械與病灶之間的距離位置。病人注冊(cè)方法優(yōu)劣直接影響手術(shù)導(dǎo)航精度和導(dǎo)航實(shí)時(shí)性。目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中病人注冊(cè)方法多采用標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)方法，包括:骨植入螺釘標(biāo)記點(diǎn)、解剖標(biāo)志點(diǎn)以及粘貼于皮膚表面的標(biāo)記點(diǎn)。骨植入標(biāo)記點(diǎn)精度最高，但是需要術(shù)前植入器械，對(duì)患者造成額外的創(chuàng)傷和疼痛。解剖標(biāo)志點(diǎn)利用人體比較顯著的解剖特征作為標(biāo)記點(diǎn)，需要醫(yī)生術(shù)前在圖像空間提取解剖標(biāo)記點(diǎn)，存在一定人為操作誤差，另外存在實(shí)際空間解剖標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別難及不能識(shí)別的問題。粘貼于皮膚表面的標(biāo)記點(diǎn)精度較高且操作簡單，是最常用的一種方法，但是在使用過程中存在標(biāo)記點(diǎn)光線易被遮擋，標(biāo)記點(diǎn)掉落，且某些手術(shù)部位不方便粘貼標(biāo)記點(diǎn)，手工提取精度低的問題。因此，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于無標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的全自動(dòng)病人注冊(cè)方法，有效解決標(biāo)記點(diǎn)光線易被遮擋，標(biāo)記點(diǎn)掉落，且某些手術(shù)部位不方便粘貼標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)手工提取的問題，同時(shí)需要滿足注冊(cè)時(shí)間短，可用于實(shí)時(shí)注冊(cè)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種應(yīng)用于無標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的全自動(dòng)病人注冊(cè)方法，該方法對(duì)病人術(shù)前三維醫(yī)學(xué)表面輪廓和術(shù)中實(shí)時(shí)三維掃描點(diǎn)云注冊(cè)，得到圖像空間與實(shí)際空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在手術(shù)導(dǎo)航中無需再病人黏貼標(biāo)記點(diǎn)，解決標(biāo)記點(diǎn)遮擋、掉落、手工提取，不方便粘貼標(biāo)記點(diǎn)的問題，可用于術(shù)中實(shí)時(shí)注冊(cè)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：應(yīng)用于無標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的全自動(dòng)病人注冊(cè)方法，包括以下步驟：1)輸入病人術(shù)前三維醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，剪切得到手術(shù)導(dǎo)航能夠照射的一側(cè)的單側(cè)表面輪廓，輸出單側(cè)表面輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)P；輸入術(shù)中三維掃描儀實(shí)時(shí)獲取的病人表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)Q；分別對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)P和Q體素下采樣，得到稀疏的點(diǎn)云數(shù)據(jù)P′和Q′；2)分別求取點(diǎn)云數(shù)據(jù)P′和Q′重心坐標(biāo)，分別將點(diǎn)云P′和Q′重心移動(dòng)到坐標(biāo)系原點(diǎn)；3)分別估計(jì)點(diǎn)云P′和Q′各點(diǎn)法線，計(jì)算點(diǎn)云P′所有法線之和NP和點(diǎn)云Q′所有法線之和NQ，分別旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云P′和Q′使得NP和NQ方向與Z軸重合，得到點(diǎn)云P″和Q″；4)點(diǎn)云P″繞Z軸旋轉(zhuǎn)k次，旋轉(zhuǎn)角度為得到點(diǎn)云qi為點(diǎn)云中點(diǎn)，N為點(diǎn)云點(diǎn)總數(shù)；通過下式為目標(biāo)函數(shù)計(jì)算最小，得到配準(zhǔn)誤差最小的旋轉(zhuǎn)角度，用所述誤差最小的旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云為點(diǎn)云P″′；error=Σi=1Nmin(||pi-Rθkqj||2)]]>其中，點(diǎn)云qj為點(diǎn)云Q″＝{qj|j＝1,2,……,M}中點(diǎn)，M為點(diǎn)云Q″點(diǎn)總數(shù)；5)使用精配準(zhǔn)算法調(diào)整點(diǎn)云P″′和Q″旋轉(zhuǎn)平移矩陣；6)通過步驟2)～5)中變換關(guān)系計(jì)算得到點(diǎn)云P′與點(diǎn)云Q′剛性變換關(guān)系，完成病人注冊(cè)。在步驟1)中，體素下采樣的方法是：每個(gè)體素網(wǎng)格用離體素網(wǎng)格中心最近點(diǎn)代替體素網(wǎng)格中所有點(diǎn)，體素網(wǎng)格大小根據(jù)注冊(cè)時(shí)間長短需求調(diào)整。在步驟3)中，點(diǎn)云法線估計(jì)采用對(duì)k鄰域點(diǎn)計(jì)算最小二乘法平面擬合估計(jì)求取法線，所述鄰域點(diǎn)采用未下采樣的點(diǎn)云P和Q。