CN112581606A - 一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法 - Google Patents

一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法，涉及医疗技术领域，该方法对手术区域的三维CT图像进行图像处理建模得到脊柱椎弓根的三维骨模型，基于三维骨模型的模型数据确定螺钉选型和相应的植入参数，相比于人为凭经验选择来说更准确客观，可以有效提高脊柱椎弓根螺钉植入的准确性；而且本申请使用多分辨配准策略进行配准，相比于现有一些传统的骨科手术导航方案需要预先在患者身上置入钛螺钉的做法来说，无需这种会对患者造成额外伤害的操作，而且相比于只使用最高分辨率图像进行配准，搜索到最佳几何变换参数的速度更快。

Description

一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，尤其是一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法。
背景技术
椎弓根螺钉技术由于其在脊柱三柱固定生物力学方面的优越性，使得它在脊柱外科手术中被广泛应用，由于椎弓根狭窄，螺钉一旦穿出椎弓根的侧壁手术即失败，因此从后路正确找到椎弓根标志进以确定螺钉的入点及进针方向极为重要。传统的脊柱椎弓根螺钉植入手术中，主要由医生凭借临床经验以及主观印象来确定螺钉的入点及进针方向，容易受医生人为主观因素的影响，精确度不高，导致手术医生的临床经验和技能成为影响手术质量的关键因素。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法，本发明的技术方案如下：
一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法，该方法包括：
获取脊柱椎弓根处的手术区域的三维CT图像，并对三维CT图像进行图像处理建模得到脊柱椎弓根的三维骨模型；
基于三维骨模型的模型数据确定螺钉在三维CT图像的图像坐标系下的螺钉选型和相应的植入参数，植入参数至少包括植入位置、植入倾角和植入距离；
在手术过程中实时获取手术区域的基于空间坐标系的二维X光图像；
对三维CT图像进行采样得到至少两层不同分辨率的第一子图像，对二维X光图像进行采样得到至少两层不同分辨率的第二子图像，从分辨率最低的第一子图像和第二子图像开始，基于不同分辨率下的第一子图像和第二子图像依次进行图像配准确定几何变换参数；
根据几何变换参数指示的图像坐标系与空间坐标系的映射关系确定螺钉在空间坐标系下的植入参数；
控制交互设备按照螺钉在空间坐标系下的植入参数对具有螺钉选型的螺钉进行植入。
其进一步的技术方案为，基于不同分辨率下的第一子图像和第二子图像依次进行图像配准确定几何变换参数，包括：
计算第k层分辨率下的第一子图像和第k层分辨率下的第二子图像的像素灰度差值；
若像素灰度差值超过预定阈值，则使用牛顿法搜索确定下一次迭代过程的几何变换参数并对第k层分辨率下的第一子图像进行几何变换后插值，对插值后的第一子图像进行重采样，并基于重采样的第k层分辨率下的第一子图像重新执行计算第k层分辨率下的第一子图像和第k层分辨率下的第二子图像的像素灰度差值的步骤；
若像素灰度差值超过预定阈值则完成对第k层分辨率下的子图像的配准得到对应的配准结果，并基于第k层的配准结果对第k+1层分辨率下的子图像进行配准，直至第k层分辨率下的第一子图像为原始的三维CT图像、第k层分辨率下的第二子图像为原始的二维X光图像时得到最终的几何变换参数，其中k为参数且k的起始值为1，第一层分辨率下的子图像是分辨率最小的子图像，第k+1层分辨率高于第k层分辨率。
其进一步的技术方案为，按照公式
Figure BDA0002861391760000021
计算第一子图像和第二子图像的像素灰度差值，其中，N为子图像中像素点的总个数，fb(xbi)是第二子图像的第i个像素点xbi的像素值，fa(xai)是第一子图像的第i个像素点xai的像素值，T和i均为参数；并对第k层分辨率下的第一子图像进行几何变换后使用光线投射法进行插值。
其进一步的技术方案为，基于三维骨模型的模型数据确定螺钉在三维CT图像的图像坐标系下的螺钉选型和相应的植入参数，包括：
通过图像处理技术识别三维骨模型中的损伤区域；
提取损伤区域的缺口形状并测量损伤区域的缺口大小；
根据预定匹配模型确定缺口大小和缺口形状对应的螺钉选型和对应的植入倾角；
基于确定的螺钉选型和植入倾角在三维骨模型上进行路径模拟并对比三维骨模型及其冠状面、矢状面和水平面，确定植入位置和植入距离。
其进一步的技术方案为，对三维CT图像进行图像处理建模得到脊柱椎弓根的三维骨模型，包括：
