CN113274130A - 用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法。包括步骤:S1:导入病灶部位CT序列,处理CT图像并提取上表面皮肤轮廓;S2:将二维皮肤轮廓重建为三维点集,对点集的CT坐标系进行初步坐标变换;S3:将结构光相机标定至手术空间坐标系;S4:使用结构光相机采集手术空间点云,并完成点云的分割与变换;S5:手术空间去除离群点去除,采用分辨率一致性降采样得到简化的图像与手术空间点云;S6:将CT图像空间点云配准到手术空间,完成手术注册。本发明公开的手术注册过程无需人为干预,能够在降低手术注册操作复杂度与操作时间的同时保证足够的手术导航精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学手术导航的技术领域,特别涉及一种用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法。
背景技术
手术注册是手术导航中的关键技术,通过手术注册实现图像空间和手术空间之间的映射,才能在虚拟环境中反映真实的手术情况、精准定位手术器械,辅助医生快速、精准地完成穿刺消融手术。
目前,应用于临床的手术注册技术多采用基于标记点的手术注册方法。基于标记点的手术注册方法需要在术前图像空间的三维模型中识别标记点,并与患者术中解剖结构上相对应的标记点进行配准,标记点的类型主要分为表面粘贴标记点、骨植入标记点和解剖标记点。其中,基于解剖标记点的手术注册需要利用人体上显著特征点作为标识,如鼻尖、眼角等,使用于头部神经外科手术;粘贴式标记点需要术中粘贴,并再次进行医学影像扫描,费力耗时,且一旦手术过程中任一标记点发生移位,都会极大地影响手术注册精度;植入型的标记点注册精度高,但需要借助器械识别标记点,会造成额外的手术创伤。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案,其并不必然属于本专利申请的现有技术,在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下,上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足,提供一种用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,该方法能够满足光学导航系统在经皮消融治疗的临床应用需求,手术注册过程无需人为干预,能够在降低手术注册操作复杂度与操作时间的同时保证足够的手术导航精度。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,包括以下步骤:
S1:导入病灶部位CT序列,处理CT图像并提取上表面皮肤轮廓;
S2:将二维皮肤轮廓重建为三维点集H,对点集H的CT坐标系进行初步坐标变换;
S3:将结构光相机标定至手术空间坐标系,得到结构光相机坐标系与手术空间坐标系的转换关系;
S4:结构光相机采集从病灶部位到相机的深度数据,从而得到病灶部位的三维坐标点集,从该三维点集中分割出皮肤点集V,并根据步骤S3得到的坐标转换关系将点集V变换到手术空间坐标系下;
S5:去除点集V中的离群点,采用分辨率一致性降采样对点集H和V进行降采样,得到简化的点集H’和V’;
S6:将V’作为目标点集,把点集H’精配准到点集V’,从而得到CT图像空间到手术空间的坐标转换关系,即完成手术注册。
在步骤S1中,对CT图像先后进行加窗处理、二值化处理与轮廓提取得到二维皮肤轮廓,然后截取轮廓的上四分之一作为上表面皮肤轮廓。
在步骤S2中,初步坐标变换是:对原始点集H进行坐标转换,重新指定CT图像空间坐标系的原点以及方向,使得CT图像空间坐标系与手术空间坐标系的方向大致相同。
在步骤S3中,标定过程使用专用标定板,该标定板能同时标定结构光相机与双目导航系统,从而实现将结构光相机标定至手术空间坐标系。
在步骤S4中,分割出皮肤点集V的方法为:对深度图对应的灰度图进行二值化与形态学处理,提取最大轮廓区域以制作皮肤掩膜;再根据CT图像计算横断面重心到上表面的距离,对手术空间中点云进行Z轴轴向约束,筛除重心以下的大量非目标区域点云;最后通过二维图像掩模-三维点云映射得到皮肤区域的三维点云。
