專利名稱：一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模及標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種標(biāo)定模及標(biāo)定方法，特別是關(guān)于一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模及標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：
在某些傳統(tǒng)的手術(shù)中，病灶不能直接用肉眼觀察，例如不開(kāi)刀的微創(chuàng)手術(shù)或者無(wú)創(chuàng)手術(shù)，或者不方便用肉眼觀察，例如腦部神經(jīng)外科手術(shù)，醫(yī)生只能憑借肉眼觀察病灶的圖像，憑經(jīng)驗(yàn)將手術(shù)器械放置到目標(biāo)位置，這種方式造成的手術(shù)器件和病灶部位定位之間的誤差，會(huì)拖延手術(shù)的時(shí)間，影響手術(shù)的質(zhì)量，特別是這種誤差有時(shí)會(huì)給患者帶來(lái)不必要的痛苦和損傷。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，包括磁共振成像設(shè)備、計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備(CT)、C型臂、X線設(shè)備、超聲波成像系統(tǒng)等，所成圖像的引導(dǎo)下，利用跟蹤系統(tǒng)測(cè)量手術(shù)器械的位置，從而可以把病灶的圖像和虛擬手術(shù)器械融合并顯示在屏幕上，幫助醫(yī)生精確定位病灶和手術(shù)器械的位置，并觀察病灶周圍的器官和組織，幫助醫(yī)生避開(kāi)重要的器官和組織，將手術(shù)器械安全地放置到預(yù)定地點(diǎn)，以便完成治療。手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)入外科并用計(jì)算機(jī)改進(jìn)或完善了外科醫(yī)師的能力以進(jìn)行各項(xiàng)操作，在一定程度上降低了外科治療所造成的損傷，縮短了手術(shù)時(shí)間。最新的導(dǎo)航技術(shù)是將病灶圖片和虛擬的手術(shù)器械放到同一個(gè)坐標(biāo)系下觀測(cè)，即顯示在同一個(gè)工作屏幕上(如液晶屏幕、投影屏幕或者其它形式的顯示器材)，并且屏幕上兩者的相對(duì)位置和實(shí)際的病灶與手術(shù)器械的相對(duì)位置相同，從而醫(yī)生可以通過(guò)觀察屏幕既能看到病灶，也能看到手術(shù)器械，進(jìn)而準(zhǔn)確而快速地將手術(shù)器械放置到目標(biāo)位置。圖像導(dǎo)航手術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于建立固定成像設(shè)備坐標(biāo)系與手術(shù)器械坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)這一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，需要借助一個(gè)標(biāo)定裝置，建立轉(zhuǎn)換關(guān)系的過(guò)程被稱為導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模及標(biāo)定方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于它包括標(biāo)定模本體，在所述本體內(nèi)設(shè)置有至少三個(gè)不共線能夠被成像設(shè)備識(shí)別組成標(biāo)志特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)，在所述本體的外表面設(shè)置有至少三個(gè)不共線能夠被跟蹤系統(tǒng)跟蹤組成示蹤特征點(diǎn)集II的特征點(diǎn)，特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II的位置關(guān)系已知。
所述特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)為三個(gè)，其分別位于所述本體的同一平面內(nèi)。
所述特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)為四個(gè)，其不對(duì)稱地位于所述本體的兩個(gè)側(cè)面內(nèi)，兩兩對(duì)角、且兩側(cè)相互交錯(cuò)。
所述特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)為設(shè)置在所述本體內(nèi)安裝孔中的特征標(biāo)記物，所述標(biāo)記物內(nèi)設(shè)置有可被成像設(shè)備識(shí)別的物質(zhì)，所述標(biāo)記物呈中心對(duì)稱的立體形狀；所述特征點(diǎn)集II的特征點(diǎn)為在所述本體一側(cè)外表面不對(duì)稱設(shè)置的三個(gè)或四個(gè)示蹤物。