对于三维CT图像中每个像素点，利用像素点周围4个标准单位领域内的所有像素点的像素值的中值替代像素点的原始的像素值，完成对三维CT图像的预处理；
根据分割阈值从完成预处理的三维CT图像中提取目标图像区域，目标图像区域内的像素点的像素值达到分割阈值；
对目标图像区域内的像素点进行赋值以及合成建模得到三维骨模型。
其进一步的技术方案为，对目标图像区域内的像素点进行赋值以及合成建模得到三维骨模型，包括：
根据目标图像区域内的每个像素点的像素值所在的灰度值区间确定像素点对应的物质种类，每一个灰度值区间分别对应于一个物质种类；
根据预设索引表将每一个物质种类对应的所有像素点赋值为物质种类对应的初始颜色值和初始透明度，索引表记载各个物质种类分别对应的颜色值和透明度；
从投射光线上与视点位置最远的像素点出发，沿着投射光线向视点位置的方向基于各个像素点的初始颜色值和初始透明度以及前一个像素点的颜色值和透明度得到像素点的颜色值，建模得到三维骨模型。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
通过显示屏实时显示手术区域的三维骨模型及其冠状面、矢状面和水平面。
其进一步的技术方案为，获取到的三维CT图像和二维X光图像的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法，该方法通过图像处理技术还原得到三维骨模型，基于三维骨模型采集损伤区域的相应数据，同时可以进行路径的仿真和模拟，从而确定得到的螺钉选型和植入参数更客观也更准确，可以有效提高脊柱椎弓根螺钉植入的准确性、降低手术难度。而且本申请使用多分辨配准策略进行配准，相比于现有一些传统的骨科手术导航方案需要预先在患者身上置入钛螺钉的做法来说，无需这种会对患者造成额外伤害的操作，而且相比于只使用最高分辨率图像进行配准，搜索到最佳几何变换参数的速度更快。
另外本申请在图像配准框架中图像插值的方法为光线投射，相似度测度方法为最小灰度均方差法，同时兼顾了配准速度和配准精度。
附图说明
图1是本申请的脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法的方法流程图。
图2是本申请中对三维CT图像和二维X光图像的配准方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法，该方法实际应用时，用camkelists.txt文件来管理QT工程与VTK工程，通过cmake程序生成对应dll文件，在QTdesginer里通过QTVTKWidget整合QT和VTK，用vtkEventQtSlotConnect实现VTK事件与QT槽的连接，从而在QT界面工具整合VTK，后续可以在此软件基础上实现。请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S1，通过医疗影像设备获取脊柱椎弓根处的手术区域的三维CT图像，并对三维CT图像进行图像处理建模得到脊柱椎弓根的三维骨模型。
本申请采用CT机获取三维CT图像，三维CT图像传入计算机，软件通过VTK中的ImageReader2Factory类读取序列CT图像，通过SetDirectoryName函数读取连续CT图像。本申请中获取的三维CT图像的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。获取到三维CT图像后，首先进行图像预处理和特征提取，然后进行建模。
(1)本申请的图像预处理和特征提取的做法是：
对于三维CT图像中每个像素点，计算该像素点周围4个标准单位领域内的所有像素点的像素值的中值，然后利用该计算得到的中值替代中心的像素点的原始的像素值，完成对三维CT图像的预处理。然后根据预先设定的分割阈值从完成预处理的三维CT图像中提取目标图像区域，将像素值达到分割阈值的作为前景、未达到的作为背景，由此提取得到的目标图像区域内的像素点的像素值都达到分割阈值。
(2)本申请的对目标图像区域内的像素点进行赋值以及合成建模得到三维骨模型的做法是：
根据目标图像区域内的每个像素点的像素值所在的灰度值区间确定像素点对应的物质种类，每一个灰度值区间分别对应于一个物质种类，本申请所述的物质种类是临床医学领域中人体中的物质种类，比如骨骼、肌肉等等，灰度值区间的划分预先通过对不同物质种类进行数据统计实现。根据预设索引表将每一个物质种类对应的所有像素点赋值为物质种类对应的初始颜色值和初始透明度，索引表记载各个物质种类分别对应的颜色值和透明度、通常预先配置。从投射光线上与视点位置最远的像素点出发，沿着投射光线向视点位置的方向基于各个像素点的初始颜色值和初始透明度以及前一个像素点的颜色值和透明度得到像素点的颜色值和透明度，建模得到三维骨模型。基于每个像素点的初始颜色值和初始透明度以及前一个像素点的颜色值和透明度得到该像素点最终的颜色值为cout＝cin(1-anow)+cnowanow，cnow为当前像素点的初始颜色值，anow为当前像素点的初始透明度，沿着投射光线向视点位置的方向上当前像素点的前一个像素点的颜色值是cin。沿着投射光线向视点位置的方向依次合成，直至到达视点位置，由此可以建模得到三维骨模型。
