CN111672029A - 基于颅表解剖标志的智能导航方法、导航系统及导航仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于颅表解剖标志的智能导航方法、导航系统及导航仪，方法包括：步骤一，实时图像获取，步骤二，图像位移矫正及图像同步，步骤三，头面解剖标志的自动识别以及图像匹配，步骤四，根据匹配结果计算头面解剖标志的空间位置，并完成头面轮廓重建，步骤五，将头面结构影像与头面轮廓匹配叠加，步骤六，计算头面结构影像的空间位置，步骤七，获取刺激线圈的空间位置并计算刺激角度，步骤八，实时显示相同时刻的头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置及刺激角度；系统包括：图像采集模块、图像位移矫正模块、图像同步模块、图像匹配模块、头面解剖标志识别模块、空间定位模块、显示模块；导航仪包括摄像头、显示器、服务器。

Description

基于颅表解剖标志的智能导航方法、导航系统及导航仪

技术领域

本发明涉及医用导航技术领域，尤其是涉及了基于颅表解剖标志的智能导航仪、导航系统及导航方法。

背景技术

经颅磁刺激技术（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）使用高强度线圈，产生快速变化的磁场脉冲，可以穿过受试者的头皮和颅骨，作用于其下的大脑皮层，诱导神经细胞发生电位活动的改变，是一种兴奋或抑制大脑神经元的无创方法。

TMS治疗疾病时，刺激部位的精准定位是相当重要的，不同疾病脑皮层改变部位不同，要求操作者在使用TMS前充分认识疾病病理，知道操作需要刺激的部位。对于一个非常熟悉脑部解剖的操作者来说，不借助任何辅助设备完成位刺激部位也是很困难的，因为病人的头部并不是标准模型，差别很大；刺激线圈的位置、角度通过手部感觉存在误差。对于普通操作者，存在的误差更大。TMS导航也有简单地通过脑电图10-20系统的脑定位帽进行定位。但是单靠经验定位，或者定位帽辅助定位，定位结果误差大，光学辅助导航极大提高了定位的准确性，考虑了病人的位置变化，脑部的差异，以及线圈位置和方向相互间的关系。

目前导航设备较多的使用了辅助定位线圈，或者辅助定位小球的空间位置，间接计算头部区域的位置。大致过程如下：

1、病人头戴辅助圈，上面有三个用于定位的小球。

2、通过人机界面，点击病人头部结构像的特征点（比如鼻子尖，耳垂等处），然后用辅助定位球依次点击病人相应位置。

3、点击时，双目红外摄像头获取点击点空间位置。

4、服务器计算辅助圈上各小球的位置，头部点击的特征点位置，然后和头部结构像进行匹配，处理得到整个头部的当前空间位置。

5、服务器通过双目红外摄像头实时捕获辅助圈各小球位置，计算出病人头部空间位置。

6、服务器通过双目红外摄像头实时捕获刺激线圈（上面带定位小球）位置

7、呈现线圈和头部的相对位置。

但是，仍存在一些红外摄像系统操作复杂、标志点过少、容易出现遮挡等问题，具体包括如下内容：

1、病人的感受问题，需要带上辅助定位线圈，给病人造成不适感；

2、病人戴着辅助设备，不舒适，引起更多的头部移动，造成辅助定位线圈的相对位置变动，引起误差；

3、准备过程中，操作者需要手动定位人的几个关键点位置，并点击屏幕结构像的相应位置，使得两者匹配上。中间常常出现定位匹配不上的情况，需要反复操作多次，对于不熟练的操作者，这个过程会更长，该准备过程占用了大量时间；

4、准备过程中，定位匹配存在误差；

5、操作过程中，操作者需要小心操作，不能碰到定位线圈或者定位小球，造成定位线圈或者小球和人脑部的相对位置发生变动，造成误差；

6、操作过程中，操作者要避免定位辅助小球的遮挡，操作受到限制，需要调整病人位置和角度，耽误操作。

本发明通过多目视觉空间定位和头面解剖标志自动识别，并匹配病人结构像，从而可以自动实时跟踪病人的脑区位置，解决上述的几个问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，实现导航设备的使用更为方便、定位更为准确的目的，本发明采用如下的技术方案：

基于颅表解剖标志的智能导航方法，包括如下步骤：

步骤一，实时图像获取，实时获取多角度的头面图像；避免头面解剖标志的遮挡，提高操作者最大程度无间断自由操作。

步骤二，图像位移矫正及图像同步，对图像位移矫正，并将同一时刻的多角度头面图像作为同一组；避免由于头面部角度的问题，使得不同的摄像头对同一目标得到错误的视差，导致在错误的视差下计算得到不准确的空间定位；避免定位时，各角度获取的图像存在时间差，导致定位不准确；

