一種校正術前三維圖像的術中配準方法和裝置的製作方法

2023-05-13 17:21:41

專利名稱：一種校正術前三維圖像的術中配準方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及虛擬手術技術領域，更具體地，本發明涉及一種校正術前三維圖像的 術中配準方法和裝置。
背景技術：
現代手術的複雜性和醫療安全標準不斷提高，通過虛擬手術進行術前診斷、計劃 及預先的手術模擬演練，以提高疾病診治的準確性，已成為當前外科手術發展的趨勢。當 前，影像輔助手術的技術已逐漸在外科領域得到應用，但手術時人體骨折部位或者體位的 變化經常使骨位置或骨折位置改變，以致術前採集的影像資料與術中的實際情況常常存在 差異，所以依據術前影像輔助手術會在手術操作時帶來誤差，因此需要對術前影像進行校 正。目前解決影像輔助裝置誤差問題的方法主要包括兩種，第一種是術中直接採集三 維影像引導手術，如術中CT/MRI，此方法對設備、手術環境要求較高，醫療成本昂貴；第二 種是利用諸如X線設備採集的術中二維圖像來校正術前三維圖像，重新構建符合術中實際 情況的三維模型來指導手術，此方法對設備要求較低，但現有的方法中通常都需要傳感設 備，並且配準精度差。

發明內容
為克服現有術中和術前圖像配準誤差大、設備環境要求高的缺陷，本發明提出一 種校正術前三維圖像的術中配準方法和裝置。根據本發明的一個方面，提出了一種校正術前三維圖像的術中配準方法，包括步驟10)、採集患者的術前螺旋CT影像數據，進行該CT影像數據的預處理操作；步驟20)、根據預處理後的CT影像數據，利用改進的三維種子填充算法獲取感興 趣的骨組織，實現術前CT影像數據中骨塊的分割分離；步驟30)、調整患者的術前位置姿態，使其位置與CT掃描時基本一致，採集患者不 同角度的X射線圖像；步驟40)、基於虛擬C臂機獲取對應於所述不同角度的DRR圖像，進行相應角度的 X射線圖像與DRR配準，將虛擬X放射源作為後續坐標變換的固定參考點；步驟50)、針對術中患者的姿態和位置，採集和術前相同角度的X射線圖像；步驟60)、通過指定特徵點的方式，完成術前、術中對應角度X射線圖像的配準操 作，獲取各分離骨塊組織的變換矩陣；步驟70)、將所述變換矩陣作用於術前已分割分離的骨塊數據模型，獲得各骨塊模 型在術中的真實方位。根據本發明的另一方面，提出了一種校正術前三維圖像的術中配準裝置，該裝置 包括預處理模塊、骨塊分割分離模塊、X射線圖像採集模塊、配準模塊和3D骨興趣區模型 建立模塊；
其中，所述預處理模塊用於採集患者的術前螺旋CT影像數據，進行該CT影像數據 的預處理操作；所述骨塊分割分離模塊用於根據預處理後的CT影像數據，利用掃描線三維種子 填充算法獲取感興趣骨組織，實現術前CT影像數據中骨塊的分割分離；所述X射線圖像採集模塊用於調整患者的術前位置姿態，採集術前、術中患者各 相應角度的X射線圖像；所述配準模塊用於獲取相同角度的DRR圖像，完成X射線圖像與DRR的配準操作， 根據指定的特徵點，完成術前、術中對應角度X射線圖像的配準操作，獲取各分離骨塊組織 的變換矩陣；所述3D骨興趣區模型建立模塊用於將多角度的變換矩陣作用於術前已分割分離 的骨塊數據模型，獲得各骨塊模型在術中的真實方位。通過術前校正C臂X射線機方位的校準方式，無需其他傳感定位設備，可有效地縮 減X射線與DRR的配準誤差範圍，快速定位虛擬放射方位，縮減操作時間。對於矩陣變換所 需的參考點的選取，成功解決了不同空間因坐標系原點不一致而造成變換矩陣不能直接應 用的問題，無需經過其他坐標調整，可在像空間中直接應用物空間的變換矩陣，簡化了計算 過程。通過將2-3個不同角度的2D變換矩陣合併為一個3D變換矩陣，消除了 C臂X機因 透視過程丟失三維信息的局限，成功獲得了 3D變換矩陣，並完成術前CT模型到術中的方位 變換，使得術前在虛擬裝置中驗證術中方案的操作成為可能。另外虛擬C臂X射線機仿真裝置，可獲得高質量的DRR圖像，可用於教學演示、術 前診斷以及任意角度X射線圖像的模擬，有效降低醫生和患者遭受的輻射傷害。


