CN114305685A - 一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法，包括步骤：S100术前规划：对患者CT影像进行分割重建，得到患者术侧髋关节三维模型，通过髋关节三维模型，规划出粗配准选点及精配准选点方案；S200术中粗配准：根据导航相机、反光阵列、手术探针，将髋关节实体与术前规划时重建的三维模型相配准，得到髋骨参考架与三维模型粗略的转换关系；S300术前规划的精配准选点，采集后进行点云配准；S400点云配准算法，得到精度更高的配准结果，最终实现髋关节实体与术前的三维模型的精确配准。解决了传统配准方法对髋关节实体进行配准时容易陷入局部最优解的问题，避免在髋臼窝沿着臼沿旋转之后的误差无法识别的情况出现，提升了对髋关节实体配准鲁棒性及精度。
Description
技术领域
本发明涉及三维医学图像刚性配准技术领域，具体地说，涉及一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法。
背景技术
术前根据CT图像数据重建的三维模型，并在术中通过手术探针获取患者解剖后的骨盆参考点，将该参考点与三维模型进行刚性配准，将髋关节实体与术前规划的三维模型相匹配。刚性配准算法多数采用粗配准-精配准结合的方案。粗配准指在术前规划方案中的三维模型标定三个结构特征点，术中医生参照规划的点进行采集，通过奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）分解得到两者粗略的空间转换关系。精配准指医生接着在髋骨上采集一定数量的点，一般通过迭代最近点（Iterative Closest Point，ICP）方法最终得到术中病人体位与术前扫描数据(如CT和MRI)的坐标系转换关系。
ICP有两个局限性：1、该算法两个待配准点云有较好的相对初始位置。这就要求医生在根据术前规划方案采集粗配准点时误差尽可能的小，否则会导致粗配准的结果无法满足精配准时ICP的初始位置要求。而医生由于解剖位置的限制和病人软组织等因素的限制，往往无法对粗配准点做到十分精确的采集。2、由于ICP算法是基于点对点距离的优化，因此会陷入局部最优解。即配准结果的误差很小，但是髋关节实体与术前规划的三维模型仅仅是在医生采集参考点的区域配准误差小，而两者之间的整体配准误差仍然很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法，解决了在使用传统配准方法对髋关节实体进行配准时容易陷入局部最优解的问题，避免在髋臼窝沿着臼沿旋转之后的误差无法识别的情况出现，提升了对髋关节实体进行配准的鲁棒性及精度。
本发明公开的一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法，包括以下步骤：
S100，术前规划：对患者的CT影像进行分割重建，得到患者术侧的髋关节三维模型，通过髋关节三维模型，规划出粗配准选点及精配准选点方案，并记录其中粗配准点的坐标、利用系统软件计算出髋关节三维模型中的髋臼窝中心坐标并记录；
S200，术中粗配准：将反光阵列安装在患者的髋臼侧称为髋骨参考架，开启导航相机，将手术系统切换到髋骨导航界面，显示出术前规划的粗配准选点，手术人员手持同样安装反光阵列的手术探针，将手术探针尖端对准粗配准选点的位置，点击采集按钮，计算出采集点在髋骨参考架坐标系下的空间位置，按照规划顺序依次采集完所有粗配准点，即可得到一组粗配准点分别在髋骨参考架坐标系和术前三维模型坐标系的空间坐标点对，通过SVD分解即可得到髋骨参考架与三维模型粗略的转换关系，将两者大致对齐；
S300，术中精配准：依据术前规划的精配准选点，手术人员依次选取，每采集完一组6个点后，其中将本轮外的所有点进行一次点云配准，将本轮选点作为验证点应用该次配准结果，计算误差并显示；随着采集点的不断进行，手术人员通过观察配准误差来评估配准精度的变化，在共计5组30个点采集完成后，将进行最后的点云配准，即将当前所有采集点都加入点云配准；
