CN108652740A - 一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法 - Google Patents

一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，包括：步骤S1：建立目标骨架的三维模型；步骤S2：在三维模型上设计截骨路径与游离骨块的理想复位位置，并导入术前规划方案；步骤S3：在骨架实体和被截骨块上均设置跟踪参考架；步骤S4：分别在三维模型和骨架实体上选取标志点，获得初始配准矩阵和初始游离骨块标定矩阵，三维模型和骨架实体上的标志点的位置一一对应；步骤S5：定位探针在骨架实体表面缓慢滑动拾取一系列点云，进行面配准并获得精配准矩阵和精确游离骨块标定矩阵，完成游离骨块的标定。与现有技术相比，本发明通过点和面结合的标定方法，可以有效提高标定的精确性以及减小对患者的伤害。

Description

一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法
技术领域
本发明涉及一种标定技术，尤其是涉及一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法。
背景技术
在临床修复重建手术中，游离骨块的精确定位移植对于手术的成功是至关重要的。例如，在牙颌面畸形诊治中，正颌手术涉及到颌面部三种结构(颌骨、面部软组织以及牙列的咬合关系)的改变，游离骨块复位的微小偏差就可能严重影响美观，给患者带来终身痛苦。传统的利用截骨导板虽然能够辅助医生确定患者牙颌面的三维空间关系，但其设计和制作过程较繁琐，耗费医务人员大量的时间和精力，并且术中难以精确和直观地反映骨块空间位移量，以及可能存在术前诊断和手术方案设计上的失误而导致术中无法使用的风险
而通过导航下的游离骨块实时跟踪显示，可以引导医生在视野缺失、复杂的手术环境下按照术前规划精准移植、恢复理想功能与外形。但在实际手术中，医生无法预先在游离骨块上设计精确的基准点，采用外部标志点的配准方法需要利用有创工具在患者身体上预先植入钛螺钉或使用立体定位框架，虽然该方法配准精度比较高，但将会给患者带来身体创伤和痛苦，特别是骨科手术无法提前剥离患者解剖组织植入钛螺钉，从而不被患者接受。如果利用患者自身的解剖标志点进行配准，则在虚拟图像和患者身上选取对应点时容易存在偏差，从而导致配准精度不够理想，无法满足临床精度要求。临床医生仍面临着如何根据术前规划的位置将游离骨块在术中精确定位安装这一挑战性难题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立目标骨架的三维模型；
步骤S2：在三维模型上设计截骨路径与游离骨块的理想复位位置，并导入术前规划方案，其中，所述游离骨块根据截骨路径截取，所述术前规划方案为截骨路径与游离骨块的理想复位位置；
步骤S3：在骨架实体和被截骨块上均设置跟踪参考架，其中，所述跟踪参考架上设有用于被光学定位跟踪系统跟踪的反光小球；
步骤S4：分别在三维模型和骨架实体上选取标志点，获得初始配准矩阵和初始游离骨块标定矩阵，所述三维模型和骨架实体上的标志点的位置一一对应；
步骤S5：定位探针在骨架实体表面缓慢滑动拾取一系列点云，进行面配准并获得精配准矩阵和精确游离骨块标定矩阵，完成游离骨块的标定。
所述步骤S4具体包括：
步骤S41：在三维模型表面上选取若干个标志点；
步骤S42：根据在三维模型表面上选取的标志点，通过定位探针在骨架实体表面上选取对应的标志点；
步骤S43：根据分别在三维模型表面上和骨架实体表面上选取的标志点计算骨架实体与三维模型的初始配准矩阵；
步骤S44：根据两组分别在三维模型表面上和被截骨块表面上选取的标志点中位于游离骨块表面的部分计算游离骨块的初始标定矩阵。
所述步骤S5具体包括：
步骤S51：通过定位探针在骨架实体表面缓慢移动拾取点云；
步骤S52：分别以初始配准矩阵和初始标定矩阵为初始解，不断迭代优化寻找最优的匹配矩阵，分别为精确配准矩阵和精确游离骨块标定矩阵，所述最优的匹配矩阵是使定位探针获得的点云与三维模型的点云中同源点距离达到最小的变换矩阵。
所述步骤S41中选取的标志点至少有三个。
所述步骤S41中选取的标志点至少有三个位于被截骨块表面。
所述定位探针在骨架实体表面缓慢移动拾取的点云中包含位于被截骨块表面的部分。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过点和面结合的标定方法，相比于仅标志点的点对点标定方法，可以有效提高标定的精确性；相比植入钛钉的定位方式，可以减小对患者的伤害。
2)可以使游离骨块在手术过程中确保实时跟踪显示，可以引导医生在视野缺失、复杂的手术环境下按照术前规划精准移植、恢复理想功能与外形。
3)截骨前一次性完成配准与标定，可以提高手术效率。
4)点云拾取难度低，易于操作。
5)可以对截骨路径进行导航。
附图说明
图1为本发明的主要步骤流程示意图；
图2为截骨路径的示意图；
图3为跟踪参考架的结构示意图；
图4为点标定的示意图；
图5为面标定的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，如图1所示，包括：
步骤S1：建立目标骨架的三维模型：根据CT数据进行图像分割和三维重建，获得目标三维模型，；
步骤S2：如图2所示，在三维模型上设计截骨路径，通过虚拟切割技术获得游离的骨块模型，并根据二维和三维视图将截取的骨块复位至理想位置，将术前规划方案导入手术导航系统，其中，虚拟图像坐标系为OX0Y0Z0，其中，游离骨块根据截骨路径截取，术前规划方案为截骨路径与游离骨块的理想复位位置；
步骤S3：在骨架实体和被截骨块上均设置跟踪参考架，其中，如图3所示，跟踪参考架上设有用于被光学定位跟踪系统跟踪的反光小球，本实施例以快速成型机打印模型代替骨架实体，设患者参考坐标系为OX1Y1Z1，游离骨块参考坐标系为OX2Y2Z2；
步骤S4：如图4所示，分别在三维模型和骨架实体上选取标志点，获得初始配准矩阵和初始游离骨块标定矩阵R1，三维模型和骨架实体上的标志点的位置一一对应，具体包括：
步骤S41：在三维模型表面上选取若干个标志点，其中，选取的标志点至少有三个，且选取的标志点至少有三个位于被截骨块表面。
步骤S42：根据在三维模型表面上选取的标志点，通过定位探针在骨架实体表面上选取对应的标志点；
步骤S43：根据分别在三维模型表面上和骨架实体表面上选取的标志点计算骨架实体与三维模型的初始配准矩阵；
步骤S44：根据两组分别在三维模型表面上和被截骨块表面上选取的标志点中位于游离骨块表面的部分计算游离骨块的初始标定矩阵。即：该步骤中需要将选取的标志点中不位于游离骨块表面的部分剔除。
步骤S5：定位探针在骨架实体表面缓慢滑动拾取一系列点云，进行面配准并获得精配准矩阵和精确游离骨块标定矩阵，完成游离骨块的标定，具体包括：
步骤S51：通过定位探针在骨架实体表面缓慢移动拾取点云，设为点集P，三维模型的网格顶点集合设为点集Z，其中，定位探针在骨架实体表面缓慢移动拾取的点云中包含位于被截骨块表面的部分。
步骤S52：如图5所示，对于点集P中的每一个点，经过坐标变换后，计算在点集Z中距离该点最近的对应点，组成新点集G，点集P与G可通过点配准计算，得到新的变换矩阵，并计算得到新的点集P’，计算点集P’与G的整体均方根误差，若小于阈值，则完成面配准，否则重复该步骤；
分别以初始配准矩阵和初始标定矩阵为初始解，不断迭代优化寻找最优的匹配矩阵，分别为精确配准矩阵C1和精确游离骨块标定矩阵C2，其中，最优的匹配矩阵是使定位探针获得的点云与虚拟三维模型的点云中同源点距离达到最小的变换矩阵；
综上，本申请通过基于点和面结合的标定方法，即选取若干个解剖标志点进行游离骨块的初始标定，再利用定位探针在游离骨块表面拾取一系列点云进行面配准，不断迭代最终求得满足精度要求的标定矩阵，为解决图像引导下的游离骨块安装这一难题提供了有利条件。本申请可以有效地提高游离骨块标定的精确性，并减小对患者的伤害。

