CN103976756A - 一种脊柱后路手术术中实时三维重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脊柱后路手术术中实时三维重构方法，通过X光片对脊柱的每一节段进行分割，与CT构建的3D模型的相应每一节段进行匹配，并估计刚体变换，从而得到配准结果；在此基础上，对脊柱整体进行拼合，重建出病人在手术台上的实时三维脊柱形态，为手术导航及评估奠定了基础。本发明的方法简单，利用脊柱节段属于刚体，而整个脊柱属于非刚体，通过节段刚体的2D/3D影像配准，实现非刚体关节脊柱的实时三维重构；可为手术导航及术中校正提供数据支持，从而保证手术的成功率。
Description
技术领域
本发明属于临床医学技术领域，尤其涉及一种脊柱后路手术术中实时三维重构方法。
背景技术
腰部疾病其病因多源于脊柱病变，美国NIH统计：美国每年脊柱手术量超过100万例，其中腰椎手术超过25万例，治疗费用近60亿美元，我国脊柱病变患者数量比欧美国家更多，施行脊柱手术是他们中大多数患者的首选治疗方案。
在所有脊椎节段中，枢椎被认为是较难实施椎弓根螺钉置入的节段之一，主要与下列因素有关系：
①枢椎椎弓根的宽度和高度均较小，置钉难度大；
②枢椎椎弓根周围重要结构多，一旦损伤，后果严重；
③由于椎动脉孔解剖变异的存在，枢椎椎弓根的解剖结构不同于普通颈椎，存在一定的特殊性；
以上三种原因中，尤其是最后一种，可能是导致枢椎椎弓根置钉较难掌握的重要原因。
手术导航技术起源于神经外科，目前已广泛应用于脊柱外科、耳鼻喉科、整形外科等领域，由于脊柱外科手术中病例较多且风险较大，因此导航技术的应用最为迫切与广泛，目前国内外脊柱后路导航的方法有以下几种：1.传统透视方法，现应用广泛，缺点：定位精确性不高，2.Iso-C臂术中三维导航，影像数据由C型臂X线机在术中即时影像三维重建获取，3.将术前螺旋CT检查所获得数据输入计算机导航系统，在导航系统三维影像引导下进行手术，4.目标跟踪的三维图像导航系统，5.在手术室安装专用的CT设备导航，其缺点是需要在手术室专门配备CT设备，需要特制的手术床，花费大等问题，6.首先获得三维旋转X线图像，再将获得MRI，将前者注册于后者，进行图像处理及导航，是既适于骨又适于软组织的手术导航，然而，设备的昂贵严重影响本法的普及和推广，7.机器人辅助导航，
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种脊柱后路手术术中实时三维重构方法，旨在解决现有的X射线透视图像空间位置表达有局限性，且有受辐射危险的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种脊柱后路手术术中实时三维重构方法，该脊柱后路手术术中实时三维重构方法包括：
步骤一，系统参数标定，实现C臂X射线机与CT设备坐标参数的统一，使病人经过两者成像后的结果，在系统中处于统一坐标系中；
步骤二，获取的术中正侧位X片与术前CT序列片，分别把它们转换至各自相应的立体坐标系下，最后通过欧拉转换方法把它们统一到同一坐标系下；
步骤三，术前CT的脊柱三维重建及椎节标定；通过对CT断层图像中脊柱特征及CT片中高亮度信号进行提取，分割获取脊柱断层图片，进行三维重建，获取脊柱的三维点云数据；通过三维点云数据，进行网格面片的构建，而后进行三维模型重构与渲染，获得脊柱三维模型；
步骤四，二维X片脊柱与3D脊柱模型的椎节对应；根据术中正侧位X片脊椎与3D脊柱模型的的图像特征与医学特征共同确定椎节对应关系；
步骤五，术中脊柱的准实时三维重构；根据术中正侧位X片脊椎与3D脊柱模型的图像特征，通过每一单个椎体阶段的2D-3D配准，准实时的三维重构病人术中三维脊柱形态。
进一步，步骤三的具体方法：
第一步，对于CT断层图像，通过阈值法，提取高亮度骨质图像数据；
第二步，通过CT图像序列获取的序列骨质图像数据，根据CT图像的像素大小、层厚与层扫间距，构建真实的人体骨骼三维点云；