在步骤S5中,分辨率一致性降采样是:使用相同大小的小正方体(即相同分辨率)对点集H、V进行划分,按一定策略选择正方体中的一点代替整个正方体中包含的点,从而得到简化的点集H’和V’。
本发明与现有技术相比较,具有如下有点与有益效果:
1.本发明提供一种用于光学导航系统的无标记手术注册方法,该方法以结构光3D视觉系统作为腹部点云采集设备,与术前采集的CT影像数据进行配准,实现全自动手术注册。
2.本发明能够满足光学导航系统在腹部经皮消融治疗的临床应用需求,手术导航系统配置步骤简单,手术注册过程无需人为干预,能够在降低手术注册操作复杂度与操作时间的同时保证足够的手术导航精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中CT处理过程的示意图。
图3为本发明实施例中待标定的光学导航系统的示意图。
图4为本发明实施例中手术空间点云处理过程的示意图。
图5为本发明实施例中降采样的示意图。
图6为本实施例中点集的配准结果。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当强调的是,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例一:
参阅图1,一种用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,包括如下步骤:
S1:导入病灶部位CT序列,处理CT图像并提取上表面皮肤轮廓;
S2:将二维皮肤轮廓重建为三维点集H,对点集H的CT坐标系进行初步坐标变换;
S3:将结构光相机标定至手术空间坐标系,得到结构光相机坐标系与手术空间坐标系的转换关系;
S4:结构光相机采集从病灶部位到相机的深度数据,从而得到病灶部位的三维坐标点集,从该三维点集中分割出皮肤点集V,并根据步骤S3得到的坐标转换关系将点集V变换到手术空间坐标系下;
S5:去除点集V中的离群点,采用分辨率一致性降采样对点集H和V进行降采样,得到简化的点集H’和V’;
S6:将V’作为目标点集,把点集H’精配准到点集V’,从而得到CT图像空间到手术空间的坐标转换关系,即完成手术注册。
本实例方法能实现全自动的图像空间到手术空间的无标记手术注册。
实施例二:
在本实施例中,在所述步骤S1中,对CT图像先后进行加窗处理、二值化处理与轮廓提取得到二维皮肤轮廓,然后截取轮廓的上四分之一作为上表面皮肤轮廓。
在本实施例中,在所述步骤S2中,初步坐标变换是:对原始点集H进行坐标转换,重新指定CT图像空间坐标系的原点以及方向,使得CT图像空间坐标系与手术空间坐标系的方向大致相同。
在本实施例中,在所述步骤S3中,标定过程使用专用标定板,该标定板能同时标定结构光相机与双目导航系统,从而实现将结构光相机标定至手术空间坐标系。
在本实施例中,在所述步骤S4中,分割出皮肤点集V的方法为:对深度图对应的灰度图进行二值化与形态学处理,提取最大轮廓区域以制作皮肤掩膜;再根据CT图像计算横断面重心到上表面的距离,对手术空间中点云进行Z轴轴向约束,筛除重心以下的大量非目标区域点云;最后通过二维图像掩模-三维点云映射得到皮肤区域的三维点云。
在本实施例中,在所述步骤S5中,分辨率一致性降采样是:使用相同大小的小正方体(即相同分辨率)对点集H、V进行划分,按一定策略选择正方体中的一点代替整个正方体中包含的点,从而得到简化的点集H’和V’。
实施例三:
在本实施例中,参阅图1至图6,一种用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,具体包括如下步骤:
S1:导入CT并提取皮肤轮廓。如图2所示,导入病灶部位CT序列,对CT图像先后进行加窗处理、二值化处理与轮廓提取得到二维皮肤轮廓,然后截取轮廓的上四分之一作为上表面皮肤轮廓。
S2:CT皮肤点云重建与坐标初步变换。如图2所示,将步骤S1提取的二维皮肤轮廓附上z方向坐标值从而重建为三维点集H,对原始点集H进行坐标转换,重新指定CT图像空间坐标系的原点以及方向,使得CT图像空间坐标系与手术空间坐标系的方向大致相同。
S3:结构光相机标定。如图3所示,标定过程使用专用标定板,以标定板坐标系作为手术空间坐标系,该标定板能实现结构光相机与双目导航系统的联合标定,使得两套相机系统能够任意进行坐标转换,从而实现将结构光相机标定至手术空间坐标系,最终得到结构光相机坐标系与手术空间坐标系的转换关系。
