一種基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法
【專利摘要】一種基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法，該方法的步驟為：(1)在圖像引導(dǎo)空間，對術(shù)前采集的醫(yī)學(xué)影像圖像進行表面重建，獲得人頭模型；采用不同的尺度空間因子，基于頂點預(yù)測器的原理，對模型進行光順，構(gòu)建模型的多尺度空間；(2)在多尺度空間中，計算相鄰尺度的高斯差分，遍歷當(dāng)前尺度和相鄰尺度的一環(huán)鄰域?qū)ふ覙O值點；(3)對極值點進行標記物形狀相關(guān)聚類，定位出標記物中心點；(4)在病人空間，使用雙目相機實時獲取病人頭部圖片，基于角點檢測提取出標記物中心點，基于雙目立體視覺原理恢復(fù)標記物中心點三維坐標；(5)基于隨機迭代一致性（Ransac）方法匹配兩空間標記物，計算歐式變換矩陣，完成手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的空間注冊。
【專利說明】一種基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機輔助手術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種圖像引導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法。
【背景技術(shù)】
[0002]把病人在空間中的實際位置和三維模型中的虛擬位置進行精確配準的過程，在手術(shù)導(dǎo)航中稱為注冊。空間注冊的精度直接影響著整個導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，是手術(shù)前準備階段中最重要的一步?；邳c匹配的剛體配準法是目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)臨床應(yīng)用中使用最多的空間注冊法，其基本思想是分別在病人空間和三維圖像空間中選取對應(yīng)點集，通過數(shù)學(xué)原理計算出點集之間的變換關(guān)系，再擴展到病人空間中任意點在三維圖像空間上的對應(yīng)位置。
[0003]目前基于點匹配的空間注冊方法大都需要醫(yī)生手動、順序地在圖像空間和圖像引導(dǎo)空間選擇人工標記物，這種方法獲得的注冊精度依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗，并且手動選取精度往往不穩(wěn)定，通常需要多次選取然后求取平均值，增加了醫(yī)生的工作量并延長了手術(shù)準備時間。
[0004]本發(fā)明提出了一種基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法，該方法設(shè)計了十字結(jié)構(gòu)的圓形人工標記物，并利用標記物的形狀特征，構(gòu)建模型的多尺度空間，檢測位于標記物圓周上的特征點，從而定位出標記物中心，在病人空間，利用角點檢測和雙目立體視覺原理，自動識別相同的標記物中心點，進而完成注冊。這種方法不需要人工干預(yù)，穩(wěn)定高效，大大節(jié)約了術(shù)前準備時間，提高了手術(shù)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:解決現(xiàn)有手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)需要醫(yī)生手動、順序選擇標記物的費時費力的問題，提供了一種基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法，該方法可以有效地完成病人術(shù)前醫(yī)學(xué)影像空間與實際術(shù)中空間的注冊，滿足手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的速度和精度要求。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的原理是:在圖像引導(dǎo)空間，利用人工標記物和人頭表面接觸處不同的凹凸性，檢測出曲率驟變的標記物圓周，根據(jù)幾何特點計算標記物中心點。在病人空間，本發(fā)明設(shè)計了圓形十字標記物，以標記物中心點為圓點，以黑白兩色填充，每90°變換顏色，這樣十字標記物中心點為一穩(wěn)定的角點。利于人工標記物的特殊設(shè)計，檢測十字標記的中心角點。同時采用雙目相機基于立體視覺的技術(shù)恢復(fù)這些標記物中心點的三維坐標，然后尋找兩個空間的標記物對應(yīng)關(guān)系，計算兩空間的歐式變換矩陣，從而完成注