一種用標(biāo)定模進(jìn)行圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其在固定成像設(shè)備、跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立一個(gè)世界坐標(biāo)系，并用標(biāo)定模進(jìn)行以下標(biāo)定步驟(1)根據(jù)標(biāo)定模上特征點(diǎn)集II構(gòu)成的參考坐標(biāo)系在測(cè)量設(shè)備內(nèi)的矩陣關(guān)系Crefcoord以及標(biāo)定模上特征點(diǎn)集I在所述測(cè)量設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)Ti，Icoord，得到所述特征點(diǎn)集I內(nèi)的每個(gè)特征點(diǎn)在所述參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Tiref，即所述特征點(diǎn)集I與所述特征點(diǎn)集II間的幾何關(guān)系T1ref、T2ref、…、Tnref；(2)將所述標(biāo)定模放入成像設(shè)備成像區(qū)域；(3)設(shè)置所述成像設(shè)備的斷層掃描圖像的位置、掃描方向、掃描的層厚度和掃描層數(shù)；(4)對(duì)標(biāo)定模進(jìn)行掃描，獲取圖像并校正，所述每幅圖像為包含了所述特征點(diǎn)集I中所有標(biāo)志物的斷層圖像；(5)根據(jù)所述特征點(diǎn)集I中各特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)志物在步驟(4)所獲得各圖像上位置關(guān)系，得到所述各特征點(diǎn)在成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)T1scan、T2scan、…、Tnscan；(6)通過(guò)所述跟蹤系統(tǒng)獲得所述參考坐標(biāo)系矩陣Creftrack和所述世界坐標(biāo)系在所述跟蹤系統(tǒng)下的矩陣Cworldtrack；(7)將Creftrack、Cworldtrack，T1ref、T2ref、…、Tnref，T1scan、T2scan、…、Tnscan代入公式中，得到如下方程組 解線性方程組，求得Cscanworld。
所述斷層掃描序列參數(shù)設(shè)定遵循如下原則圖像掃描中心和層厚的設(shè)定保證能夠?qū)⑺鰳?biāo)定模內(nèi)所有標(biāo)志物體包含在一幅掃描圖像中；至少掃描2次，且任意兩次掃描方向互不平行。
由所述特征點(diǎn)集II構(gòu)成所述參考坐標(biāo)系從所述特征點(diǎn)集II中表示特征點(diǎn)的各示蹤物中任意選擇三個(gè)不共線的示蹤物，從中任取一個(gè)所述示蹤物并以其中心作為原點(diǎn)，以所述原點(diǎn)指向另外一個(gè)所述示蹤物的射線為X軸，以垂直X軸并指向第三個(gè)所述示蹤物的射線為Y軸，以垂直所述特征點(diǎn)集II所在平面并指向紙外的方向?yàn)閆軸方向。
所述參考坐標(biāo)系的X、Y、Z軸采用測(cè)量設(shè)備坐標(biāo)系的歸一化向量Vx、Vy、Vz表示 Vy＝Vz×Vx 其中，norm表示向量的歸一化，Ti，IIcoord表示所述特征點(diǎn)集II中第i個(gè)特征點(diǎn)在所述測(cè)量設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)；所述參考坐標(biāo)系在所述測(cè)量設(shè)備內(nèi)的矩陣為 求得 所述標(biāo)定模的一個(gè)標(biāo)志物體在所述成像設(shè)備空間內(nèi)平面A上所成圖像為I(x，y)，則所述標(biāo)志物體在所述平面A的投影a的幾何中心Oa(xc，yc)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)由如下公式表示 I(x，y)＞threshold I(x，y)＞threshold I(x，y)＞threshold 所述圖像I(x，y)的每個(gè)象素之間的距離在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下表示為p，則所述圖像坐標(biāo)系在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下的表示為所述Oa在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為通過(guò)所述標(biāo)志物的幾何中心和所述標(biāo)志物的投影中心的直線方程可以表示為 Tiscan為所述直線上一點(diǎn)，則設(shè)置互不平行的掃描平面m個(gè)，且m≥2，任意一個(gè)所述標(biāo)志物都獲得m條通過(guò)所述標(biāo)志物體幾何中心的直線方程，所述m個(gè)直線方程構(gòu)成的線性方程組的解即為所述標(biāo)志物在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)，其中，Vo表示所述圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)，threshold為所述圖像進(jìn)行二值化的閾值，V為所述直線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)；采用上述方法，求得所述特征點(diǎn)集I中所有特征點(diǎn)在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)Tiscan。