CN107578443B - 针刀显示方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针刀显示方法及装置。该方法包括：步骤1，基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体；步骤2，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准；步骤3，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像。本发明实现了在针刀手术过程中实时显示病变组织、其周围敏感组织和针刀的三维图像，以使手术实施者能够直观的了解它们的位置关系，避免因经验不足或对解剖结构不够熟悉导致患者手术后出现副作用，如并发症，或者不可逆的损伤，如肌腱断裂、神经损伤等。

Description

针刀显示方法及装置

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，更具体地，涉及针刀显示方法及装置。

背景技术

针刀是由金属材料制成的、在形状上似针又像刀一种针灸用具。针刀疗法则是一种介于手术方法和非手术疗法之间的闭合性松解术。在采用针刀疗法进行手术治疗时，实施手术者需基于对疾病状况的预估和对人体解剖结构的了解，将针刀刺入体内，通过剥离粘连、松解挛缩或降低软组织张力等方式实现治疗。作为中医学效果显著的外治法之一，针刀疗法在骨科临床中被广泛应用。

由于在采用针刀疗法的手术过程中，实施手术者无法直观观察针刀进入人体后的具体位置，因此，手术的安全和有效程度大大取决于实施手术者对疾病状况的经验判断和对人体解剖结构的熟悉程度。但在采用针刀疗法的实际治疗过程中，当实施手术者对疾病状况判断的经验不足或对人体解剖结构熟悉程度不够时，会导致患者手术后出现副作用，如并发症，或者不可逆的损伤，如肌腱断裂、神经损伤等。

发明内容

本发明提供一种针刀显示方法及装置，以克服现有技术中，实施手术者无法直观观察针刀进入人体后的具体位置，因而难以保证手术安全程度和有效程度的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种针刀显示方法，该方法包括：步骤1，基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体；步骤2，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准；步骤3，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像。

结合本发明第一种可能实现方式，在第二种可能实现方式中，所述步骤1之前还包括：在所述患者患病部位所述若干标记点处分别放置电极片；获取放置有电极片的所述患病部位的CT序列图像和MRI序列图像；所述CT序列图像和MRI序列图像分别包括所述若干标记点。

结合本发明第二种可能实现方式，在第三种可能实现方式中，所述步骤1具体包括：基于所述CT序列图像，获取CT三维结构体；基于所述MRI序列图像，获取MRI三维结构体；利用ICP算法，基于所述CT三维结构体和所述MRI三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第一转换矩阵，并利用所述第一转化矩阵将所述MRI三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换；基于经验阈值，对所述CT三维结构体进行阈值分割，获取所述病变组织三维结构体；基于选取的种子像素点，对所述MRI三维结构体采用区域生长法进行分割，获取所述周围敏感组织三维结构体；基于所述病变组织三维结构体的坐标和周围敏感组织三维结构体的转换后的坐标，获取目标三维结构体。

结合本发明第三种可能实现方式，在第四种可能实现方式中，所述步骤1还包括：对所述目标三维结构体中的病变组织和周围敏感组织分别设置不同的颜色和灯光进行渲染。

结合本发明第一种可能实现方式，在第五种可能实现方式中，所述步骤2具体包括：获取针刀刀尖的位姿信息；基于所述针刀刀尖的位姿信息，获取所述患者病变部位所述若干标记点的坐标；利用ICP算法，基于所述患者病变部位和所述目标三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第二转换矩阵，并利用所述第二转化矩阵将所述目标三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换。

结合本发明第一或第五种可能实现方式，在第六种可能实现方式中，所述获取针刀刀尖的位姿信息包括：基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取所述针刀刀尾当前的位姿信息；基于所述针刀刀尾的位姿信息和所述校准文件，获取所述针刀刀尖的位姿信息。

结合本发明第六种可能实现方式，在第七种可能实现方式中，在获取针刀刀尖的位姿信息之前还包括：基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取若干组所述针刀刀尾位姿信息；基于所述若干组所述针刀刀尾位姿信息，利用位姿校准软件，获取所述针刀的校准文件。