Claims (6)

1.一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立目标骨架的三维模型；
步骤S2：在三维模型上设计截骨路径与游离骨块的理想复位位置，并导入术前规划方案，其中，所述游离骨块根据截骨路径截取，所述术前规划方案为截骨路径与游离骨块的理想复位位置；
步骤S3：在骨架实体和被截骨块上均设置跟踪参考架，其中，所述跟踪参考架上设有用于被光学定位跟踪系统跟踪的反光小球；
步骤S4：分别在三维模型和骨架实体上选取标志点，获得初始配准矩阵和初始游离骨块标定矩阵，所述三维模型和骨架实体上的标志点的位置一一对应；
步骤S5：定位探针在骨架实体表面缓慢滑动拾取一系列点云，进行面配准并获得精配准矩阵和精确游离骨块标定矩阵，完成游离骨块的标定。
2.根据权利要求1所述的一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
步骤S41：在三维模型表面上选取若干个标志点；
步骤S42：根据在三维模型表面上选取的标志点，通过定位探针在骨架实体表面上选取对应的标志点；
步骤S43：根据分别在三维模型表面上和骨架实体表面上选取的标志点计算骨架实体与三维模型的初始配准矩阵；
步骤S44：根据两组分别在三维模型表面上和被截骨块表面上选取的标志点中位于游离骨块表面的部分计算游离骨块的初始标定矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
步骤S51：通过定位探针在骨架实体表面缓慢移动拾取点云；
步骤S52：分别以初始配准矩阵和初始标定矩阵为初始解，不断迭代优化寻找最优的匹配矩阵，分别为精确配准矩阵和精确游离骨块标定矩阵，所述最优的匹配矩阵是使定位探针获得的点云与三维模型的点云中同源点距离达到最小的变换矩阵。
4.根据权利要求2所述的一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，所述步骤S41中选取的标志点至少有三个。
5.根据权利要求2或4所述的一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，所述步骤S41中选取的标志点至少有三个位于被截骨块表面。
6.根据权利要求3所述的一种游离骨块位置实时跟踪的标定方法，其特征在于，所述定位探针在骨架实体表面缓慢移动拾取的点云中包含位于被截骨块表面的部分。
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