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于在標(biāo)定模本體內(nèi)設(shè)置了能夠被成像設(shè)備成像并分析得到的特征點(diǎn)集I，在標(biāo)定模本體表面設(shè)置了能夠通過(guò)示蹤器系統(tǒng)識(shí)別測(cè)量得到特征點(diǎn)集II，同時(shí)由于特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II之間的關(guān)系確定，因此只要知道其中一個(gè)特征點(diǎn)集中特征點(diǎn)的坐標(biāo)，就能推算出另一特征點(diǎn)集中特征點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)它們之間的關(guān)系便可以建立成像設(shè)備坐標(biāo)系和跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明進(jìn)行標(biāo)定和坐標(biāo)系變換的目的。2、本發(fā)明同時(shí)還提供了一種采用上述標(biāo)定模的圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，可以使醫(yī)生能夠精確確定病灶和手術(shù)器械的位置，有效地提高了手術(shù)效果。3、由于本發(fā)明中的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備利用計(jì)算機(jī)改進(jìn)或完善外科醫(yī)師的能力，所以有助于醫(yī)生實(shí)時(shí)監(jiān)控定位和定向、制定治療計(jì)劃以及提供最佳進(jìn)入路徑等各項(xiàng)操作，同時(shí)可以在手術(shù)中避開(kāi)重要的器官和組織。4、由于本發(fā)明中的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位，使得在一定程度上降低了外科治療所造成的損傷，縮短了手術(shù)時(shí)間。4、由于本發(fā)明通過(guò)增大掃描層厚使一幅圖像包含了全部標(biāo)志物體，因此可以減少掃描次數(shù)，同時(shí)也避免了定位標(biāo)志物體的麻煩。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)系統(tǒng)。



圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是與圖1相對(duì)一面的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明設(shè)置有平板一側(cè)的正視示意圖 圖4是本發(fā)明本體結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是本發(fā)明平板結(jié)構(gòu)示意圖 圖6～8本發(fā)明特征點(diǎn)集I分布示意圖 圖9～11本發(fā)明特征點(diǎn)集I另一種分布示意圖 圖12是本發(fā)明特征點(diǎn)集II分布示意圖 圖13是本發(fā)明中圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的各坐標(biāo)系 圖14是本發(fā)明中標(biāo)定模參考坐標(biāo)系示意圖
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
本發(fā)明圖像導(dǎo)航系統(tǒng)涉及到的硬件設(shè)備包括固定成像設(shè)備1、跟蹤系統(tǒng)2和標(biāo)定模10，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的標(biāo)定方法，本發(fā)明提供一種新型的標(biāo)定模10。
如圖1～5所示，本發(fā)明的標(biāo)定模10包括一由尼龍材料或其它材料制成的長(zhǎng)方形標(biāo)定模本體11，在本體11的兩相對(duì)的側(cè)面，相互交錯(cuò)的對(duì)角上不對(duì)稱地設(shè)置四個(gè)安裝孔12，即在本體11的一個(gè)側(cè)面對(duì)角地設(shè)置兩個(gè)安裝孔12，在本體11另一個(gè)側(cè)面對(duì)角地設(shè)置另兩個(gè)安裝孔12，四個(gè)安裝孔12不對(duì)稱地設(shè)置在四個(gè)角上。在每一個(gè)安裝孔12中通過(guò)粘接或其它方式連接一個(gè)特征標(biāo)記物13。四個(gè)特征標(biāo)記物13的四個(gè)中心構(gòu)成標(biāo)志特征點(diǎn)集I的四個(gè)特征點(diǎn)I1、I2、I3、I4。在本體11的設(shè)置安裝孔2以外的一個(gè)側(cè)面通過(guò)螺釘14固定一平板15，在平板15的四個(gè)角上不對(duì)稱地設(shè)置有四個(gè)特征示蹤物16，四個(gè)特征示蹤物16的四個(gè)中心構(gòu)成示蹤特征點(diǎn)集II的四個(gè)的特征點(diǎn)II1、II2、II3、II4。
上述實(shí)施例中，可以在本體11的頂部設(shè)置有一提手17，以提拿使用方便。在本體11的兩側(cè)面可以分別設(shè)置一個(gè)蓋板18將兩側(cè)封閉，使本發(fā)明的整體更加完善。
上述實(shí)施例中，特征點(diǎn)集I的四個(gè)特征標(biāo)記物13可以是空心的球體、方體、橢球體、圓柱體、長(zhǎng)方體等中心對(duì)稱的立體形狀(下面以空心球體為例說(shuō)明)，四個(gè)空心球體內(nèi)分別充入固定成像設(shè)備1可識(shí)別的物質(zhì)，該物質(zhì)可以是植物油、硫酸銅溶液等。特征點(diǎn)集II的四個(gè)特征示蹤物16可以是示蹤球，或其它示蹤結(jié)構(gòu)，例如有源的發(fā)光裝置或電磁導(dǎo)航系統(tǒng)中的傳感器。