结合本发明第一或第五种可能实现方式，在第八种可能实现方式中，所述位姿信息为六自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度；其中，沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度为坐标信息。

结合本发明第一种可能实现方式，在第九种可能实现方式中，所述方法还包括：当所述针刀刀尖与所述周围敏感组织距离小于预设阈值时，发出警告信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种针刀显示装置。该装置包括：目标三维结构体获取单元、配准单元和显示单元；目标三维结构体获取单元，基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体；配准单元，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准；显示单元，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的针刀显示方法流程图；

图2为根据本发明一实施例的髋关节针刀手术中针刀显示的示意图；

图3为根据本发明一实施例的电磁定位跟踪系统的结构示意图；

图4为根据本发明一实施例的新型磁定位针刀的结构示意图；

图5为根据本发明一实施例的针刀显示装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为根据本发明一实施例的针刀显示方法流程图。如图1所示，该方法包括：步骤1，基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体；步骤2，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准；步骤3，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像。

在本实施例中，由于针刀疗法主要针对软组织损伤和骨关节损伤，因此，病变组织一般为软组织或骨关节。周围敏感组织一般为病变组织周围的血管、神经或肌腱等。由于通过CT三维图像能够有效地提取骨结构的三维图像，通过MRI三维图像能够有效地提取血管和神经等的三维图像，因此，本实施例基于CT序列图像和MRI序列图像获取目标三维结构体。目标三维结构体为由像素点构成的三维立体结构。目标三维结构体中的病变组织的显示，便于医生在手术过程中观察患病部位并在相应位置进行治疗操作；目标三维结构体中的周围敏感组织的显示，有利于医生在手术过程中避免误伤病变组织的周围敏感组织。

在本实施例中，在医生对患者进行针刀治疗时，位于手术台上的患者患病部位用于治疗的针刀的三维模型，根据针刀刀尖的位姿信息与目标三维结构体显示于同一软件中。为了保证位于手术台上的患者患病部位用于治疗的针刀和患者患病部位的位置关系与针刀的三维模型和目标三维结构体的位置关系一致，需将患者患病部位与目标三维结构体配准。

在本实施例中，在医生对患者进行针刀治疗的过程中，随着针刀在患者患病部的位姿变化，针刀的三维模型会根据当前的针刀刀尖的位姿信息在上述软件中重新显示当前的位姿。在本实施例中，针刀刀尖的位姿信息为针刀刀尖的坐标和方向，该信息包含了针刀刀尖当前的位置坐标和方向。基于针刀刀尖当前的位置坐标和方向，在目标三维结构体中显示针刀的三维模型，医生便可根据针刀的三维模型的位置和方向，调整针刀。

本发明提出的针刀显示方法及装置，通过基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像，实现了在针刀手术过程中实时显示病变组织、其周围敏感组织和针刀的三维图像，以使手术实施者能够直观的了解它们的位置关系，避免因经验不足或对解剖结构不够熟悉导致患者手术后出现副作用，如并发症，或者不可逆的损伤，如肌腱断裂、神经损伤等。

作为一种可选实施例，所述步骤1之前还包括：在所述患者患病部位所述若干标记点处分别放置电极片；获取放置有电极片的所述患病部位的CT序列图像和MRI序列图像；所述CT序列图像和MRI序列图像分别包括所述若干标记点。

在本实施例中，由于后续配准需要两个点集，因此，为了方便取点以及提高配准的重叠度，在获取CT序列图像和MRI序列图像时，采取了在所述患者患病部位所述若干标记点处分别放置电极片的方式。标记点可根据患病部位的结构特点进行选取。由于后续配准为三维结构间的配准，因此，需保证所述若干标记点不在同一平面内。