第三步，病人脊柱三维模型的分离与椎节的标定，病人骨骼三维点云数据中包含了脊柱的三维点云数据，可在第二步中进行分离，但为获得有序标识椎体节段的脊柱模型，把脊柱三维模型的分离与椎节标定同时进行；首先，通过CT图像序列中的骨质图像数据，根据人体医学盆骨、肋骨及肩锁骨特征，在病人骨质三维点云数据获取盆骨与肋骨位置；下一步，根据盆骨与腰椎在人体骨骼医学中关系，判断腰椎节段，进行标定并分离盆骨与椎体点云数据；然后，根据肋骨与胸椎在人体骨骼医学中关系，判断胸椎节段，进行标定并分离肋骨与椎体点云数据；再后，根据肩锁骨与颈椎在人体骨骼医学中关系，判断颈椎节段，进行标定并分离肩锁骨与椎体点云数据；最后，建立有序标识椎体节段的脊柱三维点云数据；
第四步，提取三维点云的表面点云数据，利用转球网格重构法对表面点云数据进行网格面片重构，并渲染获取病人骨骼三维模型。
进一步，步骤四的具体方法：
第一步，通过canny边缘提取方法，提取正侧位X片中脊柱椎体阶段及盆骨边缘；
第二步，根据盆骨与脊柱较大差异的圆弧与尺寸特征，获取盆骨位置，从而确定腰椎节段，建立并标记脊柱椎体序列；
第三步，为进一步确认椎体阶段的正确性，根据X片图像中椎体节段的弯曲程度和椎体尺寸，与3D模型对应角度的椎体节段投影成像，进行匹配与对应，复合二维椎体与三维椎体的对应性。
进一步，步骤五的具体方法：
第一步，通过canny边缘提取算法，提取椎体节段正侧位X片边缘特征点；
第二步，选择固定3D脊柱模型姿态的某一横滚角，通过canny边缘提取算法，提取3D脊柱模型正侧位投影图像边缘特征点；
第三步，利用ICP算法，分别对此时固定横滚角的3D脊柱模型节段正侧位投影边缘点与正侧位X片节段边缘点进行配准，从而估计X片中脊柱姿态的方位角及俯仰角，并计算误差；
第四步，重复第二步和第三步，直到误差满足实际手术精度；
第五步，根据脊柱椎体每一节段的配准结果，调整病人3D脊柱每一阶段模型，从而准实时重构，病人术中三维脊柱模型。
本发明提供的脊柱后路手术术中实时三维重构方法，通过X光片对脊柱的每一节段进行分割，与CT构建的3D模型的相应每一节段进行匹配，并估计刚体变换，从而得到配准结果；在此基础上，对脊柱整体进行拼合，重建出病人在手术台上的实时三维脊柱形态。本发明的方法简单，利用脊柱节段属于刚体，而整个脊柱属于非刚体，非刚体关节目标的2D/3D影像配准；通过2D影像估计椎弓根螺钉的3D位置，并重构手术置钉后病人脊柱的3D形态；保证了手术的成功率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的脊柱后路手术术中实时三维重构方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的脊柱后路手术术中实时三维重构方法包括以下步骤：
S101：系统参数标定，实现C臂X射线机与CT设备坐标参数的统一，使病人经过两者成像后的结果，在系统中处于统一坐标系中；
S102：获取的术中正侧位X片与术前CT序列片，分别把它们转换至各自相应的立体坐标系下，最后通过欧拉转换方法把它们统一到同一坐标系下；
S103：通过对CT断层图像中脊柱特征及CT片中高亮度信号进行提取，分割获取脊柱断层图片，进行三维重建，获取脊柱的三维点云数据；
S104：通过三维点云数据，进行网格面片的构建，而后进行三维模型重构与渲染，获得脊柱三维模型；
S105：根据X片中与3D模型中的图像特征确定对应，通过弯曲程度和椎体尺寸；对应X片椎体与模型椎体的空间变换，实现对术中的病人脊柱实时的三维重构；
本发明的具体步骤如下：
第一步，系统参数标定：
系统参数标定主要是实现C臂X射线机与CT设备坐标参数的统一，使病人经过两者成像后的结果，在系统中处于统一坐标系中。从而在较大程度上减小尺度、仿射等形变，为后续2D/3D配准奠定基础；
第二步，获取的术中正侧位X片与术前CT序列片，分别把它们转换至各自相应的立体坐标系下(XlYlZl)与(X2Y222)；最后通过欧拉转换方法把它们统一到同一坐标系O-XYZ下；