S400,点云配准算法，首先进行一次传统的ICP 配准算法，即将步骤S200的粗配准结果应用于采集点云作为其初始位置；ICP的配准结果作为PICP的初始矩阵，接着以步骤S100中术前规划中计算的髋臼窝中心作为坐标原点，以髋臼窝切平面为z轴构建坐标系，分别绕该坐标系的x轴、y轴、z轴旋转随机度数得到一个扰动矩阵，并施加在初始矩阵上得到一个新的矩阵称为震荡矩阵，在得到10个震荡矩阵后，分别应用该矩阵并计算对应点的误差，比较得出误差最小的震荡矩阵，将当前最优矩阵作为初始矩阵进行一次ICP，比较其误差与上一次ICP的误差，取较小者的配准结果作为当前最优矩阵，至此称为完成了一轮震荡；接着再基于当前最优矩阵进行新一轮的震荡，并逐步减小扰动时的最大角度，从而保证本算法最后能逐步收敛；最终将PICP的配准结果作为初始矩阵，进行基于点到平面ICP配准，作为后处理，得到精度更高的配准结果，最终实现髋关节实体与术前的三维模型的精确配准。
作为优选，所述步骤S300中在共计5组30个点采集完成过程中，在任一组选点完成后，也可由手术人员提前终止选点过程。
本发明还公开一种新的技术方案，一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准装置，包括术前规划模块，其配置用髋关节三维模型，规划出粗配准选点及精配准选点方案，得出髋关节三维模型中的髋臼窝中心坐标；
术中粗配准模块，其配置用于根据导航相机、反光阵列、手术探针，将髋关节实体与术前规划时重建的三维模型相配准，得到髋骨参考架与三维模型粗略的转换关系；
术中精配准模块，其配置用于术前规划的精配准选点，采集后进行点云配准；
点云配准模块：其配置采用新的三维点云刚性配准方法实现髋关节实体与术前的三维模型的精确配准。
本发明的创新点在于：
1、优化了待配准点在患者髋关节实体上的分布。将髋关节以髋臼窝中心为原点，垂直于髋臼窝平面的方向作为z轴，将髋臼窝臼沿的凹处作为y轴，从而构建了三维坐标系。在每个坐标轴的正负方向选取两个点簇作为待配准点，从而最大程度的还原髋关节的形态学特征。
2、使用渐进式的配准方法。在给定的6个点簇中各选取1个点共计6个点称为一轮选点，每一轮选定都进行一次本发明的配准方法，并实时显示配准误差，从而让手术人员能较好的把握整个配准流程的整体精度，提早发现错误。若当前配准误差已经满足手术精度，也可以提前终止选点，节省手术时间。
3、提出了一种新的三维点云刚性配准方法，PerturbICP。通过术前规划得到的髋臼杯中心，作为每次震荡的旋转中心，从而构建出基于当前配准矩阵进行随机角度旋转的扰动矩阵；再从这些扰动矩阵出发，逐个进行误差计算，从而得到当前扰动矩阵中配准误差最小的矩阵作为当前最优矩阵；减小随机旋转的角度的上限，相应的扰动矩阵的扰动范围也逐步减小，扰动矩阵各自的配准误差之间的差距也逐步减小，最后得到逐渐稳定的当前最优矩阵，作为最终的配准结果。
4、在PICP的基础上使用基于点到面的ICP配准作为后处理。使用待配准点到三维模型的各个三角面片上的最小距离作为度量标准，进行ICP 配准。由于该方法对初始矩阵的精度有极高的要求，故将其放在PICP之后最后作为后处理。若该后处理有效减小了配准误差，则采用，否则保持原配准结果。
本发明公开的用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法的有益效果是：
1、优化了待配准点集的选择及其对应的点云配准方法，解决了在使用传统配准方法对髋关节实体进行配准时容易陷入局部最优解的问题。避免在髋臼窝沿着臼沿旋转之后的误差无法识别的情况出现，提升了对髋关节实体进行配准的鲁棒性及精度。
2、优化了配准流程，采用渐进式的配准方式。使得手术人员可以随着待配准点的采集进程，实时地了解到当前的配准情况，若发生了错误或者配准精度达到要求后可以提前终止配准过程，有效的减少手术时间。
附图说明
图1是本发明流程图。
图2是本发明精配准流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步阐述和说明:
