CN105997246A - 用于三维骨科手术导航的配准方法及系统 - Google Patents
用于三维骨科手术导航的配准方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种用于三维骨科手术导航的配准方法及系统；解决的技术问题为：提供一种操作简单方便，配准速度较快的用于三维骨科手术导航的配准方法及系统；采用的技术方案为：用于三维骨科手术导航的配准方法，包括步骤：采集模体上标志点的图像坐标；确定C型臂空间运动轨迹与模体上标志点空间坐标之间的转换关系；采集C型臂的空间运动轨迹；根据C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，以及采集到的C型臂的空间运动轨迹，计算出模体上标志点的空间坐标；将模体上标志点的图像坐标和模体上标志点的空间坐标进行配准；适用于医疗器械领域。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种用于三维骨科手术导航的配准方法及系统。
背景技术
三维骨科手术导航系统因其可以在术中实时观察手术器械位置的特性而在临床上应用越来越广泛，其原理是以患者的术中三维C臂影像学资料为数据源建立图像坐标系，以定位系统为数据源建立空间坐标系，通过计算两个坐标系的转换关系实现由空间坐标系向图像坐标系的转换，即配准，从而达到在手术中实时跟踪获取手术器械的目的。
配准是三维骨科手术导航使用过程中必不可少的关键步骤，传统的配准方法多以贴标志点的方式来完成，术前在患者手术部位贴一定数量的标志点，对患者进行图像扫描，三维重建后提取标志点的图像坐标点集，术中在定位系统下获取病人头部的标志点的空间坐标点集，通过最小二乘法计算这两个点集的转换矩阵，完成配准。但是，使用标志点的配准方法，要求病人在手术前进行专门的准备，在术中也需要对标志点进行一个个的标定，这就大大增加了患者手术的时间和复杂度，不利于紧急情况下的手术实施。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种操作简单方便，配准速度较快的用于三维骨科手术导航的配准方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：用于三维骨科手术导航的配准方法，包括步骤：S101、采集手术前模体上标志点的图像坐标；S102、确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系；S103、采集手术中C型臂的空间运动轨迹；S104、根据手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，以及采集到的手术中C型臂的空间运动轨迹，计算出手术中模体上标志点的空间坐标；S105：将手术前模体上标志点的图像坐标和手术中模体上标志点的空间坐标进行配准。
优选地，所述确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，包括：获取手术前模体上标志点的空间坐标；采集手术前C型臂的空间运动轨迹；建立手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
优选地，所述获取手术前模体上标志点的空间坐标，包括：检测手术前模体跟踪器的坐标；根据手术前模体跟踪器坐标与手术前模体上标志点的空间坐标之间的关系，计算出手术前模体上标志点的空间坐标。
优选地，所述采集手术前模体上标志点的图像坐标之后，还包括：保存手术前模体上标志点的图像坐标；所述确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系之后，还包括：保存手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
优选地，所述采集手术前模体上标志点的图像坐标之前，还包括：观察模体上的标志点是否全部在成像区域内，如果有的标志点超出了成像区域，则调整模体的位置。
用于三维骨科手术导航的配准系统，包括：第一采集模块：用于采集手术前模体上标志点的图像坐标；确定模块：用于确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标系之间的转换关系；C型臂跟踪器：用于采集手术中C型臂的空间运动轨迹；第一计算模块：用于根据手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，以及采集到的手术中C型臂的空间运动轨迹，计算出手术中模体上标志点的空间坐标；配准模块：用于将手术前模体上标志点的图像坐标和手术中模体上标志点的空间坐标进行配准。
优选地，所述确定模块包括：获取模块：用于模体跟踪器获取手术前模体上标志点的空间坐标；第二采集模块：用于采集手术前C型臂的空间运动轨迹；建立模块：用于建立手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
优选地，所述获取模块包括：检测模块：用于检测手术前模体跟踪器的坐标；第二计算模块：用于根据手术前模体跟踪器坐标与手术前模体上标志点的空间坐标之间的关系，计算出手术前模体上标志点的空间坐标。
优选地，所述配准系统还包括：第一存储模块：用于保存手术前模体上标志点的图像坐标；第二存储模块：用于保存手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