步骤三，图像匹配，根据头面特征实时自动地识别头面解剖标志，根据头面解剖标志，对同一组图像进行匹配；传统的匹配算法存在较大误差，通过不同角度图像对头面解剖标志各识别一次，可以提高匹配的准确性，省去辅助定位装置，节约了操作者准备时间，通过头面解剖标志来跟踪头的刚体运动，使空间位置的确定更加准确；

步骤四，根据匹配结果计算头面解剖标志的空间位置，并完成基于解剖标志的头面轮廓重建；

步骤五，将头面结构影像与所述头面轮廓匹配叠加；

步骤六，计算所述头面结构影像的空间位置；

步骤七，获取刺激线圈的空间位置并计算刺激角度；

步骤八，实时显示相同时刻的所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置及刺激角度。操作者可以更准确的掌握刺激线圈和病人头部相对位置，以及刺激线圈刺激角度。

对所述多角度的头面图像分组，对每组的所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置进行计算、比较，显示最优结果。

所述图像匹配，通过匹配算法，在所述同一组中，将对应有同一部位的头面图像进行匹配，辅助所述头面解剖标志的空间位置的计算。匹配算法在局部区域有时仍能发挥作用，融合两者，可以提高匹配的准确性。

基于颅表解剖标志的智能导航系统，包括图像采集模块、图像匹配模块、空间定位模块及显示模块，还包括图像处理模块、头面解剖标志识别模块，所述图像处理模块分别与图像采集模块、头面解剖标志识别模块、图像匹配模块连接，空间定位模块分别与图像匹配模块，头面解剖标志识别模块、显示模块连接；

所述图像采集模块，实时获取多角度的头面图像；避免头面解剖标志的遮挡，提高操作者最大程度无间断自由操作。

所述图像处理模块包括图像位移矫正模块、图像同步模块，所述图像位移矫正模块，用于矫正图像位移；避免由于图像位移使得不同的摄像头对同一目标得到错误的视差，导致在错误的视差下计算得到不准确的空间定位；所述图像同步模块，将同一时刻的多角度头面图像作为同一组；避免定位时，各角度获取的图像存在时间差，导致定位不准确；

所述头面解剖标志识别模块，实时自动识别各图像中的头面解剖标志；

所述图像匹配模块，在所述同一组中，对识别到同一头面解剖标志的头面图像进行匹配；传统的匹配算法存在较大误差，通过不同角度图像对头面解剖标志各识别一次，可以提高匹配的准确性。同时头面解剖标志的自动识别，相当于辅助定位装置，省去辅助定位装置，节约了操作者准备时间，通过头面解剖标志来跟踪头的刚体运动，使空间位置的确定更加准确；

所述空间定位模块，计算头面解剖标志的空间位置，并完成基于解剖标志的头面轮廓重建，将头面结构影像与头面轮廓匹配叠加，计算头面结构影像的空间位置，同时，获取刺激线圈的空间位置并计算刺激角度；

所述显示模块，实时显示所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置及刺激角度。操作者可以更准确的掌握刺激线圈和病人头部相对位置，以及刺激线圈刺激角度。

所述图像采集模块，多角度采集图像，提供图像匹配模块，头面解剖标志识别模块，空间定位模块充分信息，获得最优结果；

所述图像匹配模块，通过匹配算法，在所述同一组中，将对应有同一部位的头面图像进行匹配，辅助头面解剖标志的空间位置的计算。匹配算法在局部区域有时仍能发挥作用，融合两者，可以提高匹配的准确性。

基于颅表解剖标志的智能导航仪，包括分别与摄像头、显示器、辅助定位装置连接的服务器；

所述摄像头，为多目光学摄像头，以头面为中心，呈多个角度对准头面；避免头面解剖标志的遮挡，提高操作者最大程度无间断自由操作；

所述服务器，将实时获取多角度的头面图像进行位移矫正，并将同一时刻的多角度头面图像作为同一组，避免由于图像位移，使得不同的摄像头对同一目标得到错误的视差，导致在错误的视差下计算得到不准确的空间定位，避免定位时，各角度获取的图像存在时间差，导致定位不准确；根据头面特征自动识别头面解剖标志，在所述同一组中，对识别到同一头面解剖标志的头面图像进行匹配，传统的匹配算法存在较大误差，通过不同角度图像对头面解剖标志各识别一次，可以提高匹配的准确性，省去辅助定位装置，节约了操作者准备时间，通过头面解剖标志来跟踪头的刚体运动，使空间位置的确定更加准确；计算头面解剖标志的空间位置，并完成基于解剖标志的头面轮廓重建，将头面结构影像与头面轮廓匹配叠加，计算头面结构影像的空间位置，同时，从辅助定位装置获取刺激线圈的空间位置并计算刺激角度；

