CN110141363A - 一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法 - Google Patents

一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，该方法包括：在病人脊柱上沿脊柱长度方向打上多个标记点，相邻标记点之间形成小块区域；在术前通过CT扫描重建病人脊柱表面的三维图像，得到术前三维图像；在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，对病人脊柱表面进行实时扫描，同时，实时采集扫描信息，对病人脊柱表面进行实时重建，得到术中实时三维图像；将术前三维图像和术中实时三维图像中的由全部小块区域组成的整体区域进行配准，得到初始配准参数；根据上一阶段的配准参数，利用标记点将配准区域逐级缩小，并逐级进行配准，最终得到每两个相邻标记点之间区域的配准参数。本发明的配准方法具体实时性好、精度高的优点。

Description

一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法
技术领域
本发明涉及手术导航技术领域，特别涉及一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法。
背景技术
在人体内部植入椎弓根螺钉来固定脊柱是近些年来治疗骨折、腰椎滑落等主要的方法，但是由于腰椎、胸椎等附近具有人体神经脉络，稍有不慎，切断神经脉络，可能导致手术失败乃至患者瘫痪，对患者造成二者伤害。因此针对这种高风险、高技术的手术，必须要能准确找到病灶点，并且能够实时为医生规划精确的手术路径，这将是解决此类问题的关键所在。
医生在手术过程中主要依靠手术导航系统的手术路径规划，在手术过程中实时修正手术路径，指引医生和手术器械能够按照规划的路线进行手术。然而这一切的关键在于手术导航过程中术前与术中配准的精度，通过配准输出的参数来实时修正手术路线。
在目前许多研究当中都默认将脊柱看成类“刚体”物质，手术过程中都采用刚性配准的方法。这种配准方法虽然可以大致的进行手术路径规划，完成手术导航的基本任务。但是其相对来说精度不高，手术路径规划不够准确，给手术带来了一定的不确定性和风险性。从人体生物力学的角度出发，在手术过程中存在患者自身的呼吸、手术器械对病灶点的碰撞，以及病人位置的轻微挪动，造成脊柱的小范围运动，产生一定的微变形。这些都将会造成脊柱配准过程中的误差。因此不能一贯将其忽略，要将此因素考虑在内，需要将脊柱的运动误差考虑在内，实时通过运动误差校正来减小配准误差，从而提高手术路径实时规划的精确度，降低手术风险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种配准时间短，精度高的脊柱多阶段配准方法。其采用如下技术方案：
一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其包括：
在病人脊柱上沿脊柱长度方向打上多个标记点，相邻标记点之间形成小块区域；
在术前通过CT扫描重建病人脊柱表面的三维图像，得到术前三维图像；
在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，对病人脊柱表面进行实时扫描，同时，实时采集扫描信息，对病人脊柱表面进行实时重建，得到术中实时三维图像；
将术前三维图像和术中实时三维图像中的由全部小块区域组成的整体区域进行配准，得到初始配准参数；
根据所述初始配准参数，将术前三维图像和术中实时三维图像均分成由多个相邻小块区域组成的首尾两大块区域分别进行配准，其中首尾两大块区域之间重叠，分别得到首尾两大块区域的阶段一配准参数；
根据上一阶段的配准参数，利用所述标记点将配准区域逐级缩小，并逐级进行配准，最终得到每两个相邻标记点之间区域的配准参数。
作为本发明的进一步改进，在术前通过CT扫描重建病人脊柱表面的三维图像，得到术前三维图像，之后还包括：对所述术前图像进行掩膜处理，除去脊柱首末段形状不规则的区域。
作为本发明的进一步改进，所述在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，对病人脊柱表面进行实时扫描，同时，实时采集扫描信息，对病人脊柱表面进行实时重建，得到术中实时三维图像，之后还包括：对所述术中实时图像进行实时掩膜处理，除去脊柱首末段形状不规则的区域。