优选地，所述配准系统还包括：校正模块：用于观察模体上的标志点是否全部在成像区域内，如果有的标志点超出了成像区域，则调整模体的位置。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明中，为了减小射线对人体的伤害，用模体代替人体来进行配准工作，手术前，在模体上设置标志点，首先采集模体上标志点的图像坐标，然后确定C型臂空间运动轨迹与模体上标志点空间坐标之间的转换关系，由于该转换关系是确定的，手术中，只需要采集C型臂的空间运动轨迹，即可通过上述转换关系计算出模体上标志点的空间坐标，利用SVD算法，即可完成模体上标志点的空间坐标和模体上标志点的图像坐标之间的配准。本发明中的配准，采用模体代替病人，无需病人在手术前进行专门的准备，在手术中也无需在病人身上进行标志点的标定，只需采集C型臂的空间运动轨迹即可完成整个配准过程，操作简单方便，配准速度较快。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；
图1为本发明第一实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准方法流程示意图；
图2为本发明第一实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准系统结构示意图；
图3为本发明第二实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准系统结构示意图；
图4为本发明第三实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准系统结构示意图；
图中：11为第一采集模块，12为确定模块，121为获取模块，1211为检测模块，1212为第二计算模块，122为第二采集模块，123为建立模块，13为C型臂跟踪器，14为第一计算模块，15为配准模块，16为第一存储模块，17为第二存储模块，18为校正模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明第一实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准方法流程示意图，如图1所示，用于三维骨科手术导航的配准方法，可包括步骤：
S101、采集手术前模体上标志点的图像坐标。
S102、确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
S103、采集手术中C型臂的空间运动轨迹。
S104、根据手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，以及采集到的手术中C型臂的空间运动轨迹，计算出手术中模体上标志点的空间坐标。
S105：将手术前模体上标志点的图像坐标和手术中模体上标志点的空间坐标进行配准。
具体地，本实施例中模体上的标志点可在X光下清晰地显影，并且所有的标志点不在同一平面内。
进一步地，步骤S102具体可包括以下步骤：
获取手术前模体上标志点的空间坐标。
采集手术前C型臂的空间运动轨迹。
建立手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
进一步地，所述获取手术前模体上标志点的空间坐标可包括以下步骤：
检测手术前模体跟踪器的坐标。
根据手术前模体跟踪器坐标与手术前模体上标志点的空间坐标之间的关系，计算出手术前模体上标志点的空间坐标。
本实施例中，模体跟踪器坐标与模体上标志点的空间坐标之间的关系是提前标定好的，因此在实际应用过程中，只需检测到模体跟踪器坐标即可计算出模体上标志点的空间坐标。
进一步地，步骤S101之后，还可包括以下步骤：保存手术前模体上标志点的图像坐标。
进一步地，步骤S102之后，还可包括以下步骤：保存手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
进一步地，步骤S101之前，还可包括以下步骤：观察模体上的标志点是否全部在成像区域内，如果有的标志点超出了成像区域，则调整模体的位置。
进一步地，步骤S105之前，还可包括以下步骤：通过识别算法自动识别出手术前模体上标志点的图像坐标。
本实施例中，为了减小射线对人体的伤害，用模体代替人体来进行配准工作，手术前，在模体上设置标志点，首先采集模体上标志点的图像坐标，然后确定C型臂空间运动轨迹与模体上标志点空间坐标之间的转换关系，由于该转换关系是确定的，手术中，只需要采集C型臂的空间运动轨迹，即可通过上述转换关系计算出模体上标志点的空间坐标，利用SVD算法，即可完成模体上标志点的空间坐标和模体上标志点的图像坐标之间的配准。本发明中的配准，采用模体代替病人，无需病人在手术前进行专门的准备，在手术中也无需在病人身上进行标志点的标定，只需采集C型臂的空间运动轨迹即可完成整个配准过程，操作简单方便，配准速度较快。
图2为本发明第一实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准系统结构示意图，如图2所示，用于三维骨科手术导航的配准系统，可包括：
第一采集模块11：用于采集手术前模体上标志点的图像坐标。
确定模块12：用于确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标系之间的转换关系。
C型臂跟踪器13：用于采集手术中C型臂的空间运动轨迹。
第一计算模块14：用于根据手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，以及采集到的手术中C型臂的空间运动轨迹，计算出手术中模体上标志点的空间坐标。
配准模块15：用于将手术前模体上标志点的图像坐标和手术中模体上标志点的空间坐标进行配准。
具体地，本实施例中的C型臂跟踪器13是一种跟踪C臂影像增强器运动轨迹的光学跟踪定位装置，又称靶罩，在C臂影像增强器运动的过程中，每个位置和角度，靶罩都有相应的几何平面与定位系统正对。
具体地，本实施例中的定位系统可为红外光学传感器。
进一步地，所述配准系统还可包括：
第一存储模块16：用于保存手术前模体上标志点的图像坐标。
