CN105055022B - 一种手术导航通用标记结构及其图像位置获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术导航通用标记结构及其图像位置获取方法，所述标记结构包括：基座、球帽和球杆体；所述基座由一体成形工艺制造而成；球帽外表面和基座半球体外表面都涂有反光层，球帽和基座的空心半球体通过内外螺纹进行配合；所述标记结构基座和球帽都由具有高于皮肤CT值的材料制作而成，能被CT成像设备扫描成像；所述球杆体放置于基座内，所述球杆体内填充有溶液，在MRI成像设备下扫描成像；所述球杆体在拧动球帽后，可放置至标记结构内部或取出；所述涂有反光层的球帽和基座的空心半球体被光学导航系统跟踪识别。具有降低了标记结构的人工定位误差，提高了手术导航系统的导航精度等优点。

Description

一种手术导航通用标记结构及其图像位置获取方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助手术导航研究领域，具体是一种手术导航通用标记结构及其图像位置获取方法。

背景技术

手术导航技术近年来得到了快速的发展，逐渐用于神经外科、口腔颌面外科、骨科等手术中。手术导航技术是将三维空间定位技术、医学图像重建可视化和临床手术结合，使用定位仪器对手术器械和病人进行实时跟踪定位，通过坐标系变换，将手术器械在病人的人体结构三维重建空间中实时显示，以辅助医生完成高精度的手术规划和手术操作。手术导航的注册过程是手术导航中关键的一个步骤，手术注册通常采用基于标记结构的注册方法。当前临床上常用的手术导航系统主要使用基于光学的手术导航技术，手术注册时，使用一个安装有三个以上反光球的注册器，通过注册器的尖端点取多个粘贴在病人身上的标记结构中心或解剖标记结构，同时在病人三维重建图像中的对应位置手动获取这些标记结构在图像空间的坐标，然后进行病人注册。

手术导航的导航精度受标记结构注册精度、定位系统和手术工具设计制造精度等因素的影响。其中注册精度是影响手术导航精度的一个主要因素。当前临床上通用的手动定位标记结构注册方法受人工操作的个体差异性影响，难以控制最终的注册精度，通常为了获取满足手术需求的导航精度，需要耗费较长的时间进行多次标记结构定位和注册，大大延长了手术的时间，增加了医生的负担和手术风险，同时也降低了手术的效率。自动获取标记结构坐标是解决手工获取标记结构坐标的一种可行方法，但现在的临床上使用的粘贴标记结构和解剖标记结构难以实现自动定位。另外，对于不同的成像设备，由于其成像原理不同，能够被一种成像设备识别的标记结构却不能为另外一种成像设备所识别，因而需要为每种成像设备定制标记结构，导致标记结构种类繁多，为临床上的使用带来不便。

为了解决当前标记结构定位存在的问题，本发明设计一种的手术导航通用标记结构，能够在图像空间和实际空间进行自动定位，从而消除手动定位的个体差异性，提高了手术注册的精度。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种手术导航通用标记结构，该手术导航通用标记结构是基于标记结构的制作材料和标记结构的几何结构，实现了自动获取标记结构的图像空间位置。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种获取所述的手术导航通用标记结构的图像位置获取方法，该图像位置获取方法是一种用于手术导航，并同时用于CT和MRI成像设备的图像位置获取方法。

本发明的首要目的通过以下的技术方案实现：一种手术导航通用标记结构，该标记结构能够被CT/MRI设备扫描成像，并且能够使用定位算法进行自动定位，主要包括：基座、球帽和球杆体，所述基座具有依次连接的空心半球体和圆柱体底座；所述球杆体放置于基座内；所述球帽下部的内侧具有内螺纹；所述基座上部的外侧具有外螺纹；所述内螺纹和外螺纹是相互配合的。

所述的基座和球帽都由具有高于皮肤CT值的材料制作而成，所述的基座和球帽都被CT成像设备扫描成像。

所述球杆体内填充有溶液，所述溶液被MRI成像设备扫描成像。

所述球帽外表面和基座的空心球体外表面都涂有反射近红外光的反光涂层，所述反光涂层被光学导航系统识别跟踪。

所述球帽为空心的半球体。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种获取所述的手术导航通用标记结构的图像位置获取方法，所述标记结构图像位置获取方法为自动获取标记结构球帽中心、基座中心及其对称轴，主要包括如下步骤：

1)将所述手术导航通用标记结构放置在需定位区域，获取CT或MRI设备扫描的图像序列，所述基座和球帽在CT设备下扫描成像，填充在所述球杆体内的溶液在MRI设备中扫描成像，然后对CT或MRI图像进行三维重建，形成三维重建模型；