如圖6、圖7、圖8所示，特征點(diǎn)集I的特征標(biāo)記物13的位置要滿足從本體的有特征示蹤物16的正面、側(cè)面和頂面三個(gè)方向，將特征標(biāo)記物13的四個(gè)特征點(diǎn)I1、I2、I3、I4分別投影在一個(gè)平面上時(shí)，特征標(biāo)記物13的投影形狀彼此均沒(méi)有重合。充入物質(zhì)的特征標(biāo)記物13和特征示蹤物16的相對(duì)位置關(guān)系可以用精密的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器(例如三維掃描儀或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī))測(cè)量得到，也可以通過(guò)機(jī)械加工保證其符合設(shè)計(jì)的相對(duì)位置關(guān)系。本發(fā)明一旦加工完成，各特征點(diǎn)集I、II的各特征點(diǎn)之間的相互位置便是確定的。
上述各實(shí)施例中，特征點(diǎn)集I中特征點(diǎn)的數(shù)量和位置是可以變化的，比如設(shè)置在本體11內(nèi)的特征標(biāo)記物13為位于同一平面內(nèi)但不共線的三個(gè)特征點(diǎn)I1、I2、I3(如圖9～11所示)，又比如，組成特征點(diǎn)集I特征點(diǎn)的數(shù)量為不對(duì)稱設(shè)置的五個(gè)、六個(gè)等，但至少要有不共線的三個(gè)。當(dāng)特征點(diǎn)為三個(gè)以上時(shí)，特征點(diǎn)可以不在同一平面內(nèi)。特征點(diǎn)集II各特征點(diǎn)的數(shù)量也是可以變化的(如圖12所示)，但至少也要有三個(gè)不共線的特征點(diǎn)II1、II2、II3。
本發(fā)明主要是用于標(biāo)定和檢驗(yàn)各坐標(biāo)系之間的相互位置，由于特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)能夠從固定成像設(shè)備所成的圖像中分析得到，特征點(diǎn)集II的特征點(diǎn)能夠被跟蹤系統(tǒng)識(shí)別測(cè)量得到，并且特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II之間的關(guān)系已知(稱為標(biāo)定模的幾何信息)，只要知道其中特征點(diǎn)集I中特征點(diǎn)或者特征點(diǎn)集II中特征點(diǎn)的坐標(biāo)，就能推算出特征點(diǎn)集II中特征點(diǎn)或特征點(diǎn)集I中特征點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)它們之間的關(guān)系便可以建立固定成像設(shè)備坐標(biāo)系和跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。
利用本發(fā)明的標(biāo)定模，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)圖像導(dǎo)航手術(shù)的標(biāo)定方法包括以下內(nèi)容。
如圖13所示，本發(fā)明的固定成像設(shè)備1完成對(duì)標(biāo)定模10特征點(diǎn)的成像，固定成像設(shè)備坐標(biāo)系是固定成像設(shè)備1所固有的屬性之一。跟蹤系統(tǒng)2包括位置傳感器和示蹤器，完成對(duì)設(shè)備、器械以及世界坐標(biāo)系3的位姿(位置和姿態(tài))跟蹤。世界坐標(biāo)系3是選定的觀察坐標(biāo)系，將手術(shù)器械和成像設(shè)備掃描的圖像均放在這世界坐標(biāo)系3內(nèi)觀察。觀察坐標(biāo)系也可以是成像設(shè)備坐標(biāo)系或者跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系，但由于本發(fā)明所定義的世界坐標(biāo)系3與成像設(shè)備坐標(biāo)系存在固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)世界坐標(biāo)系3可以被跟蹤系統(tǒng)2跟蹤，所以選擇世界坐標(biāo)系3作為觀察坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系3一般是固定的，包括一套或者多套示蹤器，每套示蹤器由若干個(gè)(大于3個(gè))最小示蹤單位組成。標(biāo)定模10提供了標(biāo)志特征點(diǎn)集I、示蹤特征點(diǎn)集II以及特征點(diǎn)集I和特征點(diǎn)集II之間的幾何關(guān)系。
本發(fā)明中涉及的各變量定義如下(見(jiàn)表1)(所使用的坐標(biāo)系均為右手坐標(biāo)系) 表1 其中，世界坐標(biāo)系下的成像設(shè)備坐標(biāo)系矩陣(Cscanworld)是圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)建立圖像坐標(biāo)系與手術(shù)器械坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的基礎(chǔ)。