第三步，通过对CT断层图像中脊柱特征(及CT片中高亮度信号)进行提取，分割获取脊柱断层图片(图片中只包含脊柱)，在此基础上进行三维重建，获取脊柱的三维点云数据；
第四步，通过三维点云数据，进行网格面片的构建，而后进行三维模型重构与渲染，获得脊柱三维模型；
第五步，根据X片中与3D模型中的图像特征确定对应，通过弯曲程度和椎体尺寸；对应X片椎体与模型椎体的空间变换，实现对术中的病人脊柱实时的三维重构。
结合本发明的具体实施例对本发明的效果做进一步的说明：
实施例1：
步骤一，系统参数标定，实现C臂X射线机与CT设备坐标参数的统一，使病人经过两者成像后的结果，在系统中处于统一坐标系中；
步骤二，获取的术中正侧位X片与术前CT序列片，分别把它们转换至各自相应的立体坐标系下，最后通过欧拉转换方法把它们统一到同一坐标系下；
步骤三，术前CT的脊柱三维重建及椎节标定。通过对CT断层图像中脊柱特征及CT片中高亮度信号进行提取，分割获取脊柱断层图片，进行三维重建，获取脊柱的三维点云数据；通过三维点云数据，进行网格面片的构建，而后进行三维模型重构与渲染，获得脊柱三维模型；具体方法：
A、对于CT断层图像，通过阈值法，提取高亮度骨质图像数据；
B、通过CT图像序列获取的序列骨质图像数据，根据CT图像的像素大小、层厚与层扫间距，构建真实的人体骨骼三维点云；
C、病人脊柱三维模型的分离与椎节的标定。病人骨骼三维点云数据中包含了其脊柱的三维点云数据，可在前述第B步中进行分离。但为获得有序标识椎体节段的脊柱模型，把脊柱三维模型的分离与椎节标定同时进行。首先，通过CT图像序列中的骨质图像数据，根据人体医学盆骨、肋骨及肩锁骨特征，在病人骨质三维点云数据获取盆骨与肋骨位置；下一步，根据盆骨与腰椎在人体骨骼医学中关系，判断腰椎节段，进行标定并分离盆骨与椎体点云数据；然后，根据肋骨与胸椎在人体骨骼医学中关系，判断胸椎节段，进行标定并分离肋骨与椎体点云数据；再后，根据肩锁骨与颈椎在人体骨骼医学中关系，判断颈椎节段，进行标定并分离肩锁骨与椎体点云数据；最后，建立有序标识椎体节段的脊柱三维点云数据；
D、提取三维点云的表面点云数据，利用转球网格重构法对表面点云数据进行网格面片重构，并渲染获取病人骨骼三维模型；
步骤四，二维X片脊柱与3D脊柱模型的椎节对应。根据术中置钉后正侧位X片脊椎与3D脊柱模型的的图像特征与医学特征共同确定椎节对应关系，具体方法：
A、通过canny边缘提取方法，提取正侧位X片中脊柱椎体阶段及盆骨边缘；
B、根据盆骨与脊柱较大差异的圆弧与尺寸特征，获取盆骨位置，从而确定腰椎节段，建立并标记脊柱椎体序列；
C、为进一步确认椎体阶段的正确性，根据X片图像中椎体节段的弯曲程度和椎体尺寸，与3D模型对应角度的椎体节段投影成像，进行匹配与对应，复合二维椎体与三维椎体的对应性；
步骤五，术中脊柱的准实时三维重构。根据术中置钉后正侧位X片脊椎与3D脊柱模型的图像特征，通过每一单个椎体阶段的2D-3D配准，准实时的三维重构病人术中三维脊柱形态，具体方法：
A、通过canny边缘提取算法，提取椎体节段正侧位X片边缘特征点；
B、选择固定3D脊柱模型姿态的某一横滚角，通过canny边缘提取算法，提取3D脊柱模型正侧位投影图像边缘特征点；
C、利用ICP算法，分别对此时固定横滚角的3D脊柱模型节段正侧位投影边缘点与正侧位X片节段边缘点进行配准，从而估计X片中(实际病人)脊柱姿态的方位角及俯仰角，并计算误差；
D、重复步骤五中B、C，直到误差满足实际手术精度；
E、根据脊柱椎体每一节段的配准结果，调整病人3D脊柱每一阶段模型，从而准实时重构，病人术中三维脊柱模型。
本发明的方法简单，利用脊柱节段属于刚体，而整个脊柱属于非刚体，非刚体关节目标的2D/3D影像配准；通过2D影像估计椎弓根螺钉的3D位置，并重构手术置钉后病人脊柱的3D形态；较好地解决了现有的脊柱后路手术术中缺少实时的导航指导，没有对手术中存在的危险进行提前预警方法的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种脊柱后路手术术中实时三维重构方法，其特征在于，该脊柱后路手术术中实时三维重构方法包括：
