本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域，尤其是涉及一種術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
術(shù)中導(dǎo)航作為一種醫(yī)學(xué)導(dǎo)航設(shè)備是指將病人的術(shù)前和術(shù)中病人解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，使得醫(yī)生對(duì)手術(shù)器械和患者解剖的位置一目了然，使手術(shù)更精確。
目前術(shù)中導(dǎo)航普遍具有以下工作原理，醫(yī)生手持經(jīng)過改進(jìn)的手術(shù)工具，對(duì)患者的手術(shù)目標(biāo)實(shí)施操作，需要能夠精確的給出手術(shù)工具的空間立體定位，同時(shí)能夠精確的給出術(shù)中解剖部位與術(shù)前x線/ct、mr等多模圖像之間的位置關(guān)系，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)變換，控制手術(shù)工具達(dá)到要求的部位，從而實(shí)施相應(yīng)的手術(shù)操作。
而其中，確定圖像之間的位置關(guān)系是非常重要的一環(huán)，目前圖像配準(zhǔn)主要分為標(biāo)記和非標(biāo)記兩種方法，使用標(biāo)記點(diǎn)使配準(zhǔn)更快捷，但是很多情況下，不便于為患者粘貼標(biāo)記點(diǎn)，或表面粘貼點(diǎn)容易掉落，而植入標(biāo)記點(diǎn)雖然較精確，但是會(huì)對(duì)患者造成額外的損傷。
公告號(hào)cn106137395a的技術(shù)方案，同樣采用非標(biāo)記注冊(cè)方法，但是使用的是病人表面點(diǎn)云，并且方法的實(shí)施需要兩組相同的點(diǎn)云，加大了數(shù)據(jù)獲取上的難度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)及方法，其通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，來降低術(shù)中注冊(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和精度。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)，其包括：用于獲取病人術(shù)中骨骼表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維掃描儀；用于進(jìn)行圖像輸入輸出的電腦，其接于所述三維掃描儀，該電腦包含有分割和配準(zhǔn)模塊；用于顯示注冊(cè)好的三維醫(yī)學(xué)圖像的顯示設(shè)備，其接于電腦。
一種術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)方法，其包括如下步驟：s1、利用病人術(shù)前的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)而建立三維模型，并轉(zhuǎn)為為點(diǎn)云p，術(shù)中通過三維掃描儀獲取病患的骨骼表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)q；s2、對(duì)點(diǎn)云p、點(diǎn)云數(shù)據(jù)q分別進(jìn)行下采樣，計(jì)算法線；s3、對(duì)兩組點(diǎn)云分別計(jì)算特征，并進(jìn)行配準(zhǔn)，得到旋轉(zhuǎn)平移矩陣，完成初始配準(zhǔn)；s4、對(duì)術(shù)前三維圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，即完成注冊(cè)工作；s5、之后只需要使用最近迭代點(diǎn)算法(icp)進(jìn)行精配準(zhǔn)。
為使配準(zhǔn)過程更加精準(zhǔn)，本發(fā)明定義了兩點(diǎn)間的數(shù)據(jù)特征：采用兩點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)作為特征，此特征可表示f(m1，m2)＝(d，∠a，∠b，∠c)，其中，m1,m2為點(diǎn)云中兩點(diǎn)，d為兩點(diǎn)間的歐氏距離，∠a,∠b,∠c分別為兩點(diǎn)的法線及兩點(diǎn)連線方向兩兩之間的夾角，夾角范圍為0到π。
一種術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)方法的步驟s1中，術(shù)前對(duì)病人拍攝的ct或mr圖像用閾值的方法進(jìn)行分割處理，獲得相應(yīng)的三維模型，轉(zhuǎn)換得到點(diǎn)云p。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的配準(zhǔn)過程不依賴于標(biāo)記點(diǎn)，同時(shí)具有很好的精確度。
附圖說明
圖1為術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實(shí)施例：參見圖1，一種術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)方法，如下步驟：
s1、利用病人術(shù)前的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)而建立三維模型，并轉(zhuǎn)為為點(diǎn)云p，術(shù)中通過三維掃描儀獲取病患的骨骼表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)q。例如，術(shù)前對(duì)病人拍攝的ct或mr圖像用閾值的方法進(jìn)行分割處理，獲得相應(yīng)的三維模型，轉(zhuǎn)換得到點(diǎn)云p。
s2、對(duì)點(diǎn)云p、點(diǎn)云數(shù)據(jù)q這兩組點(diǎn)云分別進(jìn)行下采樣，計(jì)算法線。為使配準(zhǔn)過程更加精準(zhǔn)，本發(fā)明定義了兩點(diǎn)間的數(shù)據(jù)特征:此特征可表示為f(m1，m2)＝(d,∠a,∠b,∠c)，其中m1,m2為點(diǎn)云中兩點(diǎn)，d為兩點(diǎn)間的歐氏距離，∠a,∠b,∠c分別為兩點(diǎn)的法線及兩點(diǎn)連線方向兩兩之間的夾角，范圍為0到π。取p的一部分點(diǎn)，分別計(jì)算它們與其他點(diǎn)的特征，相似的點(diǎn)(pi，pj)會(huì)以特征為關(guān)鍵字儲(chǔ)存在哈希表中，其中相似是指它們特征的四個(gè)值落在同一個(gè)區(qū)間內(nèi)，區(qū)間大小可以任意指定。例如30°的步長將大區(qū)間劃分為6個(gè)。計(jì)算完p的特征后，取q的一個(gè)點(diǎn)qi，對(duì)于每個(gè)其余的點(diǎn)qj，計(jì)算它們之間的特征f(qi，qj)。以此特征為關(guān)鍵字，在哈希表中找出所有對(duì)應(yīng)的p中的點(diǎn)，對(duì)于每組點(diǎn)(pi，pj)計(jì)算特征之間的旋轉(zhuǎn)角，并記為(mi，α)。
s3、對(duì)兩組點(diǎn)云分別計(jì)算特征，并進(jìn)行配準(zhǔn)，得到旋轉(zhuǎn)平移矩陣，完成初始配準(zhǔn)。該步驟中，對(duì)于每個(gè)qj，通過旋轉(zhuǎn)角的投票機(jī)制，記錄所得票數(shù)和相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平移矩陣。全部計(jì)算完畢后，將相似的矩陣票數(shù)相加，并計(jì)算總票數(shù)和平均旋轉(zhuǎn)平移矩陣。通過最后的最高票數(shù)得到最終的旋轉(zhuǎn)平移矩陣。
s4、對(duì)術(shù)前三維圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，即完成注冊(cè)工作。該步驟是通過上述步驟得到最終的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，作用于步驟s1得到的三維模型，即完成了術(shù)前圖像與術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)的注冊(cè)工作。
s5、后續(xù)只需要使用迭代最近點(diǎn)(icp)來進(jìn)行配準(zhǔn)工作。
本發(fā)明還提供了一種術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)中的非標(biāo)記醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：用于獲取病人術(shù)中骨骼表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維掃描儀，該三維掃描儀可參考前文的步驟s1進(jìn)行使用以便于獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。用于進(jìn)行圖像輸入輸出的電腦，其接于所述三維掃描儀，該電腦包含有分割和配準(zhǔn)模塊，該電腦可進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。用于顯示注冊(cè)好的三維醫(yī)學(xué)圖像的顯示設(shè)備，其接于電腦，該顯示設(shè)備包括但不僅限于顯示器。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述各實(shí)施方式是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。