2)对步骤1)的三维重建模型进行滤波去噪，然后根据设定的阈值分割滤波去噪后的三维重建模型；

3)计算步骤2)分割得到的每个连续子区域的体积，作为候选子区域，与标记结构的CAD模型体积进行比较，根据设置的阈值范围进行初步的筛选；

4)计算步骤3)筛选后得到的候选子区域的最长主轴，计算子区域的关于最长主轴的对称性，进行第二次的标记结构筛选；

5)使用主成分分析法计算步骤4)得到的候选子区域的三个相互正交的主轴，并计算候选子区域在三个相互正交的主轴上的投影范围，同时计算出标记结构CAD模型的主轴及标记结构CAD模型在三个相互正交的主轴上的投影范围，将候选子区域与标记结构CAD模型在三个相互正交的主轴上的投影范围进行比较，满足所设定阈值的子区域即为自动搜索找到的标记结构三维重建模型，并计算出每个标记结构的球帽中心和基座中心。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于采用特殊设计的标记结构，既可以被MRI扫描成像，也可以被CT扫描成像，无论是MRI图像还是CT图像，通过简单地图像处理可以将标记结构与人体的皮肤及其他组织区分开来，从而本发明中涉及到的标记结构可以同时适用于MRI和CT两种成像设备；

2、本发明设计的通用标记结构的球帽的反光涂层能够为光学导航系统识别跟踪，而在图像空间，本发明设计的图像位置获取方法基于标记结构的几何特征能够对标记结构的球帽中心进行准确地定位，通过图像灰度值的高对比度及标记结构的形状对其进行精确地自动定位，降低了标记结构的人工定位误差，提高了手术导航系统的导航精度。

3、本发明设计的标记结构能够方便地使用医用双面胶粘贴在人体皮肤表面，方便粘贴和摘除且对病人无伤害。本发明为可以用于使用不同医学成像设备的光学手术导航系统皮肤粘贴标记结构。

附图说明

图1a为手术导航通用标记结构的实施例1的爆炸图。

图1b为手术导航通用标记结构的实施例2的爆炸图。

图2a为手术导航通用标记结构的左视图。

图2b为手术导航通用标记结构的剖面图。

图2c为手术导航通用标记结构的基座与球帽结合处的局部放大图。

图中，10表示基座，11表示基座上部的外螺纹，20表示球杆体，30表示球帽，31表示球帽下部的内螺纹。

具体实施方式

为便于说明本发明于上述发明内容一栏中所表示的中心思想，兹以具体实施例表达。实施例中各种不同物件是按适于说明的比例、尺寸而描绘，而非按实际元件的比例予以绘制，事先叙明。且以下的说明中，类似的元件是以相同的编号来表示。请参阅图1和图2，本发明一种手术导航通用标记结构，包括：基座10、球杆体20、球帽30。各部件的组合及位置关系，详述如下：

实施例1

如图1a所示，基座10具有依次连接的空心半球体和圆柱体底座，所述基座10由一体成形制造工艺制造而成；球杆体20能够放置到基座上；基座10的圆柱体底座的下部实心圆柱体半径8mm，高为8mm；基座10的圆柱体底座的上部空心圆柱体外半径为2.5mm，内半径为1mm，高为6mm；球帽30外半径为6mm，内半径为5mm，球帽30和基座10通过外螺纹31和内螺纹11进行配合，球帽30外表面和基座10空心半球体外表面涂有一层反光层，具有较强反射近红外光的特性，能反射近红外光而为光学导航系统所识别跟踪。基座10与球帽30都由具有高于皮肤CT值的材料制作而成，能够被CT成像设备扫描成像，且没有伪影。如图2a、图2b和图2c所示，球杆体20的球体半径为5mm，圆柱杆体半径为1mm，高为5.4mm；球杆体20内部填充溶液，所填充的溶液在MRI成像设备下扫描成像。球杆体20在拧开球帽30后能够放置到标记结构的基座10上，拧上球帽30后便能将球杆体20固定在标记结构内部。

使用如下方法获取本发明标记结构在医学图像中的位置，包括以下步骤：

1)将所述手术导航通用标记结构放置在需定位区域，获取CT或MRI设备扫描的图像序列，所述基座10和球帽30在CT设备下扫描成像，填充在所述球杆体20内的溶液在MRI设备中扫描成像，然后对CT或MRI图像进行三维重建，形成三维重建模型；

2)将三维重建模型进行高斯滤波，然后根据设定的阈值对三维重建模型进行分割，得到i个连续子区域的集合{Q_i}₁；

3)计算{Q_i}₁中每个连续子区域的体积，并与标记结构的CAD模型体积M进行比较，根据预设的阈值T₁筛选出满足条件j个的子区域集合{Q_j}₂，作为候选的标记结构集合；