步骤一，系统参数标定，实现C臂X射线机与CT设备坐标参数的统一，使病人经过两者成像后的结果，在系统中处于统一坐标系中；
步骤二，获取的术中正侧位X片与术前CT序列片，分别把它们转换至各自相应的立体坐标系下，最后通过欧拉转换方法把它们统一到同一坐标系下；
步骤三，术前CT的脊柱三维重建及椎节标定；通过对CT断层图像中脊柱特征及CT片中高亮度信号进行提取，分割获取脊柱断层图片，进行三维重建，获取脊柱的三维点云数据；通过三维点云数据，进行网格面片的构建，而后进行三维模型重构与渲染，获得脊柱三维模型；
步骤四，二维X片脊柱与3D脊柱模型的椎节对应；根据术中置钉后正侧位X片脊椎与3D脊柱模型的的图像特征与医学特征共同确定椎节对应关系；
步骤五，术中脊柱的准实时三维重构；根据术中置钉后正侧位X片脊椎与3D脊柱模型的图像特征，通过每一单个椎体阶段的2D-3D配准，准实时的三维重构病人术中三维脊柱形态。
2.如权利要求1所述的脊柱后路手术术中实时三维重构方法，其特征在于，该脊柱后路手术术中实时三维重构方法脊柱节段属于刚体，而整个脊柱属于非刚体，通过节段刚体的2D/3D影像配准，实现非刚体关节脊柱的实时三维重构。
3.如权利要求1所述的脊柱后路手术术中实时三维重构方法，其特征在于，步骤三的具体方法：
第一步，对于CT断层图像，通过阈值法，提取高亮度骨质图像数据；
第二步，通过CT图像序列获取的序列骨质图像数据，根据CT图像的像素大小、层厚与层扫间距，构建真实的人体骨骼三维点云；
第三步，病人脊柱三维模型的分离与椎节的标定，病人骨骼三维点云数据中包含了脊柱的三维点云数据，可在第二步中进行分离，但为获得有序标识椎体节段的脊柱模型，把脊柱三维模型的分离与椎节标定同时进行；首先，通过CT图像序列中的骨质图像数据，根据人体医学盆骨、肋骨及肩锁骨特征，在病人骨质三维点云数据获取盆骨与肋骨位置；下一步，根据盆骨与腰椎在人体骨骼医学中关系，判断腰椎节段，进行标定并分离盆骨与椎体点云数据；然后，根据肋骨与胸椎在人体骨骼医学中关系，判断胸椎节段，进行标定并分离肋骨与椎体点云数据；再后，根据肩锁骨与颈椎在人体骨骼医学中关系，判断颈椎节段，进行标定并分离肩锁骨与椎体点云数据；最后，建立有序标识椎体节段的脊柱三维点云数据；
第四步，提取三维点云的表面点云数据，利用转球网格重构法对表面点云数据进行网格面片重构，并渲染获取病人骨骼三维模型。
4.如权利要求1所述的脊柱后路手术术中实时三维重构方法，其特征在于，步骤四的具体方法：
第一步，通过canny边缘提取方法，提取正侧位X片中脊柱椎体阶段及盆骨边缘；
第二步，根据盆骨与脊柱较大差异的圆弧与尺寸特征，获取盆骨位置，从而确定腰椎节段，建立并标记脊柱椎体序列；
第三步，为进一步确认椎体阶段的正确性，根据X片图像中椎体节段的弯曲程度和椎体尺寸，与3D模型对应角度的椎体节段投影成像，进行匹配与对应，复核二维椎体与三维椎体的对应性。
5.如权利要求1所述的脊柱后路手术术中实时三维重构方法，其特征在于，步骤五的具体方法：
第一步，通过canny边缘提取算法，提取椎体节段正侧位X片边缘特征点；
第二步，选择固定3D脊柱模型姿态的某一横滚角，通过canny边缘提取算法，提取3D脊柱模型正侧位投影图像边缘特征点；
第三步，利用ICP算法，分别对此时固定横滚角的3D脊柱模型节段正侧位投影边缘点与正侧位X片节段边缘点进行配准，从而估计X片中脊柱姿态的方位角及俯仰角，并计算误差；
第四步，重复第二步和第三步，直到误差满足实际手术精度；
第五步，根据脊柱椎体每一节段的配准结果，调整病人3D脊柱每一阶段模型，从而准实时重构，病人术中三维脊柱模型。
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