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[0007]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:首先，在圖像引導(dǎo)空間，對術(shù)前采集的醫(yī)學(xué)影像圖像進行表面重建，獲得人頭模型；采用不同的尺度空間因子，基于頂點預(yù)測器的原理，對模型進行光順，構(gòu)建模型的多尺度空間；在多尺度空間中，計算相鄰尺度的高斯差分，遍歷當(dāng)前尺度和相鄰尺度的一環(huán)鄰域?qū)ふ覙O值點；然后對極值點進行標記物形狀相關(guān)聚類，定位出標記物中心點。在病人空間，使用雙目相機實時獲取病人頭部圖片，基于角點檢測提取出標記物中心點，基于雙目立體視覺原理恢復(fù)標記物中心點三維坐標。最后，基于隨機迭代一致性(Ransac)方法匹配兩空間標記物，計算歐式變換矩陣，完成空間注冊。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:充分利用了標記物的幾何特征和灰度特征，并結(jié)合多尺度空間原理和立體視覺原理，自動定位出人工標記物，有效地提高了空間注冊的精度和效率，減少了醫(yī)生的工作量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法的流程圖；
[0010]圖2為圖像引導(dǎo)空間人工標記物定位的流程圖。
[0011]圖3為定位出標記物示意圖
[0012]具體實施方法
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0014]本發(fā)明提出的基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法的流程如圖1所示，其步驟如下:
[0015](I)如圖2所示，在圖像引導(dǎo)空間，采用不同的尺度空間因子，基于頂點預(yù)測器的原理，對模型進行光順，構(gòu)建模型的多尺度空間；在多尺度空間中，計算相鄰尺度的高斯差分，遍歷當(dāng)前尺度和相鄰尺度的一環(huán)鄰域?qū)ふ覙O值點；對極值點進行標記物形狀相關(guān)聚類，定位出標記物中心點(如圖3所示):
[0016](1.1)設(shè)原始的人頭模型為Μ，ρ為M中的一個頂點。對于尺度空間因子O，M經(jīng)過以σ為參數(shù)的高斯函數(shù)光順后的結(jié)果為Μ。，ρ在Μ。中對應(yīng)的頂點是P。，定義頂點P處的信號強度I (P，σ )為ρ在ρ。法向方向η。(ρ)上的位移:
[0017]I (ρ, σ) =<ηο(ρ)，ρ-ρ。>
[0018](1.2)在以σ為因子的尺度空間中，估算ρ點對應(yīng)頂點ρ。的法向η。(ρ)。^peM(是數(shù)學(xué)符號，表示對于屬于M的任意一點P)，設(shè)Ν(ρ)是ρ的鄰域，q是鄰域內(nèi)的一點，即VgeA/(p)，η,是q點的法向量。定義兩點空間距離權(quán)值為I |q-p| |，同時考慮到網(wǎng)格M
可能是非均勻采樣的曲面，引入q的Voronoi面積作為頂點的面積權(quán)值A(chǔ)q，利用如下公式估算出η。(ρ):
【權(quán)利要求】
1.一種基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法，其特征在于包括如下步驟: (1)在圖像引導(dǎo)空間，采用不同的尺度空間因子，基于頂點預(yù)測器的原理，對通過術(shù)前采集的醫(yī)學(xué)影像圖像進行表面重建的人頭模型進行光順，構(gòu)建模型的多尺度空間；在多尺度空間中，計算相鄰尺度的高斯差分，遍歷當(dāng)前尺度和相鄰尺度的一環(huán)鄰域?qū)ふ覙O值點；對極值點進行標記物形狀相關(guān)聚類，定位出標記物中心點； (2)在病人空間，使用雙目相機實時獲取病人頭部圖片，基于角點檢測提取出標記物中心點，基于雙目立體視覺原理恢復(fù)標記物中心點三維坐標； (3)基于隨機迭代一致性(Ransac)方法匹配兩空間標記物，計算歐式變換矩陣，完成空間注冊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人工標記物的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)空間自動注冊方法，其特征在于:步驟(1)中基于多尺度空間的標記物中心點定位方法，包括步驟如下: (2.1)設(shè)原始的三維模型為M，P為M中的一個頂點；對于尺度空間因子σ，M經(jīng)過以σ為參數(shù)的高斯函數(shù)光順后的結(jié)果為Μ。，P在Μ。中對應(yīng)的頂點是P。，定義頂點P處的信號強度I (P，σ )為P在ρ。法向方向η。(P)上的位移:
I (P, σ ) =< η0 (P), ρ-ρ0 > (2.2)在以σ為因子的尺度空間中，估算P點對應(yīng)頂點P。的法向n。(p); VpeM，設(shè)N(p)是P的領(lǐng)域，q是鄰域內(nèi)的一點，即Wy G N(P)，nq是q點的法向量；定義兩點空間距離權(quán)值為I |q_p| I，同時考慮到網(wǎng)格M可能是非均勻采樣的曲面，引入q的VOTonoi面積作為頂點的面積權(quán)值A(chǔ)q，利用如下公式估算出η。(P):
【文檔編號】G06F19/00GK104008269SQ201410134319
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】沈旭昆, 胡勇, 方小瑞 申請人:北京航空航天大學(xué)