CN114052907A - 一种手术导航定位系统及其配准方法 - Google Patents

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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
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Abstract

本发明公开了一种手术导航定位系统及其配准方法。属于医疗器械技术领域。通过红外光学传感器和空间运动轨迹，同时通过安装在成像模体上的跟踪器采集成像模体上标志点的空间坐标，从而建立C臂运动轨迹和成像模体上标志点的关系。在实际的手术过程中，采集C臂空间运动轨迹，通过预先保存好的C臂空间运动轨迹和成像模体上标志点关系，自动计算出病人坐标空间和成像模体确定的图像空间的关系，再通过预先建立好的三维C臂图像空间到CT/MRI图像空间的关系，计算出病人坐标空间到CT/MRI图像空间的转换关系，实现空间配准。本发明解决了三维C臂手术空间和CT/MRI图像空间的匹配问题，操作简单快捷，配准精度高，引导图像清晰。

Description

一种手术导航定位系统及其配准方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种手术导航定位系统及其配准方法；具体的是，涉及一种基于CT/MRI图像和三维C臂成像原理的手术导航定位系统的配准方法。
背景技术
手术导航定位系统因其可以在术中通过机械臂引导手术入路，实时观察手术器械位置的特性而在临床上应用越来越广泛，其原理是以患者的术前CT/MRI影像学资料为数据源建立图像坐标系，以定位系统的为数据源建立空间坐标系，以三维C臂影像为媒介，计算两个坐标系的转换关系，从而实现由空间坐标系向图像坐标系的转换，即配准，从而达到在手术中实时跟踪获取手术器械的目的。
配准是手术导航定位系统使用过程中必不可少的关键步骤，传统的配准方法多以贴标志点的方式来完成，术前在患者手术部位贴一定数量的标志点，对患者进行图像扫描，三维重建后提取标志点的图像坐标点集，术中在定位系统下获取病人头部的标志点的空间坐标点集，通过最小二乘法计算这两个点集的转换矩阵，完成配准。但是，使用标志点的配准方法，要求病人在手术前进行专门的准备，在术中也需要对标志点进行一个个的标定，这就大大增加了患者手术的时间和复杂度，不利于紧急情况下的手术实施，而术中C臂图像清晰度差，也制约了该设备的应用。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供了一种操作简单方便，配准速度快，引导图像清晰的手术导航定位系统图像配准的方法。
技术方案：本发明所述的一种手术导航定位系统，所述手术导航定位系统包括相互连接的CT/MRI图像、三维C臂图像配准、成像模体、成像模体跟踪器及影像接收端跟踪装置；在所述的CT/MRI图像和三维C臂图像配准之间建立两个坐标系之间的转换关系；在所述成像模体上安设有三维C臂校正的标志点，该标志点可在X光下清晰的显影；
在所述成像模体跟踪器上安设有光学跟踪定位小球；光学跟踪定位小球组成特定的几何形状，定位系统能够根据该特定几何形状，判断观察到的工具类型，以此检测到成像模体跟踪器坐标系的位置，成像模体上的标志点和成像模体跟踪器坐标系的位置关系是提前标定好的，所以在导航校正过程中，只需检测到成像模体跟踪器坐标系的位置，即可计算出标志点的空间位置；影像接收端跟踪器是一种跟踪C臂影像接收端运动轨迹的光学跟踪定位装置，在C臂影像接收端运动的过程中，每个位置都能被影像接收端跟踪器检测到。
进一步的，所述CT/MRI图像和三维C臂图像配准通过几何形态学和ICP算法完成，建立两者之间的转换关系。
进一步的，所述成像模体上安设的标志点组成特定的螺旋曲线。
进一步的，所述成像模体跟踪器上安设的光学跟踪定位小球组成特定的几何形状、且能够反射红外光。
进一步的，预先通过C臂影像接收端轨迹跟踪装置和成像模体跟踪器采集到C臂轨迹和标志点的位置，计算出两者之间的转换关系
进一步的，在手术过程中，只需采集C臂轨迹，通过(CT/MRI图像和三维C臂图像配准通过几何形态学和ICP算法完成，建立两者之间的转换关系)和(预先通过C臂影像接收端轨迹跟踪装置和成像模体跟踪器采集到C臂轨迹和标志点的位置，计算出两者之间的转换关系)计算出的转换关系，采用ICP算法，完成病人空间到CT/MRI图像空间的转换。
进一步的，一种手术导航定位系统的配准方法，其具体操作步骤如下：
(1)、进行三维C臂图像校正，并记录校正时三维C臂影像接收端运动轨迹和成像模体上电的坐标；
(2)、术中对校正的三维C臂图像进行扫描，记录术中三维C臂影像接收端运动轨迹；
通过记录术中三维C臂影像接收端运动轨迹和记录校正时三维C臂影像接收端运动轨迹和成像模体上电的坐标；求取术中轨迹和校正轨迹的转换关系RT1；
(3)、导入CT/MRI图像，将导入的CT/MRI图像和术中三维C臂图像进行配准，建立术中三维C臂图像和CT/MRI图像的转换关系RT2；
通过建立术中三维C臂图像和CT/MRI图像的转换关系RT2和求取术中轨迹和校正轨迹的转换关系RT1，计算出手术空间和CT/MRI图像空间的转换关系；
