CN103654965A - 一种用于光学手术导航系统的标记点及图像提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光学手术导航系统的标记点及图像提取方法，所述标记点与发光球配套使用，包括底座及位于底座上表面的突起，所述发光球内部具有凹槽，所述突起的形状与凹槽相对应，且嵌入凹槽，所述底座及突起为一体成形结构，且突起与底座关于同一竖直轴线对称。本发明通过简单的图像处理就可将其自动提取出来，降低标记点自动注册难度，提高手术导航系统总体定位精度。

Description

一种用于光学手术导航系统的标记点及图像提取方法

技术领域

本发明涉及医学图像领域，具体涉及一种用于光学手术导航系统的标记点及图像提取方法。

背景技术

光学手术导航系统结合医学影像，直观地为医生提供手术器械相对于病灶区域的位置和方向，能实时可视化图像引导，指导手术进行，提高手术的安全性、有效性和精确性。光学手术导航系统在术前需要利用贴在患者皮肤上的标记点进行标记点注册，也就是确定手术空间和医学图像空间的映射关系。

光学手术导航系统中近红外双目视觉系统能够识别发射或反射近红外光的发光球，但是这类发光球CT值小，在CT图像上亮度低，与人体大部分组织的CT值接近，很难用图像识别算法将发光球自动地提取出来，也就无法通过发光球实现标记点自动注册。常用标记点的材质为经久耐用的不锈钢或成本低廉的塑料，但不锈钢标记点会在图像上产生伪影，降低图像质量，影响医生对病情的诊断，一般塑料材质的标记点在CT图像上灰度值和人体组织相差不大，不利于自动提取。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种用于光学手术导航系统的标记点及图像提取方法。

本发明实现标记点全自动提取，降低标记点自动注册难度，提高手术导航系统总体精度。

本发明的技术方案：

一种用于光学手术导航系统的标记点，所述标记点与发光球配套使用，包括底座及位于底座上表面的突起，所述发光球内部具有凹槽，所述突起的形状与发光球的凹槽相对应，且嵌入凹槽，所述底座及突起为一体成形结构，且突起与底座关于同一竖直轴线对称。

所述标记点由聚氯乙烯制成。

所述底座为圆柱体结构。

所述底座底部设置粘帖装置。

一种用于光学手术导航系统的标记点的图像提取方法，包括如下步骤：

S1获取包含标记点的CT图像序列，构建三维图像；

S2对三维图像滤波，再利用阈值分割进行处理，得到包含标记点及人体骨骼的三维图像；

S3对包含标记点及人体骨骼的图像进行连通区域标记，并计算每个连通区域所含体素数目；

S4根据标记点的体积和S2三维图像中体素的间隔计算三维图像中标记点所含体素的数目，设定体素数目筛选范围，根据S3计算结果，提取处于筛选范围内的连通区域，初步滤除S2三维图像中的非标记点成分，得到所有的标记点和少量体素数目与标记点相当的成分；

S5根据标记点尺寸设定连通区域内两个体素最大间距的范围，计算S4初步滤除后得到三维图像中每个连通区域内两个体素间的最大间距，保留最大间距在最大间距范围内的连通区域，精确滤除非标记点成分，得到仅含有标记点的三维图像，进一步确定标记点的三维坐标。

所述标记点尺寸具体为标记点突起顶端到底座底面边缘处的距离。

本发明的有益效果：

（1）本发明的标记点的材料CT值高于人体皮肤组织，不会对医学图像产生伪影；

（2）通过简单的图像处理即可将其自动提取出来，降低标记点自动注册难度，提高手术导航系统精度；

（3）本发明的标记点结构具有突起部分，使配准准确率提高。

附图说明

图1是本发明一种用于光学手术导航系统的标记点的示意图；

图2是本发明标记点结构嵌入发光球凹槽的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种用于光学手术导航系统的标记点，所述标记点与发光球3配套使用，所述发光球3内部设有凹槽，标记点包括底座2及位于底座上表面的突起1，如图2所示，所述突起的形状与凹槽形状相对应，且嵌入凹槽，所述底座及突起为一体成形结构，且突起与底座关于同一竖直轴线对称，本实施例采用的标记点如图1所示，突起1总高度为12.2mm,最窄处直径为2.1mm,最宽处直径为5.5mm，底座2为圆柱体结构。