所述显示器，实时显示从服务器获取的相同时刻的头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置及刺激角度。操作者可以更准确的掌握刺激线圈和病人头部相对位置，以及刺激线圈刺激角度。

所述服务器，分别对多目光学摄像头采集的图片对应的所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置进行计算、比较，显示最优结果。

所述服务器，还通过匹配算法，在所述同一组中，将对应有同一部位的头面图像进行匹配，辅助所述头面解剖标志的空间位置的计算。匹配算法在局部区域有时仍能发挥作用，融合两者，可以提高匹配的准确性。

本发明的优势和有益效果在于：

让病人摆脱辅助定位的头戴设备的束缚，通过头面解剖自动配准，能够实时捕捉并跟踪头动，实时捕捉并跟踪经颅磁刺激仪的线圈，节省设备操作者准备时间、操作时间，减小定位操作导致的误差，减小中间过程中辅助设备的相对位置变动引起的误差，减少遮挡。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

基于颅表解剖标志的智能导航方法、导航系统及导航仪，如图1所示：

1、通过高清高速摄像头摄入图像。

部署三对双目摄像头A、B、C，A正对病人头部，B、C在A的两侧，以病人为中心，呈60度弧度，A，B，C离病人2m-2.5m的距离。多对摄像头分布，可以在病人头部移动或头面解剖标志被遮挡时，可以通过另一对双目摄像头无缝对接，避免了操作过程中需要调整病人位置和角度，使得操作受到限制，确保操作者最大程度无间断自由操作。

2、对图像位移现象进行校正，并同步不同摄像头时间帧。空间定位是对双目摄像头的左右两个摄像头在相同时间摄取的图像，通过视差原理计算得到。而如果两个摄像头摄取的图像不是同时间的两帧图像，而这个过程中头部有运动，也会得到错误的视差，在错误的视差下计算得到的空间定位是不准确的。

3、对图像进行匹配，采用匹配算法，确定两个不同摄像头获取的左右视图对应的同一部位，从而计算视差，但匹配算法也会有误差，匹配算法有很多，此处只是初匹配，匹配算法在局部区域有时仍能发挥作用，用于辅助后续头面解剖标志识别；头面特征是病人本身携带的图像信息，例如眼角、鼻尖等点，也可以是眼、鼻、嘴等面，将其作为解剖标志进行识别，对左右两个摄像头获取的图片，各识别一次，提高了匹配的准确性，提高匹配精度，省去采用传统辅助定位装置（如带有定位小球的头套）和操作者手动点击头面的标志点来匹配获得的图像和结构像之间的对应关系的步骤，避免了由于出现定位匹配不上需要反复操作多次，节约了操作者准备阶段的时间，提高了病人的舒适度，避免病人因不适而经常移动头部引起计算的误差，提高了操作的便捷性，不必计算传统定位中辅助定位小球和头部的相对关系，所有的操作都有光学图像和计算机自动完成，避免了操作过程中，误碰定位线圈或定位小球，造成定位线圈或定位小球和头面的相对位置发生变动，造成误差。通过头面解剖标志来跟踪头的刚体运动，解剖标志点或区域随着头部运动一起运动，可以实时跟踪，不会产生误差，对于三点确定平面来说，空间三点距离越远，三点本身定位的误差对于三点的距离来说就很小，通过三点确定的平面就会比较准确，头面标志点相对现有的三个辅助定位小球距离更远，且标志点更多。因此通过标志点定的头部整体位置就更准确。

4、将匹配算法与头面解剖标志识别相融合，辅助标志点的空间位置计算，并基于标志点的轮廓对头面进行3D重建，多个标志点足够用来和结构影像进行精确匹配。头面标志比一般的标志点在结构像上更有特点，比如说鼻子尖，这个在结构像上更容易搜索和查找到这个空间点， 有了实际病人的空间标志点坐标，和相对位置，再来搜索结构像相应的点更容易，从而提高了计算速度，否则需要整个头面点集和结构像做匹配，时间上更耗时，而且不准确。

5、把计算机存储的病人结构影像和重建的3D标志点轮廓进行匹配叠加。

6、计算病人结构影像的空间位置，将病人的整个头部在空间进行定位。

7、将带有辅助定位标志的刺激线圈移入摄像头视区，根据三点确定一个平面，三个辅助定位标志就能确定刺激线圈的平面，同时也能计算出刺激线圈作用垂直线，垂直线相对于头部的位置就是刺激角度。