作为本发明的进一步改进，该方法还包括：当阶段的配准参数不合格时，将此配准参数作为本阶段的输入参数进行迭代，直至得到合格的配准参数。
作为本发明的进一步改进，所述在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，具体包括：
在术中通过投影仪向病人脊柱表面投射编码结构光。
作为本发明的进一步改进，所述实时采集扫描信息，具体包括：
通过结构光相机实时采集扫描信息。
作为本发明的进一步改进，任意三个标记点之间不共线。
作为本发明的进一步改进，所述标记点的数量不少于四。
本发明的有益效果：
相比于以往传统刚性配准，本发明的配准方法将术中病人呼吸、身体轻微挪动等因素造成的脊柱微变形，以及脊柱本身的曲率问题考虑在内，力求与生物力学与微变形模型的实际情况贴合，与手术真实场景融合，采用多阶段、区域划分等方式，依据化曲为直、线弹性范围内的小变形等理论，对术前和术中的三维图像进行图像区域划分，缩小术中与术前图像差异，提高配准精度，缩短配准时间，为后期手术路径的精确规划提供了必要条件。
同时，引入结构光技术进行术中三维图像实时重建，有效减少了医生手术过程中的复杂、繁琐手术流程，采用三维空间图像配准，可以为医生提供多视角观察配准具体情况，具有无辐射、抗干扰性强、实时性好、精度高的特点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明中实施例中基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法的示意图一；
图2是本发明实施例中基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法的示意图二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，为本发明实施例中基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，该方法包括以下步骤：
S10、在病人脊柱上沿脊柱长度方向打上多个标记点；
优选的，标记点的数量不少于四，意三个标记点之间不共线。
具体的，如图2所示，在本实施例中，标记点的数量为七，七个标记点将脊柱依次分成S1、S2、S3、S4、S5、S6段。
S20、在术前通过CT扫描重建病人脊柱表面的三维图像，得到术前三维图像；
S30、在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，对病人脊柱表面进行实时扫描，同时，实时采集扫描信息，对病人脊柱表面进行实时重建，得到术中实时三维图像；
具体的，在术中通过投影仪向病人脊柱表面投射编码结构光，通过结构光相机实时采集扫描信息。
S40、将术前三维图像和术中实时三维图像中的整个脊柱进行配准，得到初始配准参数；
在本实施例中，初始配准参数即为S。
S50、根据所述初始配准参数，将术前三维图像和术中实时三维图像均分成由多个相邻小块区域组成的首尾两大块区域分别进行配准，其中首尾两大块区域之间重叠，分别得到首尾两大块区域的阶段一配准参数；
如图2所示，在本实施例中，两大块区域分别为由S1、S2、S3、S4、S5段组成的区域1以及由S2、S3、S4、S5、S6组成的区域2。由区域1配准得到的阶段一配准参数为Sa，由区域2配准得到的阶段一配准参数为Sb。
S60、根据上一阶段的配准参数，利用所述标记点将配准区域逐级缩小，并逐级进行配准，最终得到每两个相邻标记点之间区域的配准参数。
如图2所示，在本实施例中，Sa和Sb的均值为Aa和Ab，Aa和Ab相等。在阶段二中，配准区域包括由S1、S2、S3段组成的区域21、由S2、S3、S4段组成的区域22、由S3、S4、S5段组成的区域23、由S4、S5、S6段组成的区域24，将Sa作为区域21的输入参数，将Aa作为区域22的输入参数，将Ab作为区域23的输入参数，将Sb作为区域24的输入参数，并由区域21、22、23、24分别配准得到阶段二配准参数Sc、Sd、Se、Sf，其中，Sc和Sd的均值为Ac，Sc、Sd和Se的均值为Ad，Sd、Se和Sf的均值为Ae，Se和Sf的均值为Af。在阶段三中，将Sc作为S1段的输入参数，配准得到S1段的配准参数Sg；将Ac作为S2段的输入参数，配准得到S2段的配准参数Sh；将Ad作为S3段的输入参数，配准得到S3段的配准参数Si；将Ae作为S4段的输入参数，配准得到S4段的配准参数Sj；将Af作为S5段的输入参数，配准得到S5段的配准参数Sk；将Sf作为S6段的输入参数，配准得到S6段的配准参数Sl。