圖1示出根據本發明實施例的使用術中X線2D圖像校正術前3D圖像的方法流程 的示意圖；圖2示出虛擬C臂X射線機生成DRR的仿真示意圖；圖3示出X圖像與DRR圖像配準的仿真示意圖；圖4示出根據本發明實施例的使用術中X線2D圖像校正術前3D圖像的裝置的結 構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種校正術前三維圖像的術中配準 方法和裝置進行詳細描述。圖1示出根據本發明實施例的使用術中X線2D圖像校正術前3D圖像的方法的流 程圖，如圖1所示，提供一種校正術前三維圖像的術中配準方法，該方法包括採集患者的 術前螺旋CT影像數據(例如，DIC0M3. 0格式)，進行該CT影像數據的預處理操作(步驟 10)；根據預處理後的CT影像數據，利用改進的三維種子填充算法獲取感興趣的骨組織，完 成骨組織體數據的分離及壓縮存儲，實現術前CT影像數據中骨塊的分割分離(步驟20)； 調整患者的術前位置姿態，使其位置與CT掃描時基本一致，採集患者不同角度的X射線圖 像各2-3張(步驟30)；基於虛擬C臂機獲取對應於上述各不同角度的DRR圖像，進行相應角度的X射線圖像與DRR配準操作；如果匹配誤差達到亞像素級，則認為虛擬X放射源與 實際放射源位置一致，將其作為後續坐標變換的固定參考點(步驟40)；針對術中患者的姿 態和位置，採集和術前相同角度的X射線圖像2-3張(步驟50)；通過人工指定特徵點的方 式，完成術前、術中對應角度X射線圖像的配準操作，獲取各分離骨塊組織的變換矩陣(步 驟60)；將該系列、多角度的變換矩陣作用於術前已分割分離的骨塊數據模型，獲得各骨塊 模型在術中的真實方位(步驟70)。在步驟10中，採集患者的術前螺旋CT影像數據(DIC0M3. 0格式)，進行該CT影像 數據的預處理操作。其中預處理操作包括CT影像數據的濾波去噪處理；CT影像數據序列 圖像的配準處理，消除因CT設備成像造成圖像的錯位和移位現象；感興趣區域的提取，去 除不感興趣的影像數據，從而縮減後續處理數據的大小，加快後續處理進程。在步驟20中，根據預處理後的CT影像數據，利用改進的三維種子填充算法獲取 感興趣的骨組織，完成骨組織體數據的分離及壓縮，實現術前CT影像數據中骨塊的分割分 離。其中，該改進的三維種子填充算法是基於掃描面用於快速獲取指定區域的三維種子填 充算法，首先構建新的三維搜索框架，將任意的二維種子填充算法封裝為一個基本處理單 元，應用於該框架中，沿著切片逐張處理，使得提取速度大為提高。在步驟20中，在二維閱片模式下，點擊感興趣區域，獲得該點的坐標及CT值，將其 值作為初始條件保存；應用改進的三維種子填充算法，獲取感興趣對象的體數據信息。在步驟20中，所述完成骨組織體數據的分離，包括基於數學形態法，針對不同的 數據弱連通方式選取相應的結構元素(例如水平線性連通或垂直線性連通，可分別採用垂 直或水平的結構元素，消除該弱連通數據)，利用膨脹、腐蝕操作完成各骨組織的分割分離； 僅保存對象最小包圍盒區域內的被提取數據，在保留被分割分離對象坐標原點的基礎上， 去除外圍不相關數據，達到壓縮大小的目的。在步驟30中，調整患者的術前位置姿態，使其位置與CT掃描時基本一致，採集患 者不同角度的X射線圖像各2-3張。其中，所述的採集患者不同角度的X射線圖像2-3張， 是指採集患者在手術操作中的有效角度，在該角度方位能夠清晰辨認解剖結構上的特徵 點時所獲得的X圖像。在步驟40中，基於虛擬C臂機獲取對應於上述各不同角度的DRR圖像，進行相應 角度的X射線圖像與DRR配準操作；如果匹配誤差達到亞像素級，則認為虛擬X放射源與實 際放射源位置一致，將其作為後續坐標變換的固定參考點。其中，基於真實C臂X射線機的 幾何和物理參數，構建的虛擬C臂X射線機，用於描述C臂X射線機的幾何外形及其定位。 這些幾何參數包括可變參數和固定參數，其中，固定參數包括手術臺尺寸參數、C臂弧深參 數、C臂開口參數和C臂放射焦點至接收器距離參數，可變參數包括平移和旋轉共6個自由 度參數，用於交互操作。