步骤S2，基于三维骨模型的模型数据确定螺钉在三维CT图像的图像坐标系下的螺钉选型和相应的植入参数，植入参数至少包括植入位置、植入倾角和植入距离。本申请的做法是：通过图像处理技术识别三维骨模型中的损伤区域，提取并显示损伤区域的缺口形状，接收用户作用于损伤区域的选点操作，该选点操作用于在损伤区域的两端边界选点，通过vtkdistancewidget类实现二维图像的所选点之间的距离测量，通过vtkanglewidget类实现二维图像的所选点之间的角度测量，通过SetDataSpacing()将像素间的距离设置为实际距离，通过vtkDistanceRepresentation3D类实现三维图像的所选点之间的三维距离测量，从而可以测量得到损伤区域的缺口大小。根据预定匹配模型确定缺口大小和缺口形状对应的螺钉选型和对应的植入倾角，预定匹配模型预先拟合训练得到。
基于确定的螺钉选型和植入倾角在三维骨模型上进行路径模拟、模拟植入螺钉，并对比三维骨模型及其冠状面、矢状面和水平面，从而确定植入位置和植入距离，由此得到了螺钉选型和相应的植入参数。软件中预先存储有各类螺钉的STL文件，医生可以访问并查看图片，在确定螺钉选型后，导入该螺钉对应的STL文件，通过vtklinewidget根据选择的点确定路径，然后改写螺钉在图像坐标系下的坐标，使得螺钉沿着确定的路径移动，也即实现路径模拟。
步骤S3，在手术过程中通过医疗影像设备实时获取手术区域的基于空间坐标系的二维X光图像，本申请获取到的二维X光图像的格式也为Dicom，图像层厚≤1mm。
步骤S4，对三维CT图像和二维X光图像进行图像配准。
在本申请中，对三维CT图像进行采样得到至少两层不同分辨率的第一子图像，对二维X光图像进行采样得到至少两层不同分辨率的第二子图像，从分辨率最低的第一子图像和第二子图像开始，基于不同分辨率下的第一子图像和第二子图像依次进行图像配准确定几何变换参数。这种多分辨率配准策略相比于只使用最高分辨率的原始图像进行配准的做法来说，搜索到最佳的几何变换参数的速度更快。具体的，请参考图2：
(1)计算第k层分辨率下的第一子图像和第k层分辨率下的第二子图像的像素灰度差值。本申请采用最小灰度均方差法，按照公式
Figure BDA0002861391760000061
计算第一子图像和第二子图像的像素灰度差值，其中，N为子图像中像素点的总个数，fb(xbi)是第二子图像的第i个像素点xbi的像素值，fa(xai)是第一子图像的第i个像素点xai的像素值，T和i均为参数。
(2)若像素灰度差值超过预定阈值，则使用牛顿法搜索确定下一次迭代过程的几何变换参数并对第k层分辨率下的第一子图像进行几何变换后插值，本申请使用光线投射法进行插值。对插值后的第一子图像进行重采样，并基于重采样的第k层分辨率下的第一子图像重新执行计算步骤(1)得到新的像素灰度差值。
(3)若像素灰度差值超过预定阈值则完成对第k层分辨率下的子图像的配准得到对应的配准结果，并基于第k层的配准结果对第k+1层分辨率下的子图像进行配准，直至第k层分辨率下的第一子图像为原始的三维CT图像、第k层分辨率下的第二子图像为原始的二维X光图像时得到最终的几何变换参数，其中k为参数且k的起始值为1，第一层分辨率下的子图像是分辨率最小的子图像，第k+1层分辨率高于第k层分辨率。
步骤S5，根据几何变换参数指示的图像坐标系与空间坐标系的映射关系对图像坐标系下的植入参数进行坐标变换，即能确定螺钉在空间坐标系下的植入参数；
步骤S6，控制交互设备按照螺钉在空间坐标系下的植入参数对具有螺钉选型的螺钉进行植入。同时可以通过显示屏实时显示手术区域的三维骨模型及其冠状面、矢状面和水平面。
以上的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脊柱椎弓根螺钉植入手术导航方法，其特征在于，所述方法包括：
获取脊柱椎弓根处的手术区域的三维CT图像，并对所述三维CT图像进行图像处理建模得到脊柱椎弓根的三维骨模型；
基于所述三维骨模型的模型数据确定螺钉在所述三维CT图像的图像坐标系下的螺钉选型和相应的植入参数，所述植入参数至少包括植入位置、植入倾角和植入距离；
在手术过程中实时获取所述手术区域的基于空间坐标系的二维X光图像；