以髋关节为例，选取耻骨联合以及对称的大粗隆、髂前上棘和腹股沟，共七处作为标记点，在对应位置的皮肤表面放置电极片。

作为一种可选实施例，所述步骤1具体包括：基于所述CT序列图像，获取CT三维结构体；基于所述MRI序列图像，获取MRI三维结构体；利用ICP算法，基于所述CT三维结构体和所述MRI三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第一转换矩阵，并利用所述第一转化矩阵将所述MRI三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换；基于经验阈值，对所述CT三维结构体进行阈值分割，获取所述病变组织三维结构体；基于选取的种子像素点，对所述MRI三维结构体采用区域生长法进行分割，获取所述周围敏感组织三维结构体；基于所述病变组织三维结构体的坐标和周围敏感组织三维结构体的转换后的坐标，获取目标三维结构体。

在本实施例中，CT三维结构体为由CT序列图像顺次堆叠形成的由像素点构成的立体三维结构。MRI三维结构体为由MRI序列图像顺次堆叠形成的由像素点构成的立体三维结构。为使CT三维结构体与MRI三维结构体中形同组织的位置向对应，需将二者进行配准。以髋关节为例，若干标记点可以为CT三维结构体和MRI三维结构体中的耻骨联合以及对称的大粗隆、髂前上棘和腹股沟各点。

在本实施例中，阈值分割的阈值根据经验选取并根据分割效果对阈值进行微调以达到较佳的分割效果，此外，还可以根据图像灰度分布图确定阈值；区域生长法的种子像素可以根据对待提取目标的观察手动选取，生长规则可以根据实际情况确定，例如可以为灰度值相似规则，本实施例在此不做具体限定。

作为一种可选实施例，所述步骤1还包括：对所述目标三维结构体中的病变组织和周围敏感组织分别设置不同的颜色和灯光进行渲染。

在本实施例中，为了方便观察和区分病变组织及其周围敏感组织，采用了不同的颜色和灯光分别对病变组织及其周围敏感组织进行渲染。

作为一种可选实施例，所述步骤2具体包括：获取针刀刀尖的位姿信息；基于所述针刀刀尖的位姿信息，获取所述患者病变部位所述若干标记点的坐标；利用ICP算法，基于所述患者病变部位和所述目标三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第二转换矩阵，并利用所述第二转化矩阵将所述目标三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换。

在本实施例中，由于针刀三维模型的位姿信息是根据真实针刀的位姿获取的，因而针刀三维模型与真实针刀的具有对应关系，即二者位姿变化一致。但目标三维结构体与患者患病部位不具有对应关系，因此，需将二者进行配准，使它们具备对应关系，从而在手术过程中针刀三维模型与目标三维结构体的相对位置关系便可视作为患者治疗的针刀与患者患病部位的相对位置关系。配准时，两个点集分别为患者患病部位若干标记点和目标三维结构体上的若干标记点，配准过程类似CT三维结构体和MRI三维结构体的配准，在此不再复述。以髋关节针刀手术为例，图2为髋关节针刀手术中针刀显示的示意图。

作为一种可选实施例，所述获取针刀刀尖的位姿信息包括：基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取所述针刀刀尾当前的位姿信息；基于所述针刀刀尾的位姿信息和所述校准文件，获取所述针刀刀尖的位姿信息。

在本实施例中，电磁定位跟踪系统包括磁场发生器、系统控制单元、传感器接口单元和磁定位传感器。图3为电磁定位跟踪系统的结构示意图。磁场发生器安置与待进行针刀手术的手术室中，覆盖整个手术区域，磁定位传感器获取磁场的强度和相位并通过传感器接口单元发送给系统控制单元，系统控制单元解算出磁定位传感器在磁场空间的位姿信息即针刀刀尾当前的位姿信息。根据针刀刀尾当前的位姿信息和获取的校准文件，便可获取针刀刀尖的位姿信息。

作为一种可选实施例，在获取针刀刀尖的位姿信息之前还包括：基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取若干组所述针刀刀尾位姿信息；基于所述若干组所述针刀刀尾位姿信息，利用位姿校准软件，获取所述针刀的校准文件。