物理參數用於描述C臂機的成像特性，包括光強參數、影像增強系 數、人體組織CT閾值參數和超解析度採樣係數。其中，使用以下步驟獲取DRR圖像，包括通過CAD軟體(UG或Solidworks)構建 手術臺、C臂X射線機的幾何模型，並通過STL格式導入；調整虛擬C臂X射線機的方位；控 制DRR圖像的生成參數，包括衰減係數的調整和CT值與灰度值的轉換；並且進行DRR圖像 的增強、超採樣和窗寬窗位的處理。其中，後續坐標變換的固定參考點是指實際的物空間和進行配準的像空間中對應的不變點，也就是說，如果以該點為參照點，則實際物空間中的變換矩陣可直接應用於像空 間的對象變換，無需再做其他任何調整。在步驟40中，根據真實C臂機生成X圖像時的方位數據，調整虛擬C臂X射線機 的方位；利用光線投射法，基於CT影像數據生成較為逼真的DRR圖像；採用分步式2D/2D配 準操作對同一角度的實際X射線圖像與DRR進行配準，若匹配誤差超過可接受範圍(例如 1個像素大小)，則需要對虛擬C臂機進行方位微調，使得重新配準後的誤差在亞像素方位 內，確定後續坐標變換的固定參考點；其中分步式2D/2D配準操作是指首先進行ICP算法粗 配準，而後進行基於最大互信息的精配準。在步驟50中，針對術中患者的姿態和位置，採集和術前相同角度的X射線圖像2-3 張。在步驟60中，通過人工指定特徵點的方式，完成術前、術中對應角度X射線圖像的 配準操作，獲取各分離骨塊組織的變換矩陣。例如，該變換矩陣的數學描述可用齊次坐標系 表示，以0度(即側位)獲取到的變換矩陣為例，具體表示為
權利要求
1.一種校正術前三維圖像的術中配準方法，包括步驟10)、採集患者的術前螺旋CT影像數據，進行該CT影像數據的預處理操作；步驟20)、根據預處理後的CT影像數據，利用改進的三維種子填充算法獲取感興趣的 骨組織，實現術前CT影像數據中骨塊的分割分離；步驟30)、調整患者的術前位置姿態，使其位置與CT掃描時基本一致，採集患者不同角 度的X射線圖像；步驟40)、基於虛擬C臂機獲取對應於所述不同角度的DRR圖像，進行相應角度的X射 線圖像與DRR配準，將虛擬X放射源作為後續坐標變換的固定參考點；步驟50)、針對術中患者的姿態和位置，採集和術前相同角度的X射線圖像；步驟60)、通過指定特徵點的方式，完成術前、術中對應角度X射線圖像的配準操作，獲 取各分離骨塊組織的變換矩陣；步驟70)、將所述變換矩陣作用於術前已分割分離的骨塊數據模型，獲得各骨塊模型在 術中的真實方位。
2.權利要求1的方法，其中，在步驟10)中，所述預處理操作包括CT影像數據的濾波 去噪處理，CT影像數據序列圖像的配準處理，提取感興趣區域。
3.權利要求1的方法，其中，步驟20)還包括在二維閱片模式下，點擊感興趣區域，獲 得該區域的坐標及CT值，構建新的三維搜索框架，將任意的二維種子填充算法封裝為一個 基本處理單元，應用於該框架中，沿著切片逐張處理，獲取感興趣對象的體數據信息。
4.權利要求3的方法，其中，步驟20)還包括基於數學形態法，針對不同的數據弱連 通方式選取相應的結構元素，利用膨脹、腐蝕操作完成各骨組織的分割分離，僅保存對象最 小包圍盒區域內的被提取數據。
5.權利要求1的方法，其中，步驟40)還包括基於真實C臂X射線機的幾何和物理參 數，構建的虛擬C臂X射線機，描述C臂X射線機的幾何外形及其定位。
6.權利要求5的方法，其中，步驟40)還包括構建手術臺、C臂X射線機的幾何模型， 並通過STL格式導入；調整虛擬C臂X射線機的方位；控制DRR圖像的生成參數，進行DRR 圖像的增強、超採樣和窗寬窗位的處理。
7.權利要求6的方法，其中，步驟40)還包括根據真實C臂機生成X圖像時的方位數 據，調整虛擬C臂X射線機的方位，利用光線投射法，基於CT影像數據生成較為逼真的DRR 圖像。
8.權利要求7的方法，其中，步驟40)還包括採用分步式2D/2D配準操作對同一角度 的實際X射線圖像與DRR進行配準，其中分步式2D/2D配準操作是指首先進行ICP算法粗 配準，而後進行基於最大互信息的精配準。