请参考图1，为更具体解释步骤中包含的技术细节，下面将结合附图以对本发明进行进一步解释。
一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法，包括以下步骤：
S100，术前规划：对患者的CT影像进行分割重建，得到患者术侧的髋关节三维模型，通过髋关节三维模型，规划出粗配准选点及精配准选点方案，并记录其中粗配准点的坐标、利用系统软件计算出髋关节三维模型中的髋臼窝中心坐标并记录；
S200，术中粗配准：将反光阵列安装在患者的髋臼侧称为髋骨参考架，开启导航相机，将手术系统切换到髋骨导航界面，显示出术前规划的粗配准选点，手术人员手持同样安装反光阵列的手术探针，将手术探针尖端对准粗配准选点的位置，点击采集按钮，计算出采集点在髋骨参考架坐标系下的空间位置，按照规划顺序依次采集完所有粗配准点，即可得到一组粗配准点分别在髋骨参考架坐标系和术前三维模型坐标系的空间坐标点对，通过SVD分解即可得到髋骨参考架与三维模型粗略的转换关系，将两者大致对齐；
S300，术中精配准：依据术前规划的精配准选点，手术人员依次选取，每采集完一组6个点后，其中将本轮外的所有点进行一次点云配准，将本轮选点作为验证点应用该次配准结果，计算误差并显示；随着采集点的不断进行，手术人员通过观察配准误差来评估配准精度的变化，在共计5组30个点采集完成后，或者每组选点完成后由手术人员提前终止选点过程，将进行最后的点云配准，即将当前所有采集点都加入点云配准；
S400,点云配准算法，首先进行一次传统的ICP 配准算法，即将步骤S200的粗配准结果应用于采集点云作为其初始位置；ICP的配准结果作为PICP的初始矩阵，接着以步骤S100中术前规划中计算的髋臼窝中心作为坐标原点，以髋臼窝切平面为z轴构建坐标系，分别绕该坐标系的x轴、y轴、z轴旋转随机度数得到一个扰动矩阵，并施加在初始矩阵上得到一个新的矩阵称为震荡矩阵，在得到10个震荡矩阵后，分别应用该矩阵并ICP配准计算对应点的误差，比较得出误差最小的震荡矩阵，将当前最优矩阵作为初始矩阵进行一次ICP，比较其误差与上一次ICP的误差，取较小者的配准结果作为当前最优矩阵，至此称为完成了一轮震荡；接着再基于当前最优矩阵进行新一轮的震荡，并逐步减小扰动时的最大角度，从而保证本算法最后能逐步收敛；最终将PICP的配准结果作为初始矩阵，进行基于点到平面ICP配准，作为后处理，得到精度更高的配准结果，最终实现髋关节实体与术前的三维模型的精确配准。
一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准装置，包括术前规划模块，其配置用髋关节三维模型，规划出粗配准选点及精配准选点方案，得出髋关节三维模型中的髋臼窝中心坐标；
术中粗配准模块，其配置用于根据导航相机、反光阵列、手术探针，将髋关节实体与术前规划时重建的三维模型相配准，得到髋骨参考架与三维模型粗略的转换关系；
术中精配准模块，其配置用于术前规划的精配准选点，采集后进行点云配准；
点云配准模块：其配置采用新的三维点云刚性配准方法实现髋关节实体与术前的三维模型的精确配准。
本发明用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法，优点为：1、优化了待配准点在患者髋关节实体上的分布。将髋关节以髋臼窝中心为原点，垂直于髋臼窝平面的方向作为z轴，将髋臼窝臼沿的凹处作为y轴，从而构建了三维坐标系。在每个坐标轴的正负方向选取两个点簇作为待配准点，从而最大程度的还原髋关节的形态学特征。
2、使用渐进式的配准方法。在给定的6个点簇中各选取1个点共计6个点称为一轮选点，每一轮选定都进行一次本发明的配准方法，并实时显示配准误差，从而让手术人员能较好的把握整个配准流程的整体精度，提早发现错误。若当前配准误差已经满足手术精度，也可以提前终止选点，节省手术时间。
