CN109692041A - 一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法 - Google Patents

一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提出一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法，以提高配准精度，具体如下：分别获取待配准骨的骨表面样本点在影像坐标系下的第一骨表面点集S1和在世界坐标系下的第二骨表面点集S2；然后使用位置传感器获取待配准骨的辅助样本点在世界坐标系下的软骨表面点云S3；再配准第一骨表面点集S1与软骨表面点云S3，得到初始旋转矩阵R1和初始平移向量T1；并配准第二骨表面点集S2与软骨表面点云S3，得到修正旋转矩阵R2和修正平移向量T2；最后根据初始旋转矩阵R1、初始平移向量T1、修正旋转矩阵R2和修正平移向量T2，得到影像坐标系到世界坐标系的映射关系如下：旋转矩阵R＝R2R1，平移向量T＝R2T1+T2。

Description

一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法
技术领域
本发明属于医疗技术领域，具体涉及到一种骨科手术中，针对覆盖软骨的骨表面配准方法。
背景技术
配准技术是寻找最优空间变换的过程。手术导航系统广泛使用配准技术获得点集、线、面或者体之间的空间映射关系。配准主体则通常根据应用场景而变化，包括 但不限于点集之间、点集与曲面、高维特征之间、图像与图像等等。手术导航过程中， 通常需要借助位置传感器(光学、电磁定位系统)获取目标(器官、骨骼、肌肉组织 等)在世界坐标系中的坐标，借助医学成像(CT、MRI、超声)和重构技术获取目 标在影像坐标系下的坐标。
传统骨表面配准的方法如下：采集若干点在两个欧式空间的坐标，进行如下计算操作，即可获两个空间映射关系。计算过程表示如下：首先定义两个点集 Q＝(q1，q2，...，qN)T和P＝(p1，p2，...，pN)T，分别表示N个点在尺度相同的两个坐标系的对 应点集，再定义旋转矩阵R和平移向量T，表示两个欧式空间的变换关系，那么 Q＝RP+T；
定义能量函数E，有其中，和分别表示为Q和P的样本平均；
通过奇异值分解(SVD)，有
旋转矩阵R和平移向量T分别表示为R＝VUT，
上述方法在多数情况下能够获得精准的配准结果，但是并不适用于股骨这类覆盖软骨的场景。一方面，在医学影像中，骨头边缘灰度特征明显，但软骨及骨膜厚度小 且灰度与软组织类似，因此，骨头边缘点易于获取，而骨膜与软骨边缘难以界定。借 助CT/MRI等医学影像往往可以提取骨表面坐标，对应地，借助位置传感器获取的则 是软骨/骨膜表面坐标。不难看出，两组点集所表示的并非同一目标，而是空间位置 接近的两个实体，这种差别会为精准配准引入误差；另一方面，从局部骨表面来看， 缺乏特征明显且能够精准定位的标记点，样本点的选择天然就带有误差，仅选取少量 所谓样本点对进行计算，是难以精确的。
发明内容
本发明的目的是提出一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法，以提高配准精度。
本发明的针对覆盖软骨的骨表面配准方法包括如下步骤：
A、从待配准骨的医疗影像中提取骨表面的若干样本点在影像坐标系下的坐标，形成第一骨表面点集S1；
B、使用位置传感器探针获取待配准骨的骨表面的所述样本点在世界坐标系下的坐标，形成第二骨表面点集S2；
C、使用位置传感器获取待配准骨的辅助样本点在世界坐标系下的坐标，形成软骨表面点云S3；所述辅助样本点为待配准骨的软骨表面在所述样本点附近的预定数 量的点；
D、配准第一骨表面点集S1与软骨表面点云S3，得到初始旋转矩阵R1和初始平 移向量T1；
E、配准第二骨表面点集S2与软骨表面点云S3，得到修正旋转矩阵R2和修正平 移向量T2；
F、根据初始旋转矩阵R1、初始平移向量T1、修正旋转矩阵R2和修正平移向量 T2，得到影像坐标系到世界坐标系的映射关系如下：旋转矩阵R＝R2R1，平移向量T＝ R2T1+T2。
上述A、B、C步骤中的获取相应点集(点云)的操作为现有技术中的常规操作， 此处不再赘述。
进一步地，由于B步骤中获取第二骨表面点集S2时，需要刺穿软骨或骨膜，出 于最大限度保护软组织的目的，建议点集S1、S2的规模较小，即所述A、B步骤中， 所述样本点的数量低于8个，且分布于感兴趣区域内。当然，有时为了提高准确性， 也可以适当扩大的点集S1、S2的规模，即所述A、B步骤中的样本点还包括位于所述 感兴趣区域外的参考样本点；所述C步骤中的辅助样本点还包括对应于参考样本点的 辅助参考样本点。
进一步地，为了将点集S1、S2中的稀疏样本都替换为密集点云，从而丰富软骨 表面的几何信息，提高配准的准确性，所述C步骤中，针对每个样本点，均在其周围 的软骨表面处设定若干个辅助样本点。由于C步骤无需伤害软组织，因此适当增多取 样点的数量，并不会对软骨造成伤害。