第二存储模块17：用于保存手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
进一步地，所述配准系统还可包括：
校正模块18：用于观察模体上的标志点是否全部在成像区域内，如果有的标志点超出了成像区域，则调整模体的位置。
图3为本发明第二实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准系统结构示意图，如图3所示，在图2所示实施例的基础上，所述确定模块12可包括：
获取模块121：用于模体跟踪器获取手术前模体上标志点的空间坐标。
第二采集模块122：用于采集手术前C型臂的空间运动轨迹。
建立模块123：用于建立手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
具体地，所述第二采集模块122也可为C型臂跟踪器13。
图4为本发明第三实施例提供的用于三维骨科手术导航的配准系统结构示意图，如图4所示，在图3所示实施例的基础上，所述获取模块121可包括：
检测模块1211：用于检测手术前模体跟踪器的坐标。
第二计算模块1212：用于根据手术前模体跟踪器坐标与手术前模体上标志点的空间坐标之间的关系，计算出手术前模体上标志点的空间坐标。
具体地，本实施例中，所述检测模块1211可为设置在所述模体跟踪器上的光学跟踪定位小球，小球组成特定的几何形状，定位系统能够根据该特定几何形状，判断观察到工具类型，以此检测到模体跟踪器的坐标。
具体地，本实施例中的定位系统也可为红外光学传感器。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.用于三维骨科手术导航的配准方法，其特征在于：包括步骤：
S101、采集手术前模体上标志点的图像坐标；
S102、确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系；
S103、采集手术中C型臂的空间运动轨迹；
S104、根据手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，以及采集到的手术中C型臂的空间运动轨迹，计算出手术中模体上标志点的空间坐标；
S105：将手术前模体上标志点的图像坐标和手术中模体上标志点的空间坐标进行配准。
2.根据权利要求1所述的用于三维骨科手术导航的配准方法，其特征在于：所述确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，包括：
获取手术前模体上标志点的空间坐标；
采集手术前C型臂的空间运动轨迹；
建立手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
3.根据权利要求2所述的用于三维骨科手术导航的配准方法，其特征在于：所述获取手术前模体上标志点的空间坐标，包括：
检测手术前模体跟踪器的坐标；
根据手术前模体跟踪器坐标与手术前模体上标志点的空间坐标之间的关系，计算出手术前模体上标志点的空间坐标。
4.根据权利要求1所述的用于三维骨科手术导航的配准方法，其特征在于：所述采集手术前模体上标志点的图像坐标之后，还包括：
保存手术前模体上标志点的图像坐标；
所述确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系之后，还包括：
保存手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
5.根据权利要求1所述的用于三维骨科手术导航的配准方法，其特征在于：所述采集手术前模体上标志点的图像坐标之前，还包括：
观察模体上的标志点是否全部在成像区域内，如果有的标志点超出了成像区域，则调整模体的位置。
6.用于三维骨科手术导航的配准系统，其特征在于：包括：
第一采集模块(11)：用于采集手术前模体上标志点的图像坐标；
确定模块(12)：用于确定手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标系之间的转换关系；
C型臂跟踪器(13)：用于采集手术中C型臂的空间运动轨迹；
第一计算模块(14)：用于根据手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系，以及采集到的手术中C型臂的空间运动轨迹，计算出手术中模体上标志点的空间坐标；
配准模块(15)：用于将手术前模体上标志点的图像坐标和手术中模体上标志点的空间坐标进行配准。
7.根据权利要求6所述的用于三维骨科手术导航的配准系统，其特征在于：所述确定模块(12)包括：
获取模块(121)：用于模体跟踪器获取手术前模体上标志点的空间坐标；
第二采集模块(122)：用于采集手术前C型臂的空间运动轨迹；
建立模块(123)：用于建立手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
8.根据权利要求7所述的用于三维骨科手术导航的配准系统，其特征在于：所述获取模块(121)包括：
检测模块(1211)：用于检测手术前模体跟踪器的坐标；
第二计算模块(1212)：用于根据手术前模体跟踪器坐标与手术前模体上标志点的空间坐标之间的关系，计算出手术前模体上标志点的空间坐标。
9.根据权利要求6所述的用于三维骨科手术导航的配准系统，其特征在于：所述配准系统还包括：
第一存储模块(16)：用于保存手术前模体上标志点的图像坐标；
第二存储模块(17)：用于保存手术前C型臂空间运动轨迹与手术前模体上标志点空间坐标之间的转换关系。
10.根据权利要求6所述的用于三维骨科手术导航的配准系统，其特征在于：所述配准系统还包括：
校正模块(18)：用于观察模体上的标志点是否全部在成像区域内，如果有的标志点超出了成像区域，则调整模体的位置。
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