3、提出了一种新的三维点云刚性配准方法，PerturbICP。通过术前规划得到的髋臼杯中心，作为每次震荡的旋转中心，从而构建出基于当前配准矩阵进行随机角度旋转的扰动矩阵；再从这些扰动矩阵出发，逐个进行误差计算，从而得到当前扰动矩阵中配准误差最小的矩阵作为当前最优矩阵；减小随机旋转的角度的上限，相应的扰动矩阵的扰动范围也逐步减小，扰动矩阵各自的配准误差之间的差距也逐步减小，最后得到逐渐稳定的当前最优矩阵，作为最终的配准结果。
4、在PICP的基础上使用基于点到面的ICP配准作为后处理。使用待配准点到三维模型的各个三角面片上的最小距离作为度量标准，进行ICP 配准。由于该方法对初始矩阵的精度有极高的要求，故将其放在PICP之后最后作为后处理。若该后处理有效减小了配准误差，则采用，否则保持原配准结果。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (3)
1.一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，术前规划：对患者的CT影像进行分割重建，得到患者术侧的髋关节三维模型，通过髋关节三维模型，规划出粗配准选点及精配准选点方案，并记录其中粗配准点的坐标、利用系统软件计算出髋关节三维模型中的髋臼窝中心坐标并记录；
S200，术中粗配准：将反光阵列安装在患者的髋臼侧称为髋骨参考架，开启导航相机，将手术系统切换到髋骨导航界面，显示出术前规划的粗配准选点，手术人员手持同样安装反光阵列的手术探针，将手术探针尖端对准粗配准选点的位置，点击采集按钮，计算出采集点在髋骨参考架坐标系下的空间位置，按照规划顺序依次采集完所有粗配准点，即可得到一组粗配准点分别在髋骨参考架坐标系和术前三维模型坐标系的空间坐标点对，通过SVD分解即可得到髋骨参考架与三维模型粗略的转换关系，将两者大致对齐；
S300，术中精配准：依据术前规划的精配准选点，手术人员依次选取，每采集完一组6个点后，其中将本轮外的所有点进行一次点云配准，将本轮选点作为验证点应用该次配准结果，计算误差并显示；随着采集点的不断进行，手术人员通过观察配准误差来评估配准精度的变化，在共计5组30个点采集完成后，将进行最后的点云配准，即将当前所有采集点都加入点云配准；
S400,点云配准算法，首先进行一次传统的ICP 配准算法，即将步骤S200的粗配准结果应用于采集点云作为其初始位置；ICP的配准结果作为PICP的初始矩阵，接着以步骤S100中术前规划中计算的髋臼窝中心作为坐标原点，以髋臼窝切平面为z轴构建坐标系，分别绕该坐标系的x轴、y轴、z轴旋转随机度数得到一个扰动矩阵，并施加在初始矩阵上得到一个新的矩阵称为震荡矩阵，在得到10个震荡矩阵后，分别应用该矩阵并计算对应点的误差，比较得出误差最小的震荡矩阵，将当前最优矩阵作为初始矩阵进行一次ICP，比较其误差与上一次ICP的误差，取较小者的配准结果作为当前最优矩阵，至此称为完成了一轮震荡；接着再基于当前最优矩阵进行新一轮的震荡，并逐步减小扰动时的最大角度，从而保证本算法最后能逐步收敛；最终将PICP的配准结果作为初始矩阵，进行基于点到平面ICP配准，作为后处理，得到精度更高的配准结果，最终实现髋关节实体与术前的三维模型的精确配准。
2.根据权利要求1所述的一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法，其特征在于，所述步骤S300中在共计5组30个点采集完成过程中，在任一组选点完成后，也可由手术人员提前终止选点过程。
3.一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准装置，其特征在于，包括术前规划模块，其配置用髋关节三维模型，规划出粗配准选点及精配准选点方案，得出髋关节三维模型中的髋臼窝中心坐标；
术中粗配准模块，其配置用于根据导航相机、反光阵列、手术探针，将髋关节实体与术前规划时重建的三维模型相配准，得到髋骨参考架与三维模型粗略的转换关系；
术中精配准模块，其配置用于术前规划的精配准选点，采集后进行点云配准；
点云配准模块：其配置采用新的三维点云刚性配准方法实现髋关节实体与术前的三维模型的精确配准。
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