8、从三对摄像头分别获取并最终计算得到病人结构影像、刺激线圈的空间定位进行打分比较。主要从解剖标志获取的点数，刺激线圈在图像中的面积大小进行比较，选取分高者作为最终结果。

9、实时3D显示最终的病人头部和刺激线圈在空间的定位。就可以让操作者准确掌握刺激线圈和病人头部相对位置，以及刺激线圈刺激角度。

以上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实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.基于颅表解剖标志的智能导航方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，实时图像获取，实时获取多角度的头面图像；

步骤二，图像位移矫正及图像同步，对图像做位移矫正，并将同一时刻的多角度头面图像作为同一组；

步骤三，图像匹配，根据头面特征实时自动地识别头面解剖标志，根据头面解剖标志，对同一组的图像进行匹配；

步骤四，根据匹配结果计算头面解剖标志的空间位置，并完成基于解剖标志的头面轮廓重建；

步骤五，将头面结构影像与所述头面轮廓匹配叠加；

步骤六，计算所述头面结构影像的空间位置；

步骤七，获取刺激线圈的空间位置并计算刺激角度；

步骤八，实时显示相同时刻的所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置及刺激角度。

2.根据权利要求1所述的基于颅表解剖标志的智能导航方法，其特征在于对所述多角度的头面图像分组，对每组的所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置进行计算、比较，显示最优结果。

3.根据权利要求1所述的基于颅表解剖标志的智能导航方法，其特征在于所述图像匹配，通过匹配算法，在所述同一组中，将对应有同一头面解剖标志的头面图像进行匹配，辅助头面解剖标志的空间位置的计算。

4.基于颅表解剖标志的智能导航系统，包括图像采集模块、图像匹配模块、空间定位模块及显示模块，其特征在于还包括图像处理模块、头面解剖标志识别模块，所述图像处理模块分别与图像采集模块、头面解剖标志识别模块、图像匹配模块连接，空间定位模块分别与匹配模块、头面解剖标志识别模块、显示模块连接；

所述图像采集模块，实时获取多角度的头面图像；

所述图像处理模块包括位移矫正模块和图像同步模块，所述图像位移矫正模块，用于矫正图像位移，所述图像同步模块，将同一时刻的多角度头面图像作为同一组；

所述头面解剖标志识别模块，实时自动识别各图像中的头面解剖标志；

所述图像匹配模块，在所述同一组中，对识别到同一头面解剖标志的头面图像进行匹配；

所述空间定位模块，计算头面解剖标志的空间位置，并完成基于解剖标志的头面轮廓重建，将头面结构影像与头面轮廓匹配叠加，计算头面结构影像的空间位置，同时，获取刺激线圈的空间位置并计算刺激角度；

所述显示模块，实时显示所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置及刺激角度。

5.根据权利要求4所述的基于颅表解剖标志的智能导航系统，其特征在于所述图像采集模块，多角度采集图像，提供图像匹配模块，头面解剖标志识别模块，空间定位模块充分信息，获得最优结果。

6.根据权利要求3所述的基于颅表解剖标志的智能导航系统，其特征在于所述图像匹配模块还包括算法匹配模块，通过匹配算法，在所述同一组中，将对应有同一头面解剖标志的头面图像进行匹配，辅助头面解剖标志的空间位置的计算。

7.基于颅表解剖标志的智能导航仪，包括分别与摄像头、显示器、辅助定位装置连接的服务器，其特征在于：

所述摄像头，为多目光学摄像头，以头面为中心，呈多个角度对准头面；

所述服务器，将实时获取多角度的头面图像进行位移矫正，并将同一时刻的多角度头面图像作为同一组，自动识别各图像中的头面解剖标志，对头面图像进行匹配，计算头面解剖标志的空间位置，并完成基于解剖标志的头面轮廓重建，将头面结构影像与头面轮廓匹配叠加，计算头面结构影像的空间位置，同时，从辅助定位装置获取刺激线圈的空间位置并计算刺激角度；

所述显示器，实时显示从服务器获取的相同时刻的头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置及刺激角度。

8.根据权利要求7所述的基于颅表解剖标志的智能导航仪，其特征在于所述服务器分别对多目光学摄像头采集的图片对应的所述头面结构影像的空间位置、刺激线圈的空间位置进行计算、比较，显示最优结果。

9.根据权利要求7所述的基于颅表解剖标志的智能导航仪，其特征在于所述服务器，还通过匹配算法，在所述同一组中，将对应有同一部位的头面图像进行匹配，辅助所述头面解剖标志的空间位置的计算；将结构影像叠加到当前3D空间，辅助整个头部的空间定位。

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