9.權利要求1的方法，其中，步驟70)還包括獲取多角度的變換矩陣，將其合併為針 對分離骨組織的一次性變換矩陣。
10.權利要求9的方法，其中，步驟70)還包括設定變換的坐標原點，將所述一次性變 換矩陣作用於對應的分離後的骨組織，獲得反應術中實際的骨組織的結構模型。
11.一種校正術前三維圖像的術中配準裝置，該裝置包括預處理模塊、骨塊分割分離 模塊、X射線圖像採集模塊、配準模塊和3D骨興趣區模型建立模塊；其中，所述預處理模塊用於採集患者的術前螺旋CT影像數據，進行該CT影像數據的預處理操作；所述骨塊分割分離模塊用於根據預處理後的CT影像數據，利用改進的三維種子填充 算法獲取感興趣骨組織，實現術前CT影像數據中骨塊的分割分離；所述X射線圖像採集模塊用於調整患者的術前位置姿態，採集術前、術中患者各相應 角度的X射線圖像；所述配準模塊用於獲取相同角度的DRR圖像，完成X射線圖像與DRR的配準操作，根據 指定的特徵點，完成術前、術中對應角度X射線圖像的配準操作，獲取各分離骨塊組織的變 換矩陣；所述3D骨興趣區模型建立模塊用於將多角度的變換矩陣作用於術前已分割分離的骨 塊數據模型，獲得各骨塊模型在術中的真實方位。
12.權利要求11的裝置，其中，所述預處理模塊用於將CT影像數據的濾波去噪，進行 CT影像數據序列圖像的配準，消除因CT設備成像造成圖像的錯位和移位現象，提取感興趣 區域。
13.權利要求11的裝置，其中，所述骨塊分割分離模塊在二維閱片模式下識別感興趣 區域，獲得該區域的坐標及CT值，應用所述改進的三維種子填充算法，獲取感興趣對象的 體數據信息。
14.權利要求11的裝置，其中，所述X射線圖像採集模塊採集患者在手術操作中的有效 角度方位能夠被清晰辨認解剖結構上的特徵點時所獲得的X圖像。
15.權利要求11的裝置，其中，所述配準模塊用於基於真實C臂X射線機的幾何和物理 參數，構建的虛擬C臂X射線機，描述虛擬C臂X射線機的幾何外形及其定位。
16.權利要求11的裝置，其中，所述配準模塊用於通過以下處理獲取DRR圖像通過構 建手術臺、C臂X射線機的幾何模型，並通過STL格式導入；調整虛擬C臂X射線機的方位； 控制DRR圖像的生成參數；進行DRR圖像的增強、超採樣和窗寬窗位的處理。
17.權利要求16的裝置，其中，所述配準模塊還用於根據真實C臂機生成X圖像時的方 位數據，調整虛擬C臂X射線機的方位；利用光線投射法，基於CT影像數據生成DRR圖像。
18.權利要求17的裝置，其中，所述配準模塊採用分步式2D/2D配準操作對同一角度的 實際X射線圖像與DRR進行配準；其中分步式2D/2D配準操作是指首先進行ICP算法粗配 準，而後進行基於最大互信息的精配準。
19.權利要求11的裝置，其中，所述3D骨興趣區模型建立模塊用於獲取多角度的系列 變換矩陣，將其合併為針對分離骨組織的一次性變換矩陣。
20.權利要求19的裝置，其中，所述3D骨興趣區模型建立模塊設定變換的坐標原點，將 所述一次性變換矩陣作用於對應的分離後的骨組織，獲得反應術中實際的骨組織的結構模 型。
全文摘要
本發明提供一種校正術前三維圖像的術中配準裝置和方法，預處理模塊用於採集患者的術前螺旋CT影像數據，進行該CT影像數據的預處理操作；骨塊分割分離模塊根據預處理後的CT影像數據，利用改進的三維種子填充算法獲取感興趣的骨組織，實現術前CT影像數據中骨塊的分割分離；X射線圖像採集模塊用於調整患者的術前位置姿態，採集術前、術中患者不同角度的X射線圖像；配準模塊獲取相同角度的DRR圖像，完成術前、術中對應角度X射線圖像的配準操作，獲取各分離骨塊組織的變換矩陣；3D骨興趣區模型建立模塊用於將多角度的變換矩陣作用於術前已分割分離的骨塊數據模型，獲得各骨塊模型在術中的真實方位。
文檔編號G09B19/00GK102147919SQ20101011250
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月10日 優先權日2010年2月10日
發明者何飛, 餘偉巍, 席平 申請人:昆明醫學院第一附屬醫院