本实施例中所使用的针刀为在传统针刀基础上改造而来的新型磁定位针刀。图4为新型磁定位针刀的结构示意图。如图4所示，它在传统针刀的刀尾处通过磁定位传感器卡具固定了一个6自由度的磁定位传感器。具体地，在本实施例中，磁定位传感器卡具由犀牛（Rhino）软件设计并通过3D打印机打印获取；磁定位传感器为NDI提供给用户用于二次开发的配件。磁定位传感器通过导线与电磁定位跟踪系统连接以实现针刀刀尾位姿信息的获取。

在本实施例中，用于生成校准文件的若干组针刀刀柄位姿信息的获取方式为：固定所述针刀的刀尖，旋转所述针刀，且保持所述针刀刀身与穿过所述刀尖且垂直于水平的直线所成夹角在预设夹角范围内；基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取若干组所述针刀刀尾位姿信息。其中，预设夹角范围为30度至60度。

由于在针刀手术过程中，为了保证手术的安全性和有效性，医生需要通过可视化界面观察针刀刀尖的位姿以避免误伤周围敏感组织，因此，需要根据针刀刀尾位姿信息获取针刀刀尖位姿信息。针对这一需求，电磁定位跟踪系统为用户提供了一套用于生成校准文件的校准软件。具体地，校准软件用于基于若干组针刀刀柄位姿信息，生成校准文件。而校准文件则用于基于针刀刀尾的位姿信息获取针刀刀尖位姿信息。

作为一种可选实施例，所述位姿信息为六自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度；其中，沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度为坐标信息。

在本实施例中，由于针刀刀尖相对于人体患病部位的位置以及针刀的运动方向对于医生是否会误伤到周围敏感组织都具有决定性的硬性，因此，采用六自由度对针刀的位置和方向进行显示。

作为一种可选实施例，所述方法还包括：当所述针刀刀尖与所述周围敏感组织距离小于预设阈值时，发出警告信号。

在本实施例中，为了进一步保证手术的安全性和有效性，采取当所述针刀刀尖与所述周围敏感组织距离小于预设阈值时，发出警告信号以提醒医生及时调整手术路径。发出警告信号的方式可以为在可视化截面中弹出窗口显示警告信号或以语音的方式向医生发出警告信号。

图5为根据本发明一实施例的针刀显示装置示意图。如图5所示，本实施例提供一种针刀显示装置以实现上述针刀显示方法。该装置包括：目标三维结构体获取单元、配准单元和显示单元；目标三维结构体获取单元，基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体；配准单元，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准；显示单元，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像。

本发明提出的针刀显示装置，通过目标三维结构体获取单元，基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体；通过配准单元，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准；通过显示单元，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像，实现了在针刀手术过程中实时显示病变组织、其周围敏感组织和针刀的三维图像，以使手术实施者能够直观的了解它们的位置关系，避免因经验不足或对解剖结构不够熟悉导致患者手术后出现副作用，如并发症，或者不可逆的损伤，如肌腱断裂、神经损伤等。

作为一种可选实施例，所述装置还包括：序列图像获取模块，用于在所述患者患病部位所述若干标记点处分别放置电极片；获取放置有电极片的所述患病部位的CT序列图像和MRI序列图像；所述CT序列图像和MRI序列图像分别包括所述若干标记点。

作为一种可选实施例，所述目标三维结构体获取单元具体用于基于所述CT序列图像，获取CT三维结构体；基于所述MRI序列图像，获取MRI三维结构体；利用ICP算法，基于所述CT三维结构体和所述MRI三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第一转换矩阵，并利用所述第一转化矩阵将所述MRI三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换；基于经验阈值，对所述CT三维结构体进行阈值分割，获取所述病变组织三维结构体；基于选取的种子像素点，对所述MRI三维结构体采用区域生长法进行分割，获取所述周围敏感组织三维结构体；基于所述病变组织三维结构体的坐标和周围敏感组织三维结构体的转换后的坐标，获取目标三维结构体。