进一步地，为了提高点云S3与点集S1、S2的相关性，辅助样本点的取点原则如 下：所述C步骤中，针对同一个样本点的辅助样本点均匀分布于以该样本点为中心的 区域内。具体可以采用如下原则取点：所述C步骤中，针对同一个样本点的辅助样 本点位于以该样本点为圆心的若干个同心圆上。当然，还可以采用画三角形、画正方 形等中心对称图形(使对应的样本点位于该图形的中心位置处)的方法进行辅助样本 点的采集。
本发明将骨表面的样本点与软骨表面的辅助样本点结合起来，利用软骨表面的数量较多的辅助样本点点云与两种坐标系下的骨表面的数量较少的样本点点集分别进 行配准，相当于将点云粗配准和点集精配准相结合，既提高了配准精度，又能最大限 度地保护健康组织，具有配准抗噪能力强，鲁棒性能好的优点。
附图说明
图1是医学影像中的骨表面样本点的分布图。
图2是实体的骨表面样本点和辅助样本点的分布图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等 作进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提出了一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法，以提高配准精度。
本实施例的针对覆盖软骨的骨表面配准方法包括如下步骤：
A、从待配准骨的医疗影像(CT模态)中提取骨表面的若干样本点在影像坐标系 下的坐标，形成第一骨表面点集S1；如图1所示，第一骨表面点集S1包括A、B、 C、D、E五个从股骨边缘上的样本点，采用的坐标系为影像坐标系；
B、使用位置传感器探针获取待配准骨的骨表面的所述样本点在世界坐标系下的坐标，形成第二骨表面点集S2；如图2所示，第二骨表面点集S2包括A′、B′、 C′、D′、E′五个从股骨边缘上的样本点，采用的坐标系为世界坐标系；其中A′、 B′、C′、D′、E′与A、B、C、D、E的位置分别对应；
C、使用位置传感器获取待配准骨的辅助样本点在世界坐标系下的坐标，形成软骨表面点云S3；所述辅助样本点为待配准骨的软骨表面在所述样本点附近的预定数 量的点；如图2所示，软骨表面点云S3包括A1′、A2′、A3′、A4′、B1′、B2′、B3′、B4′、C1′、C2′、C3′、C4′、D1′、D2′、D3′、D4′、E1′、E2′、E3′、E4′共20个辅助样本点，其中A1′、A2′、A3′、A4′均匀分布于样本点A的周围，具体来说，是位于以样本点A为圆心的若干个同心圆上；以同样的取点 原则来获取样本点B、C、D、E所对应的辅助样本点，此处不再赘述；
D、配准第一骨表面点集S1与软骨表面点云S3，得到初始旋转矩阵R1和初始平 移向量T1；
E、配准第二骨表面点集S2与软骨表面点云S3，得到修正旋转矩阵R2和修正平 移向量T2；
F、根据初始旋转矩阵R1、初始平移向量T1、修正旋转矩阵R2和修正平移向量 T2，得到影像坐标系到世界坐标系的映射关系如下：旋转矩阵R＝R2R1，平移向量T＝ R2T1+T2。
本实施例在经典刚性配准方法基础上，增加了二次配准操作，提高了配准精度。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体设计并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法，其特征在于包括如下步骤：
A、从待配准骨的医疗影像中提取骨表面的若干样本点在影像坐标系下的坐标，形成第一骨表面点集S1；
B、使用位置传感器探针获取待配准骨的骨表面的所述样本点在世界坐标系下的坐标，形成第二骨表面点集S2；
C、使用位置传感器获取待配准骨的辅助样本点在世界坐标系下的坐标，形成软骨表面点云S3；所述辅助样本点为待配准骨的软骨表面在所述样本点附近的预定数量的点；
D、配准第一骨表面点集S1与软骨表面点云S3，得到初始旋转矩阵R1和初始平移向量T1；
E、配准第二骨表面点集S2与软骨表面点云S3，得到修正旋转矩阵R2和修正平移向量T2；
F、根据初始旋转矩阵R1、初始平移向量T1、修正旋转矩阵R2和修正平移向量T2，得到影像坐标系到世界坐标系的映射关系如下：旋转矩阵R＝R2R1，平移向量T＝R2T1+T2。
2.根据权利要求1所述的针对覆盖软骨的骨表面配准方法，其特征在于所述A、B步骤中，所述样本点的数量低于8个，且分布于感兴趣区域内。
3.根据权利要求2所述的针对覆盖软骨的骨表面配准方法，其特征在于所述A、B步骤中的样本点还包括位于所述感兴趣区域外的参考样本点；所述C步骤中的辅助样本点还包括对应于参考样本点的辅助参考样本点。
4.根据权利要求1所述的针对覆盖软骨的骨表面配准方法，其特征在于所述C步骤中，针对每个样本点，均在其周围的软骨表面处设定若干个辅助样本点。
5.根据权利要求4所述的针对覆盖软骨的骨表面配准方法，其特征在于所述C步骤中，针对同一个样本点的辅助样本点均匀分布于以该样本点为中心的区域内。
6.根据权利要求5所述的针对覆盖软骨的骨表面配准方法，其特征在于所述C步骤中，针对同一个样本点的辅助样本点位于以该样本点为圆心的若干个同心圆上。
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