S4:手术空间点云采集、分割与变换。结构光相机采集从病灶部位到相机的深度数据,从而得到病灶部位的三维坐标点集,从该三维点集中分割出皮肤点集V,如图4所示,该分割过程为:对深度图对应的灰度图进行二值化与形态学处理,提取最大轮廓区域以制作皮肤掩膜;再根据CT图像计算横断面重心到上表面的距离,对手术空间中点云进行Z轴轴向约束,筛除重心以下的大量非目标区域点云;最后通过二维图像掩模-三维点云映射得到皮肤区域的三维点云。然后根据步骤S3得到的坐标转换关系将点集V变换到手术空间坐标系下。
S5:离群点去除与分辨率一致性降采样。首先去除手术空间下点集V中的离群点:以某一目标点为球心、确定长度为半径做球体,在球体内搜索所有的邻近点,通过设置合适的半径和邻近点数量阈值实现对离群点的去除。然后采用分辨率一致性降采样对点集H和V进行降采样(如图5所示):使用相同大小的小正方体(即相同分辨率)对点集H、V进行划分,按一定策略选择正方体中的一点代替整个正方体中包含的点,从而得到简化的点集H’和V’。
S6:精配准。将V’作为目标点集,使用一致性点漂移算法(cpd)把点集H’精配准到点集V’(如图6所示),从而得到CT图像空间到手术空间的坐标转换关系,即完成手术注册。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型,而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:导入病灶部位CT序列,处理CT图像并提取上表面皮肤轮廓;
S2:将二维皮肤轮廓重建为三维点集H,对点集H的CT坐标系进行初步坐标变换;
S3:将结构光相机标定至手术空间坐标系,得到结构光相机坐标系与手术空间坐标系的转换关系;
S4:结构光相机采集从病灶部位到相机的深度数据,从而得到病灶部位的三维坐标点集,从该三维点集中分割出皮肤点集V,并根据步骤S3得到的坐标转换关系将点集V变换到手术空间坐标系下;
S5:去除点集V中的离群点,采用分辨率一致性降采样对点集H和V进行降采样,得到简化的点集H’和V’;
S6:将V’作为目标点集,把点集H’精配准到点集V’,从而得到CT图像空间到手术空间的坐标转换关系,即完成手术注册。
2.根据权利要求1所述的用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,其特征在于,在步骤S1中,对CT图像先后进行加窗处理、二值化处理与轮廓提取得到二维皮肤轮廓,然后截取轮廓的上四分之一作为上表面皮肤轮廓。
3.根据权利要求1所述的用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,其特征在于,在步骤S2中,初步坐标变换是:对原始点集H进行坐标转换,重新指定CT图像空间坐标系的原点以及方向,使得CT图像空间坐标系与手术空间坐标系的方向大致相同。
4.根据权利要求1所述的用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,其特征在于,在步骤S3中,标定过程使用专用标定板,该标定板能同时标定结构光相机与双目导航系统,从而实现将结构光相机标定至手术空间坐标系。
5.根据权利要求1所述的用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,其特征在于,在步骤S4中,分割出皮肤点集V的方法为:对深度图对应的灰度图进行二值化与形态学处理,提取最大轮廓区域以制作皮肤掩膜;再根据CT图像计算横断面重心到上表面的距离,对手术空间中点云进行Z轴轴向约束,筛除重心以下的大量非目标区域点云;最后通过二维图像掩模-三维点云映射得到皮肤区域的三维点云。
6.根据权利要求1所述的用于光学手术导航系统的无标记手术注册方法,其特征在于,在步骤S5中,分辨率一致性降采样是:使用相同大小的小正方体,即相同分辨率,对点集H、V进行划分,按一定策略选择正方体中的一点代替整个正方体中包含的点,从而得到简化的点集H’和V’。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210820 |