优选的，在步骤S20之后，步骤S30之前，还包括以下步骤：
对所述术前图像进行掩膜处理，除去脊柱首末段形状不规则的区域。
优选的，在步骤S30之后，步骤S40之前，还包括以下步骤：
对所述术中实时图像进行实时掩膜处理，除去脊柱首末段形状不规则的区域。
优选的，还包括步骤：当某阶段的配准参数不合格时，将此配准参数作为本阶段的输入参数进行迭代，直至得到合格的配准参数。
相比于以往传统刚性配准，本发明的配准方法将术中病人呼吸、身体轻微挪动等因素造成的脊柱微变形，以及脊柱本身的曲率问题考虑在内，力求与生物力学与微变形模型的实际情况贴合，与手术真实场景融合，采用多阶段、区域划分等方式，依据化曲为直、线弹性范围内的小变形等理论，对术前和术中的三维图像进行图像区域划分，缩小术中与术前图像差异，提高配准精度，缩短配准时间，为后期手术路径的精确规划提供了必要条件。
同时，引入结构光技术进行术中三维图像实时重建，有效减少了医生手术过程中的复杂、繁琐手术流程，采用三维空间图像配准，可以为医生提供多视角观察配准具体情况，具有无辐射、抗干扰性强、实时性好、精度高的特点。
其次，采用图像掩膜技术，将脊柱首末端图像掩藏，克服了脊柱首末段不规则，图像差异大的问题，大大降低了配准的难度和时间，提高了配准精度。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，包括：
在病人脊柱上沿脊柱长度方向打上多个标记点，相邻标记点之间形成小块区域；
在术前通过CT扫描重建病人脊柱表面的三维图像，得到术前三维图像；
在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，对病人脊柱表面进行实时扫描，同时，实时采集扫描信息，对病人脊柱表面进行实时重建，得到术中实时三维图像；
将术前三维图像和术中实时三维图像中的由全部小块区域组成的整体区域进行配准，得到初始配准参数；
根据所述初始配准参数，将术前三维图像和术中实时三维图像均分成由多个相邻小块区域组成的首尾两大块区域分别进行配准，其中首尾两大块区域之间重叠，分别得到首尾两大块区域的阶段一配准参数；
根据上一阶段的配准参数，利用所述标记点将配准区域逐级缩小，并逐级进行配准，最终得到每两个相邻标记点之间区域的配准参数。
2.如权利要求1所述的基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，在术前通过CT扫描重建病人脊柱表面的三维图像，得到术前三维图像，之后还包括：对所述术前图像进行掩膜处理，除去脊柱首末段形状不规则的区域。
3.如权利要求1所述的基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，所述在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，对病人脊柱表面进行实时扫描，同时，实时采集扫描信息，对病人脊柱表面进行实时重建，得到术中实时三维图像，之后还包括：对所述术中实时图像进行实时掩膜处理，除去脊柱首末段形状不规则的区域。
4.如权利要求1所述的基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，还包括：当阶段的配准参数不合格时，将此配准参数作为本阶段的输入参数进行迭代，直至得到合格的配准参数。
5.如权利要求1所述的基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，所述在术中向病人脊柱表面投射编码结构光，具体包括：
在术中通过投影仪向病人脊柱表面投射编码结构光。
6.如权利要求1所述的基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，所述实时采集扫描信息，具体包括：
通过结构光相机实时采集扫描信息。
7.如权利要求1所述的基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，任意三个标记点之间不共线。
8.如权利要求1所述的基于结构光扫描的脊柱多阶段配准方法，其特征在于，所述标记点的数量不少于四。
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