作为一种可选实施例，所述装置还包括：渲染模块，用于对所述目标三维结构体中的病变组织和周围敏感组织分别设置不同的颜色和灯光进行渲染。

作为一种可选实施例，所述配准模块包括位姿信息获取单元和转换单元，所述位姿信息获取单元用于获取针刀刀尖的位姿信息；所述转换单元用于基于所述针刀刀尖的位姿信息，获取所述患者病变部位所述若干标记点的坐标；利用ICP算法，基于所述患者病变部位和所述目标三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第二转换矩阵，并利用所述第二转化矩阵将所述目标三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换。

作为一种可选实施例，所述位姿信息获取单元具体用于基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取所述针刀刀尾当前的位姿信息；基于所述针刀刀尾的位姿信息和所述校准文件，获取所述针刀刀尖的位姿信息。

作为一种可选实施例，所述装置还包括：校准文件获取模块，用于基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取若干组所述针刀刀尾位姿信息；基于所述若干组所述针刀刀尾位姿信息，利用位姿校准软件，获取所述针刀的校准文件。

作为一种可选实施例，所述装置还包括：报警模块，用于当所述针刀刀尖与所述周围敏感组织距离小于预设阈值时，发出警告信号。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针刀显示装置，其特征在于，包括：目标三维结构体获取单元、配准单元和显示单元；

目标三维结构体获取单元，基于具有若干标记点的患者病变部位CT序列图像和MRI序列图像，获取所述患者病变部位病变组织及其周围敏感组织构成的目标三维结构体；

配准单元，将所述具有若干标记点的患者病变部位与所述目标三维结构体进行配准；

显示单元，获取针刀刀尖的位姿信息，并基于所述位姿信息，在所述目标三维结构体中显示所述针刀的三维图像；

所述目标三维结构体获取单元具体用于，

基于所述CT序列图像，获取CT三维结构体；

基于所述MRI序列图像，获取MRI三维结构体；

利用ICP算法，基于所述CT三维结构体和所述MRI三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第一转换矩阵，并利用所述第一转换矩阵将所述MRI三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换，得到转换后的MRI三维结构体；

基于经验阈值，对所述CT三维结构体进行阈值分割，获取所述病变组织三维结构体；

基于选取的种子像素点，对所述转换后的MRI三维结构体采用区域生长法进行分割，获取所述周围敏感组织三维结构体；

基于所述病变组织三维结构体的坐标和所述周围敏感组织三维结构体的坐标，获取目标三维结构体；

该装置还包括：报警模块，

用于当所述针刀刀尖与所述周围敏感组织距离小于预设阈值时，发出警告信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

序列图像获取模块，用于在所述患者病变部位所述若干标记点处分别放置电极片；

获取放置有电极片的所述病变部位的CT序列图像和MRI序列图像；所述CT序列图像和MRI序列图像分别包括所述若干标记点。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

渲染模块，用于对所述目标三维结构体中的病变组织和周围敏感组织分别设置不同的颜色和灯光进行渲染。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，配准单元包括位姿信息获取单元和转换单元，

所述位姿信息获取单元，用于获取针刀刀尖的位姿信息；

所述转换单元，用于基于所述针刀刀尖的位姿信息，获取所述患者病变部位所述若干标记点的坐标；利用ICP算法，基于所述患者病变部位和所述目标三维结构体上所述若干标记点的坐标关系，获取第二转换矩阵，并利用所述第二转换矩阵将所述目标三维结构体中每一个像素点的坐标进行转换。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述位姿信息获取单元具体用于,

基于所述针刀刀尾处设置的磁定位传感器，利用所述磁定位传感器对应的电磁定位跟踪系统，获取所述针刀刀尾当前的位姿信息；基于所述针刀刀尾的位姿信息和校准文件，获取所述针刀刀尖的位姿信息。

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