在步驟3)中，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云P′和Q′使得NP和NQ方向與Z軸重合的方法，具體包括：3.1)向量NP＝(xPypzp)T繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度θΖ得到向量NP′，使得向量NP′到達(dá)XOZ平面，旋轉(zhuǎn)矩陣為RPθ_Z；3.2)向量NP′繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度θY得到向量NP″，使得向量NP″到達(dá)Z軸，旋轉(zhuǎn)矩陣為RPθ_Y；3.3)計(jì)算點(diǎn)云P′旋轉(zhuǎn)使得法線之和NP與Z軸重合的旋轉(zhuǎn)矩陣RPto_Z：RPto_Z=RPθ_Y·RPθ_Z=cosθY1sinθY111-sinθY1cosθYcosθZ-sinθZ1sinθZcosθZ1111.]]>本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：本發(fā)明提供的應(yīng)用于無標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的全自動(dòng)病人注冊(cè)方法，實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)快速病人注冊(cè)，在手術(shù)導(dǎo)航中無需在病人黏貼標(biāo)記點(diǎn)，解決標(biāo)記點(diǎn)遮擋、掉落、手工提取，不方便粘貼標(biāo)記點(diǎn)的問題，亦無需手動(dòng)提取解剖標(biāo)記點(diǎn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)病人注冊(cè)。附圖說明圖1是本發(fā)明所述全自動(dòng)病人注冊(cè)方法的流程示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本實(shí)施例所述的應(yīng)用于無標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的全自動(dòng)病人注冊(cè)方法，包括以下步驟：步驟S101：輸入病人術(shù)前三維醫(yī)學(xué)圖像，本實(shí)施例中采用CT圖像數(shù)據(jù)，剪切得到手術(shù)導(dǎo)航可以照射的一側(cè)的單側(cè)表面輪廓，輸出單側(cè)表面輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)P。在術(shù)中無標(biāo)記點(diǎn)手術(shù)導(dǎo)航位置固定，只能從一個(gè)方向照射病人，從而得到病人一側(cè)的表面信息，因此術(shù)前三維醫(yī)學(xué)圖像也采用一側(cè)點(diǎn)云信息。步驟S102：術(shù)中通過無標(biāo)記點(diǎn)手術(shù)導(dǎo)航中三維掃描設(shè)備連續(xù)掃描病人，實(shí)時(shí)輸出病人表面點(diǎn)云信息，連續(xù)得到病人位置改變和表面形狀，用于術(shù)中實(shí)時(shí)跟蹤病人位置。步驟S103：對(duì)分別對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)P和Q體素下采樣，得到稀疏的點(diǎn)云數(shù)據(jù)P′和Q′，所述體素下采樣方法每個(gè)體素網(wǎng)格用離體素網(wǎng)格中心最近點(diǎn)代替體素網(wǎng)格中所有點(diǎn)。體素網(wǎng)格大小根據(jù)注冊(cè)時(shí)間長短需求調(diào)整，體素網(wǎng)格越大下采樣后點(diǎn)數(shù)量越少，后續(xù)處理速度更快，注冊(cè)時(shí)間越短。步驟S104：分別求取點(diǎn)云數(shù)據(jù)P′和Q′重心坐標(biāo)，平移點(diǎn)云P′和Q′使得重心位于坐標(biāo)系原點(diǎn)。步驟S105：分別估計(jì)點(diǎn)云P′和Q′各點(diǎn)法線，計(jì)算得到點(diǎn)云P′所有法線之和NP和點(diǎn)云Q′所有法線之和NQ，并對(duì)NP和NQ進(jìn)行歸一化。對(duì)所述點(diǎn)云法線估計(jì)采用對(duì)k鄰域點(diǎn)計(jì)算最小二乘法平面擬合估計(jì)求取法線，所述鄰域點(diǎn)采用未下采樣的點(diǎn)云P和Q。步驟S106：分別旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云P′和Q′使得NP和NQ方向與Z軸重合，得到點(diǎn)云P″和Q″，具體如下：①向量NP＝(xPypzp)T繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度θΖ得到向量NP′，使得向量NP′到達(dá)XOZ平面，旋轉(zhuǎn)矩陣為RPθ_Z；②向量NP′繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度θY得到向量NP″，使得向量NP″到達(dá)Z軸，旋轉(zhuǎn)矩陣為RPθ_Y；③計(jì)算點(diǎn)云P′旋轉(zhuǎn)使得法線之和NP與Z軸重合的旋轉(zhuǎn)矩陣RPto_Z：RPto_Z=RPθ_Y·RPθ_Z=cosθY1sinθY111-sinθY1cosθYcosθZ-sinθZ1sinθZcosθZ1111]]>步驟S107：點(diǎn)云P″繞Z軸旋轉(zhuǎn)k次，旋轉(zhuǎn)角度為得到點(diǎn)云qi為點(diǎn)云中點(diǎn)，N為點(diǎn)云點(diǎn)總數(shù)；通過下式為目標(biāo)函數(shù)計(jì)算最小，得到配準(zhǔn)誤差最小的旋轉(zhuǎn)角度，用所述誤差最小的旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云為點(diǎn)云P″′；error=Σi=1Nmin(||pi-Rθkqj||2)]]>其中，點(diǎn)云qj為點(diǎn)云Q″＝{qj|j＝1,2,……,M}中點(diǎn)，M為點(diǎn)云Q″點(diǎn)總數(shù)。步驟S108：使用精配準(zhǔn)算法調(diào)整點(diǎn)云P″′和Q″旋轉(zhuǎn)平移矩陣，在本實(shí)施例中采用最近點(diǎn)迭代(ICP)算法。通過上述步驟得到的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，計(jì)算得到點(diǎn)云P′與點(diǎn)云Q′剛性變換關(guān)系，即CT圖像空間坐標(biāo)系與無標(biāo)記點(diǎn)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，由此完成病人注冊(cè)。以上所述實(shí)施例只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3