如圖14所示，由特征點(diǎn)集II構(gòu)成的參考坐標(biāo)系示蹤物為球狀，以球II3的球心為原點(diǎn)，以球II3指向球II4的射線為X軸，以垂直X軸并在特征點(diǎn)集II所在平面內(nèi)的射線為Y軸，保證球II2的Y坐標(biāo)大于零。以垂直特征點(diǎn)集II所在平面并指向紙外的方向?yàn)閆軸方向。該坐標(biāo)系右手坐標(biāo)系，其定義具有任意性，由特征點(diǎn)集II中選擇任意三個(gè)不共線的標(biāo)識(shí)特征點(diǎn)的示蹤物來(lái)確定坐標(biāo)系，從所選取的這三個(gè)示蹤物中任取一個(gè)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以原點(diǎn)指向另外一個(gè)示蹤物的射線為X軸，以垂直X軸并在特征點(diǎn)集II所在平面內(nèi)的射線為Y軸，保證第三個(gè)球的Y坐標(biāo)大于零。以垂直所述特征點(diǎn)集II所在平面并選擇與X軸Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系的射線方向的射線為Z軸。
假設(shè)Tiref為標(biāo)定模10內(nèi)特征點(diǎn)集I中的第i個(gè)點(diǎn)在參考坐標(biāo)系Cref下的坐標(biāo)，Tiref和點(diǎn)集I在成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Tiscan存在以下關(guān)系 (i＝1，2，..，n)(1) 其中，n為特征點(diǎn)集I內(nèi)的特征點(diǎn)數(shù)量，矩陣Cworldtrack和Creftrack由跟蹤系統(tǒng)2提供，通過(guò)上式可得到n個(gè)線性方程，求解該線性方程組即得到Cscanworld矩陣。
標(biāo)定模10中的特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II的幾何關(guān)系定義為特征點(diǎn)集I中某一點(diǎn)i在由參考坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)Tiref。標(biāo)定模10安裝完成后，特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II之間的幾何關(guān)系確定，但尚未知。使用測(cè)量設(shè)備，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量特征點(diǎn)集II內(nèi)的每一個(gè)示蹤物的坐標(biāo)，記為Ti，IIcoord，同樣使用該測(cè)量設(shè)備測(cè)量特征點(diǎn)集I內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，記為Ti，Icoord。
由于已知特征點(diǎn)集II內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的在測(cè)量設(shè)備坐標(biāo)系內(nèi)坐標(biāo)Ti，IIcoord，所以參考坐標(biāo)系的X、Y、Z軸可以使用測(cè)量設(shè)備坐標(biāo)系的歸一化向量Vx、Vy、Vz表示 Vy＝Vz×Vx 其中，norm(X)表示將向量X歸一化得到的新向量。
假設(shè)參考坐標(biāo)系在測(cè)量設(shè)備內(nèi)的矩陣為Crefcoord，則存在如下關(guān)系 已知Crefcoord和Ti，Icoord就可以得到點(diǎn)集I內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)在參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Tiref Tiscan為點(diǎn)集I內(nèi)第i個(gè)點(diǎn)在成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，點(diǎn)集I內(nèi)的第i個(gè)標(biāo)志物體可以在成像設(shè)備中進(jìn)行斷層成像，所獲得的圖像是標(biāo)志物體包含于成像時(shí)所設(shè)定層厚內(nèi)部分的圖像平面內(nèi)的投影。本實(shí)施例中所使用的斷層掃描序列的參數(shù)并非唯一，但參數(shù)設(shè)定遵循如下原則圖像掃描中心和層厚的設(shè)定保證能夠?qū)?biāo)定模內(nèi)所有標(biāo)志物體包含在一幅掃描圖像中；至少掃描2次，且任意兩次掃描方向互不平行。
對(duì)于中心對(duì)稱的標(biāo)志物體，如球體、橢球體、圓柱體和長(zhǎng)方體等，其在任意平面內(nèi)的投影為中心對(duì)稱圖形。通過(guò)圖像處理方法可以求得標(biāo)記物體的斷層圖像的幾何對(duì)稱中心。如圖15所示，假設(shè)平面A、B為非平行平面，圖形a、b分別為標(biāo)志物體T在平面A和B內(nèi)的投影，Oa和Ob為a和b的幾何對(duì)稱中心，O為標(biāo)志物體T的幾何中心，L1和L2分別為過(guò)Oa和Ob且垂直于平面A和B的直線，L1和L2相交于O。
假設(shè)標(biāo)志物體T在斷層成像設(shè)備空間內(nèi)平面A上所成圖像為I(x，y)，則標(biāo)志物體T在平面A的投影a的幾何中心Oa(xc，yc)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可以用以下公式計(jì)算 I(x，y)＞threshold I(x，y)＞threshold I(x，y)＞threshold 其中，threshold為圖像進(jìn)行圖像二值化的閾值，I(x，y)表示在圖像坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(x，y)的象素的灰度值。M00表示所計(jì)算的圖像象素灰度值之和。