所述底座设置粘帖装置，标记点注册时需要将标记点粘帖于病人皮肤上，为防止其滑落，采用环保卫生的粘帖剂作为粘帖装置固定贴于病人皮肤上。

为了让标记点在CT图像上亮度高、方便提取，且不对图像产生干扰成分，本发明采用CT值高于人体皮肤组织材料制成，优选聚氯乙烯。

将标记点嵌入发光球凹槽中，贴在病人皮肤上扫出CT图像，标记点在CT图像中的灰度值与人体骨骼相近，明显高于皮肤组织，容易识别，使用阈值分割算法即可使标记点与皮肤组织分离，且不对图像产生伪影等干扰。

本发明设计突起部分，让其在某一剖面上不对称，以提高配准精度。

采用如下方法将本发明标记点从CT图像中完整提取出来：

S1读取包含标记点的CT图像序列，并对图像三维重建，构建三维图像；

S2对三维图像进行中值滤波，滤除三维图像中大量的噪声点，再利用阈值分割算法处理滤波结果，处理后的三维图像包含标记点及人体骨骼等CT值较高的成分；所述阈值分割算法中选定的阈值高于三维图像中皮肤组织的灰度值，低于标记点的灰度值。

S3对包含标记点及人体骨骼的图像进行连通区域标记，并计算每个连通区域所含体素数目；

S4根据标记点的体积和S2三维图像中体素的间隔计算三维图像中每个标记点所含体素的数目，设定体素数目筛选范围，本实施例设定体素数目筛选范围为2500-3500，标记点在不同的阈值范围处理下，分割结果不同，所以所含体素数目也不同，且不同层厚的CT图像，标记点所含体素数目也不同，因此该筛选范围只适用于本实施例；根据S3计算结果，提取处于筛选范围内的连通区域，初步滤除S2三维图像中的非标记点成分，得到所有的标记点和少量体素数目和标记点结构相当的成分；

S5根据标记点尺寸设定连通区域内两个体素最大间距的范围，计算标记点突起顶端到底座底面的边缘处的距离D，本实施例中D为

$D=\sqrt{{(12.2+7)}^2+8^2}$

设定连通区域两个体素最大间距的范围16-20mm，计算三维图像中每个连通区域两个体素最大间距，保留最大间距在最大间距范围内的连通区域，精确滤除非标记点成分，得到仅含有标记点结构的三维图像，然后进一步确定标记点结构的三维坐标。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于光学手术导航系统的标记点，所述标记点与发光球配套使用，其特征在于，包括底座及位于底座上表面的突起，所述发光球内部具有凹槽，所述突起的形状与发光球的凹槽相对应，且嵌入凹槽，所述底座及突起为一体成形结构，且突起与底座关于同一竖直轴线对称。

2.根据权利要求1所述的标记点，其特征在于，所述标记点由聚氯乙烯制成。

3.根据权利要求1所述的标记点，其特征在于，所述底座为圆柱体结构。

4.根据权利要求1所述的标记点，其特征在于，所述底座底部设置粘帖装置。

5.根据权利要求1-4任一项所述一种用于光学手术导航系统的标记点的图像提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1获取包含标记点的CT图像序列，构建三维图像；

S2对三维图像滤波，再利用阈值分割进行处理，得到包含标记点及人体骨骼的三维图像；

S3对包含标记点及人体骨骼的图像进行连通区域标记，并计算每个连通区域所含体素数目；

S4根据标记点的体积和S2三维图像中体素的间隔计算三维图像中标记点所含体素的数目，设定体素数目筛选范围，根据S3计算结果，提取处于筛选范围内的连通区域，初步滤除S2三维图像中的非标记点成分，得到所有的标记点和少量体素数目与标记点相当的成分；

S5根据标记点尺寸设定连通区域内两个体素最大间距的范围，计算S4初步滤除后得到三维图像中每个连通区域内两个体素间的最大间距，保留最大间距在最大间距范围内的连通区域，精确滤除非标记点成分，得到仅含有标记点的三维图像，进一步确定标记点的三维坐标。

6.根据权利要求5所述的图像提取方法，其特征在于，所述标记点尺寸具体为标记点突起顶端到底座底面边缘处的距离。

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