(4)、根据转换关系确定配准精度是否满足要求，如是，则操作结束，即通过配准，则可自动进行手术导航定位，并计算导航精度；如否，则检查可能出现的原因，找出原因，然后返回至步骤(2)，即重新采集C臂轨迹，进行配准过程；重新进行配准。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点:本发明需要与三维C臂和手术导航系统配合工作，配准速度快，过程简便，引导图像清晰。
附图说明
图1是本发明的操作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做出进一步说明。
如图所述，本发明所述的一种手术导航定位系统，所述手术导航定位系统包括相互连接的CT/MRI图像、三维C臂图像配准、成像模体、成像模体跟踪器及影像接收端跟踪装置；在所述的CT/MRI图像和三维C臂图像配准之间建立两个坐标系之间的转换关系；在所述成像模体上安设有三维C臂校正的标志点，该标志点可在X光下清晰的显影；
在所述成像模体跟踪器上安设有光学跟踪定位小球；光学跟踪定位小球组成特定的几何形状，定位系统能够根据该特定几何形状，判断观察到的工具类型，以此检测到成像模体跟踪器坐标系的位置，成像模体上的标志点和成像模体跟踪器坐标系的位置关系是提前标定好的，所以在导航校正过程中，只需检测到成像模体跟踪器坐标系的位置，即可计算出标志点的空间位置；影像接收端跟踪器是一种跟踪C臂影像接收端运动轨迹的光学跟踪定位装置，在C臂影像接收端运动的过程中，每个位置都能被影像接收端跟踪器检测到。
进一步的，所述CT/MRI图像和三维C臂图像配准通过几何形态学和ICP算法完成，建立两者之间的转换关系。
进一步的，所述成像模体上安设的标志点组成特定的螺旋曲线。
进一步的，所述成像模体跟踪器上安设的光学跟踪定位小球组成特定的几何形状、且能够反射红外光。
进一步的，预先通过C臂影像接收端轨迹跟踪装置和成像模体跟踪器采集到C臂轨迹和标志点的位置，计算出两者之间的转换关系
进一步的，在手术过程中，只需采集C臂轨迹，通过(CT/MRI图像和三维C臂图像配准通过几何形态学和ICP算法完成，建立两者之间的转换关系)和(预先通过C臂影像接收端轨迹跟踪装置和成像模体跟踪器采集到C臂轨迹和标志点的位置，计算出两者之间的转换关系)计算出的转换关系，采用ICP算法，完成病人空间到CT/MRI图像空间的转换。
进一步的，一种手术导航定位系统的配准方法，其具体操作步骤如下：
(1)、进行三维C臂图像校正，并记录校正时三维C臂影像接收端运动轨迹和成像模体上电的坐标；
(2)、术中对校正的三维C臂图像进行扫描，记录术中三维C臂影像接收端运动轨迹；
通过记录术中三维C臂影像接收端运动轨迹和记录校正时三维C臂影像接收端运动轨迹和成像模体上电的坐标；求取术中轨迹和校正轨迹的转换关系RT1；
(3)、导入CT/MRI图像，将导入的CT/MRI图像和术中三维C臂图像进行配准，建立术中三维C臂图像和CT/MRI图像的转换关系RT2；
通过建立术中三维C臂图像和CT/MRI图像的转换关系RT2和求取术中轨迹和校正轨迹的转换关系RT1，计算出手术空间和CT/MRI图像空间的转换关系；
(4)、根据转换关系确定配准精度是否满足要求，如是，则操作结束，即通过配准，则可自动进行手术导航定位，并计算导航精度；如否，则检查可能出现的原因，找出原因，然后返回至步骤(2)，即重新采集C臂轨迹，进行配准过程；重新进行配准。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种手术导航定位系统，其特征在于，所述手术导航定位系统包括相互连接的CT/MRI图像、三维C臂图像配准、成像模体、成像模体跟踪器及影像接收端跟踪装置；
在所述的CT/MRI图像和三维C臂图像配准之间建立两个坐标系之间的转换关系；
在所述成像模体上安设有三维C臂校正的标志点；
在所述成像模体跟踪器上安设有光学跟踪定位小球。
2.根据权利要求1所述的一种手术导航定位系统，其特征在于，
所述CT/MRI图像和三维C臂图像配准通过几何形态学和ICP算法完成，建立两者之间的转换关系。
3.根据权利要求1所述的一种手术导航定位系统，其特征在于，
所述成像模体上安设的标志点组成特定的螺旋曲线。
4.根据权利要求1所述的一种手术导航定位系统，其特征在于，
所述成像模体跟踪器上安设的光学跟踪定位小球组成特定的几何形状、且能够反射红外光。
5.根据权利要求1-4所述的一种手术导航定位系统的配准方法，其具体操作步骤如下：
(1)、进行三维C臂图像校正，并记录校正时三维C臂影像接收端运动轨迹和成像模体上电的坐标；
(2)、术中对校正的三维C臂图像进行扫描，记录术中三维C臂影像接收端运动轨迹；
通过记录术中三维C臂影像接收端运动轨迹和记录校正时三维C臂影像接收端运动轨迹和成像模体上电的坐标；求取术中轨迹和校正轨迹的转换关系RT1；
(3)、导入CT/MRI图像，将导入的CT/MRI图像和术中三维C臂图像进行配准，建立术中三维C臂图像和CT/MRI图像的转换关系RT2；
通过建立术中三维C臂图像和CT/MRI图像的转换关系RT2和求取术中轨迹和校正轨迹的转换关系RT1，计算出手术空间和CT/MRI图像空间的转换关系；
(4)、根据转换关系确定配准精度是否满足要求，如是，则操作结束，如否，则检查可能出现的原因，然后返回至步骤(2)，重新进行配准。
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