假設(shè)圖像I(x，y)的每個(gè)象素之間的距離在成像設(shè)備坐標(biāo)系下表示為p，圖像坐標(biāo)系在成像設(shè)備坐標(biāo)系下的表示為 其中，Vo表示圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)在成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， 則Oa在成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為 直線L2的方程可以表示為 其中，V為直線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)；而Tiscan是方程的一個(gè)解，即 通過(guò)設(shè)置互不平行的掃描平面，根據(jù)上述方法可以求出m(m為掃描的平面數(shù)，且m≥2)條通過(guò)標(biāo)志物體幾何中心的直線方程，物體幾何中心Tiscan即為m個(gè)直線方程構(gòu)成的線性方程組的解，采用最小二乘法可得到其最優(yōu)解。采用該方法，求得特征點(diǎn)集I中所有特征點(diǎn)在成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Tiscan。
將所求的Tiscan和Tiref代入方程(1)得到n個(gè)關(guān)于Cscanworld的線性方程，通過(guò)求解線性方程組得到Cscanworld。
本實(shí)施例中，特征點(diǎn)集I包含4個(gè)特征點(diǎn)I1、I2、I3、I4，使用MRI作為固定成像設(shè)備，標(biāo)定方法包括如下步驟 1、求取特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II間的幾何關(guān)系T1ref、T2ref、T3ref、T4ref； 2、將標(biāo)定模10放入成像設(shè)備成像區(qū)域； 3、設(shè)置成像設(shè)備的掃描參數(shù)，主要包括斷層掃描圖像的位置、掃描方向、掃描的層厚度和掃描層數(shù)，如掃描三幅斷層圖像圖像中心位置均為成像設(shè)備坐標(biāo)系原點(diǎn)，掃描方向分別為Axial(橫軸位)、coronal(冠狀位)和Sagital矢狀位，掃描層厚度為200mm，掃描層數(shù)為1； 4、掃描圖像，獲取三幅圖像P1、P2和P3，且三幅圖像中均包含了4個(gè)標(biāo)志物體的斷層圖像； 5、如果圖像存在變形，對(duì)圖像進(jìn)行必要的校正； 6、根據(jù)圖像P1、P2、P3，求出T1scan、T2scan、T3scan、T4scan； 7、通過(guò)跟蹤系統(tǒng)2獲得標(biāo)定模10上參考坐標(biāo)系矩陣Creftrack和世界坐標(biāo)系在跟蹤系統(tǒng)2下的矩陣Cworldwtrack； 8、將Creftrack、Cworldtrack、T1ref、T2ref、T3ref、T4ref、Tiref、T1scan、T2scan、T3scan、T4scanT1scan代入公式中，得到如下方程組 解線性方程組，求得Cscanworld。
盡管為說(shuō)明目的公開(kāi)了本發(fā)明的具體實(shí)施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容，要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于它包括標(biāo)定模本體，在所述本體內(nèi)設(shè)置有至少三個(gè)不共線能夠被成像設(shè)備識(shí)別組成標(biāo)志特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)，在所述本體的外表面設(shè)置有至少三個(gè)不共線能夠被跟蹤系統(tǒng)跟蹤組成示蹤特征點(diǎn)集II的特征點(diǎn)，特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II的位置關(guān)系已知。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于所述特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)為三個(gè)，其分別位于所述本體的同一平面內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于所述特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)為四個(gè)，其不對(duì)稱地位于所述本體的兩個(gè)側(cè)面內(nèi)，兩兩對(duì)角、且兩側(cè)相互交錯(cuò)。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種用于圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于所述特征點(diǎn)集I的特征點(diǎn)為設(shè)置在所述本體內(nèi)安裝孔中的特征標(biāo)記物，所述標(biāo)記物內(nèi)設(shè)置有可被成像設(shè)備識(shí)別的物質(zhì)，所述標(biāo)記物呈中心對(duì)稱的立體形狀；所述特征點(diǎn)集II的特征點(diǎn)為設(shè)置在所述本體一側(cè)外表面的一平板，在所述平板上不對(duì)稱地設(shè)置有三個(gè)或三個(gè)以上示蹤物。