对所述三维CT图像进行采样得到至少两层不同分辨率的第一子图像，对所述二维X光图像进行采样得到至少两层不同分辨率的第二子图像，从分辨率最低的第一子图像和第二子图像开始，基于不同分辨率下的第一子图像和第二子图像依次进行图像配准确定几何变换参数；
根据所述几何变换参数指示的所述图像坐标系与空间坐标系的映射关系确定螺钉在空间坐标系下的植入参数；
控制交互设备按照螺钉在空间坐标系下的植入参数对具有所述螺钉选型的螺钉进行植入。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于不同分辨率下的第一子图像和第二子图像依次进行图像配准确定几何变换参数，包括：
计算第k层分辨率下的第一子图像和第k层分辨率下的第二子图像的像素灰度差值；
若像素灰度差值超过预定阈值，则使用牛顿法搜索确定下一次迭代过程的几何变换参数并对所述第k层分辨率下的第一子图像进行几何变换后插值，对插值后的第一子图像进行重采样，并基于重采样的第k层分辨率下的第一子图像重新执行所述计算第k层分辨率下的第一子图像和第k层分辨率下的第二子图像的像素灰度差值的步骤；
若像素灰度差值超过所述预定阈值则完成对第k层分辨率下的子图像的配准得到对应的配准结果，并基于第k层的配准结果对第k+1层分辨率下的子图像进行配准，直至第k层分辨率下的第一子图像为原始的三维CT图像、第k层分辨率下的第二子图像为原始的二维X光图像时得到最终的几何变换参数，其中k为参数且k的起始值为1，第一层分辨率下的子图像是分辨率最小的子图像，第k+1层分辨率高于第k层分辨率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
按照公式
Figure FDA0002861391750000021
计算第一子图像和第二子图像的像素灰度差值，其中，N为子图像中像素点的总个数，fb(xbi)是第二子图像的第i个像素点xbi的像素值，fa(xai)是第一子图像的第i个像素点xai的像素值，T和i均为参数；并对所述第k层分辨率下的第一子图像进行几何变换后使用光线投射法进行插值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述三维骨模型的模型数据确定螺钉在所述三维CT图像的图像坐标系下的螺钉选型和相应的植入参数，包括：
通过图像处理技术识别所述三维骨模型中的损伤区域；
提取所述损伤区域的缺口形状并测量所述损伤区域的缺口大小；
根据预定匹配模型确定所述缺口大小和缺口形状对应的螺钉选型和对应的植入倾角；
基于确定的螺钉选型和植入倾角在所述三维骨模型上进行路径模拟并对比所述三维骨模型及其冠状面、矢状面和水平面，确定植入位置和植入距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述三维CT图像进行图像处理建模得到脊柱椎弓根的三维骨模型，包括：
对于所述三维CT图像中每个像素点，利用所述像素点周围4个标准单位领域内的所有像素点的像素值的中值替代所述像素点的原始的像素值，完成对所述三维CT图像的预处理；
根据分割阈值从完成预处理的三维CT图像中提取目标图像区域，所述目标图像区域内的像素点的像素值达到所述分割阈值；
对所述目标图像区域内的像素点进行赋值以及合成建模得到所述三维骨模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述目标图像区域内的像素点进行赋值以及合成建模得到所述三维骨模型，包括：
根据所述目标图像区域内的每个像素点的像素值所在的灰度值区间确定所述像素点对应的物质种类，每一个灰度值区间分别对应于一个物质种类；
根据预设索引表将每一个物质种类对应的所有像素点赋值为所述物质种类对应的初始颜色值和初始透明度，所述索引表记载各个物质种类分别对应的颜色值和透明度；
从投射光线上与视点位置最远的像素点出发，沿着投射光线向视点位置的方向基于各个像素点的初始颜色值和初始透明度以及前一个像素点的颜色值和透明度得到所述像素点的颜色值，建模得到所述三维骨模型。
7.根据权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过显示屏实时显示手术区域的所述三维骨模型及其冠状面、矢状面和水平面。
8.根据权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，获取到的所述三维CT图像和所述二维X光图像的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。
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