4)计算{Q_j}₂中每个子区域的最长主轴计算这些子区域的关于主轴的对称性，根据预设的阈值T₂剔除那些不满足条件的子区域，得到包含k个子区域的集合{Q_k}₂；

5)使用主成分分析法计算{Q_k}₃中每个子区域的三个相互正交的主轴 并计算它们在三个相互正交的主轴的投影范围[A_{k_min},A_{k_max}]、[B_{k_min},B_{k_max}]、[C_{k_min},C_{k_max}]，同时计算出标记结构CAD模型的三个相互正交的主轴及其在三个相互正交的主轴上的投影范围[A′_{k_min},A′_{k_max}]、[B′_{k_min},B′_{k_max}]、[C′_{k_min},C′_{k_max}]，将[A_{k_min},A_{k_max}]与[A′_{k_min},A′_{k_max}]、[B_{k_min},B_{k_max}]与[B′_{k_min},B′_{k_max}]、[C_{k_min},C_{k_max}]与[C′_{k_min},C′_{k_max}]的进行成对比较，满足预设阈值T₃的子区域集合{Q_d}₄即为最终自动搜索定位的标记结构三维重建模型，然后计算出每个标记结构的球帽30中心和基座10中心。

实施例2

本实施例除以下内容以外，同实施例1：

实施例2与实施例1的不同之处在于球杆体20的几何结构，如图1b所示：球杆体20为球体，球体半径为5mm；球杆体20能够放置到基座10上；球杆体20内部填充溶液，所填充的溶液在MRI成像设备下扫描成像。

虽然本发明是以最佳实施例做说明，但本领域技术人员能在不脱离本发明精神与范畴下做各种不同形式的改变。以上所举实施例仅用以说明本发明而已，非用以限制本发明的权利要求保护范围。举凡不违本发明精神所做出的种种修改或变化，俱属本发明权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于手术导航的通用标记结构，其特征在于，包括基座、球帽和球杆体，所述基座具有依次连接的空心半球体和圆柱体底座，所述基座由一体成形工艺制造而成；所述球杆体放置于基座内，所述球杆体内填充有溶液；所述球帽下部的内侧具有内螺纹；所述基座上部的外侧具有外螺纹；所述内螺纹和外螺纹是相互配合的；所述的基座和球帽都由具有高于皮肤CT值的材料制作而成，所述的基座和球帽用于CT成像设备扫描成像；所述球杆体中的溶液用于MRI成像设备扫描成像；球杆体在拧开球帽后能够放置到标记结构的基座上，拧上球帽后便能将球杆体固定在标记结构内部。

2.根据权利要求1所述的手术导航通用标记结构，其特征在于，所述球帽外表面和基座的空心球体外表面都涂有反射近红外光的反光涂层，所述反光涂层被光学导航系统识别跟踪。

3.根据权利要求1所述的手术导航通用标记结构，其特征在于，所述球帽为空心半球体，所述球帽的空心半球体的内直径与基座的空心半球体的内直径相等，所述圆柱体底座为空心圆柱体，所述球杆体具有相互连接的空心球体和圆柱体，所述空心球体外直径小于或等于基座的空心半球体内直径，所述球杆体的圆柱体外直径小于或等于基座的空心圆柱体内直径，所述基座的空心半球体的中心轴位置开有孔，所述孔的直径大于或等于球杆体的圆柱体外直径，所述球杆体的圆柱体通过孔伸入基座的空心圆柱体内。

4.一种获取根据权利要求1所述的手术导航通用标记结构的图像位置获取方法，所述标记结构图像位置获取方法为自动获取标记结构球帽中心、基座中心及其对称轴，其特征在于，包括如下步骤：

1)将所述手术导航通用标记结构放置在需定位区域，获取CT或MRI设备扫描的图像序列，所述基座和球帽在CT设备下扫描成像，填充在所述球杆体内的溶液在MRI设备中扫描成像，然后对CT或MRI图像进行三维重建，形成三维重建模型；

2)对步骤1)的三维重建模型进行滤波去噪然后根据设定的阈值分割滤波去噪后的三维重建模型；

3)计算步骤2)分割得到的每个连续子区域的体积，作为候选子区域，与标记结构的CAD模型体积进行比较，根据设置的阈值进行初步的筛选；

4)计算步骤3)筛选后得到的候选子区域的最长主轴，计算子区域的关于最长主轴的对称性，进行第二次的标记结构筛选；

5)使用主成分分析法计算步骤4)得到的候选子区域的三个相互正交的主轴，并计算候选子区域在三个相互正交的主轴上的投影范围，同时计算出标记结构CAD模型的主轴及标记结构CAD模型在三个相互正交的主轴上的投影范围，将候选子区域与标记结构CAD模型在三个相互正交的主轴上的投影范围进行比较，满足所设定阈值的子区域即为自动搜索找到的标记结构三维重建模型，并计算出每个标记结构的球帽中心和基座中心。