5.一種用權(quán)利要求1～4所述的標(biāo)定模進(jìn)行圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其在固定成像設(shè)備、跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立一個(gè)世界坐標(biāo)系，并用標(biāo)定模進(jìn)行以下標(biāo)定步驟
(1)根據(jù)標(biāo)定模上特征點(diǎn)集II構(gòu)成的參考坐標(biāo)系在測(cè)量設(shè)備內(nèi)的矩陣關(guān)系Crefcoord以及標(biāo)定模上特征點(diǎn)集I在所述測(cè)量設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)Ti，Icoord，得到所述特征點(diǎn)集I內(nèi)的每個(gè)特征點(diǎn)在所述參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Tiref，即所述特征點(diǎn)集I與所述特征點(diǎn)集II間的幾何關(guān)系T1fef、T2ref、…、Tnref；
(2)將所述標(biāo)定模放入成像設(shè)備成像區(qū)域；
(3)設(shè)置所述成像設(shè)備的斷層掃描圖像的位置、掃描方向、掃描的層厚度和掃描層數(shù)；
(4)對(duì)標(biāo)定模進(jìn)行掃描，獲取圖像并校正，所述每幅圖像為包含了所述特征點(diǎn)集I中所有標(biāo)志物的斷層圖像；
(5)根據(jù)所述特征點(diǎn)集I中各特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)志物在步驟(4)所獲得各圖像上位置關(guān)系，得到所述各特征點(diǎn)在成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)T1scan、T2scan、…、Tnscan；
(6)通過(guò)所述跟蹤系統(tǒng)獲得所述參考坐標(biāo)系矩陣Creftrack和所述世界坐標(biāo)系在所述跟蹤系統(tǒng)下的矩陣Cworldtrack；
(7)將Creftrack、Cworldtrack，T1ref、T2ref、…、Tnref，T1scan、T2scan、…、Tnscan代入公式中，得到如下方程組
解線性方程組，求得Cscanworld。
6.如權(quán)利要求5所述的一種圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于所述斷層掃描序列參數(shù)設(shè)定遵循如下原則圖像掃描中心和層厚的設(shè)定保證能夠?qū)⑺鰳?biāo)定模內(nèi)所有標(biāo)志物體包含在一幅掃描圖像中；至少掃描2次，且任意兩次掃描方向互不平行。
7.如權(quán)利要求5所述的一種圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于由所述特征點(diǎn)集II構(gòu)成所述參考坐標(biāo)系從所述特征點(diǎn)集II中表示特征點(diǎn)的各示蹤物中任意選擇三個(gè)不共線的示蹤物，從中任取一個(gè)所述示蹤物并以其中心作為原點(diǎn)，以所述原點(diǎn)指向另外一個(gè)所述示蹤物的射線為X軸，以垂直X軸并指向第三個(gè)所述示蹤物的射線為Y軸，以垂直所述特征點(diǎn)集II所在平面并指向紙外的方向?yàn)閆軸方向。
8.如權(quán)利要求6所述的一種圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于由所述特征點(diǎn)集II構(gòu)成所述參考坐標(biāo)系從所述特征點(diǎn)集II中表示特征點(diǎn)的各示蹤物中任意選擇三個(gè)不共線的示蹤物，選取其中任意一個(gè)所述示蹤物的中心為原點(diǎn)，以所述原點(diǎn)指向另外一個(gè)所述示蹤物的射線為X軸，以垂直X軸并指向第三個(gè)所述示蹤物的射線為Y軸，以垂直所述特征點(diǎn)集II所在平面并指向紙外的方向?yàn)閆軸方向。
9.如權(quán)利要求5或6或7或8所述的一種圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于所述參考坐標(biāo)系的X、Y、Z軸采用測(cè)量設(shè)備坐標(biāo)系的歸一化向量Vx、Vy、Vz表示
Vy＝Vz×Vx
其中，norm表示向量的歸一化，Ti，IIcoord表示所述特征點(diǎn)集II中第i個(gè)特征點(diǎn)在所述測(cè)量設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)；所述參考坐標(biāo)系在所述測(cè)量設(shè)備內(nèi)的矩陣為
求得
10.如權(quán)利要求5或6或7或8所述的一種圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于所述標(biāo)定模的一個(gè)標(biāo)志物體在所述成像設(shè)備空間內(nèi)平面A上所成圖像為I(x，y)，則所述標(biāo)志物體在所述平面A的投影a的幾何中心Oa(xc，yc)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)由如下公式表示
所述圖像I(x，y)的每個(gè)象素之間的距離在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下表示為p，則所述圖像坐標(biāo)系在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下的表示為所述Oa在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為通過(guò)所述標(biāo)志物的幾何中心和所述標(biāo)志物的投影中心的直線方程可以表示為
Tiscan為所述直線上一點(diǎn)，則
設(shè)置互不平行的掃描平面m個(gè)，且m≥2，任意一個(gè)所述標(biāo)志物都獲得m條通過(guò)所述標(biāo)志物體幾何中心的直線方程，所述m個(gè)直線方程構(gòu)成的線性方程組的解即為所述標(biāo)志物在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)，其中，Vo表示所述圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)，threshold為所述圖像進(jìn)行二值化的閾值，V為所述直線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)；采用上述方法，求得所述特征點(diǎn)集I中所有特征點(diǎn)在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)Tiscan。
11.如權(quán)利要求9所述的一種圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)標(biāo)定方法，其特征在于所述標(biāo)定模的一個(gè)標(biāo)志物體在所述成像設(shè)備空間內(nèi)平面A上所成圖像為I(x，y)，則所述標(biāo)志物體在所述平面A的投影a的幾何中心Oa(xc，yc)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)由如下公式表示
所述圖像I(x，y)的每個(gè)象素之間的距離在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下表示為p，則所述圖像坐標(biāo)系在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下的表示為所述Oa在所述成像設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為通過(guò)所述標(biāo)志物的幾何中心和所述標(biāo)志物的投影中心的直線方程可以表示為
Tiscan為所述直線上一點(diǎn)，則
設(shè)置互不平行的掃描平面m個(gè)，且m≥2，任意一個(gè)所述標(biāo)志物都獲得m條通過(guò)所述標(biāo)志物體幾何中心的直線方程，所述m個(gè)直線方程構(gòu)成的線性方程組的解即為所述標(biāo)志物在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)，其中，Vo表示所述圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)，threshold為所述圖像進(jìn)行二值化的閾值，V為所述直線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)；采用上述方法，求得所述特征點(diǎn)集I中所有特征點(diǎn)在所述成像設(shè)備內(nèi)的坐標(biāo)Tiscan。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定模及標(biāo)定方法，本發(fā)明包括固定成像設(shè)備、跟蹤系統(tǒng)和標(biāo)定模，標(biāo)定模包括標(biāo)定模本體、至少三個(gè)不共線的特征標(biāo)記物、平板和至少三個(gè)不共線的示蹤物。標(biāo)定方法如下求取特征點(diǎn)集I與特征點(diǎn)集II間的幾何關(guān)系；將標(biāo)定模放入成像設(shè)備成像區(qū)域；設(shè)置成像設(shè)備的掃描參數(shù)；掃描并獲取圖像，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?；根?jù)所獲取的圖像，求出各圖像在成像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；通過(guò)跟蹤系統(tǒng)獲得標(biāo)定模上的參考坐標(biāo)系矩陣Creftrack和世界坐標(biāo)系在跟蹤系統(tǒng)下的矩陣Cworldtrack；根據(jù)Cscanworld＊Tiscan=(Cworldtrack)-1＊Creftrack＊Tiref求得Cscanworld。由于本發(fā)明提供了一種標(biāo)定圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的方法，所以醫(yī)生能精確確定病灶和手術(shù)器械的位置，縮短了手術(shù)時(shí)間。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G06F17/16GK101108140SQ200710121388
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
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