CN114366300B - 一种手术图像空间映射装置、设备以及方法 - Google Patents

一种手术图像空间映射装置、设备以及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手术图像空间映射装置，属于医学图像处理技术领域，包括若干标记物以及定位传感器，每一定位传感器与若干标记物刚性连接，通过定位传感器能够获得每一标记物的物理空间坐标，使用的定位传感器数量少，并且能够根据设计参数间接获取标记物中心在物理空间中的位置；手术图像空间映射装置能够固定于手术器械或人体表面，方便追踪手术器械或人体在物理空间中的位置姿态；通过手术图像空间映射装置能够快速建立物理空间与图像空间的转换关系，求解过程快速精准，本发明还涉及包括上述手术图像空间映射装置的设备及基于上述手术图像空间映射装置的手术图像空间映射方法。

Description

一种手术图像空间映射装置、设备以及方法
技术领域
本发明涉及医学图像处理技术领域，尤其是涉及手术图像空间映射装置、设备以及方法。
背景技术
随着社会科学的发展，医疗技术也在不断的创新和突破。现在的临床诊断和治疗中对精准性要求越来越高。过去的疾病的诊断往往依靠临床医生丰富的个人经验，诊断和手术治疗的准确性和成功率往往不高，而结合医学影像的手术导航的出现能够最大程度的辅助医生完成高难度的手术。目前手术导航广泛应用于外科手术和介入治疗术中，也被普遍认为是最佳的解决方案。在脑立体定向手术、神经外科手术、放射介入诊疗手术等复杂手术中均采用手术导航进行精准治疗。
手术导航系统的原理是将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构通过空间映射准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。手术导航系统主要以CT，MRI和超声等图像为基础，在电脑导航系统中显示图像和器械的运动。
现有空间映射方法基本原理为同时获取若干特征点在虚拟图像空间和真实物理空间中的坐标点，其中虚拟图像空间中的坐标点通过可在虚拟图像中显像的标记球获得，物理图像空间中的坐标点通过空间定位装置的传感器获得。然而，传感器的中心无法与标记球的中心重合，一般通过专用的空间定位探针获取标记球表面某处的真实物理空间坐标，同时在图像中选取标记球表面对应位置的坐标，但此方法操作繁琐耗时，且无法保证所选的图像空间坐标与物理空间坐标为同一位置，空间映射精度较差。与此同时，由于标记点数量为有限个，图像空间中的标记点集与物理空间中的标记点集需一一对应，但实际使用时可能无法确定标记点对应关系，空间映射有失败风险。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种手术图像空间映射装置，自动获取标记物中心的物理空间坐标，自动确定图像空间与物理空间对应关系，过程快速准确。
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种手术图像空间映射设备，自动获取标记物中心的物理空间坐标，自动确定图像空间与物理空间对应关系，过程快速准确。
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之三在于提供一种手术图像空间映射方法，自动获取标记物中心的物理空间坐标，自动确定图像空间与物理空间对应关系，过程快速准确。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种手术图像空间映射装置，包括若干标记物以及定位传感器，每一所述定位传感器与多个所述标记物刚性连接，通过所述定位传感器能够获得与其刚性连接的每一所述标记物的物理空间坐标。
进一步的，所述手术图像空间映射装置还包括若干安装部，若干安装部固定连接，所述安装部的数量与所述标记物数量相同，每一所述标记物固定于一所述安装部端部。
进一步的，相邻两所述安装部之间相互垂直。
进一步的，所述标记物的数量至少为四个，并且若干所述标记物不共面。
进一步的，任意两标记物之间的距离不相同。
进一步的，最接近的任意两标记物之间的距离之差大于2mm。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种手术图像空间映射设备，包括医学成像设备、处理器以及上述任意一种手术图像空间映射装置，所述医学成像设备用于获取附带有标记物的人体的图像，以确定所述标记物在图像空间中的中心坐标，所述处理器根据若干所述标记物之间的距离对所述标记物在图像空间中的中心坐标进行排序并求解物理空间到图像空间的转换关系。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种基于上述任意一种手术图像空间映射装置的手术图像空间映射方法，包括以下步骤
确定所有标记物中心在物理空间中的坐标：将所有标记物在定位传感器空间坐标系S下的坐标组成矩阵PS，将所有标记物在物理空间坐标系W下的坐标组成矩阵PW，则PW＝TWSPS，其中TWS由定位传感器在物理空间W中的六自由度数据得到；
确定所有标记物中心在图像空间中的坐标：由于标记物在图像中为高亮显示，使用阈值分割方法分割出标记物区域，求解每个标记物分割区域在图像空间中的中心坐标，将该坐标作为当前标记物中心在图像空间中的坐标；
对标记物在图像空间中的坐标进行排序：计算Ps中每个点与其他点的距离集合其中/>为S坐标系下第i个点到第j个点的距离，N为Ps的列数；所有标记物在图像坐标系M下的坐标点组成PM，其距离集合 将M坐标系下所有点的距离集合与S坐标系下所有点的距离集合进行比较，对于M坐标系下第k个点和S坐标系下第i个点，若/>中的所有元素与/>中所有元素之差的最小值全部小于预设值，则M坐标系下第k个点的序号为i，由此得到重新排序的M坐标系下的矩阵P′M；
求解物理空间到图像空间的转换关系：由P′M＝TMWPw可求得物理空间到图像空间的变换矩阵TMW。
进一步的，在确定所有标记物中心在物理空间中的坐标步骤中，所述定位传感器在物理空间W中的六自由度数据包括三个平移分量和三个角度分量，代表所述定位传感器相对于物理空间坐标系原点的偏移量和姿态。
进一步的，在确定所有标记物中心在图像空间中的坐标步骤中，使用阈值分割方法分割出标记物区域时，调节分割阈值，直到分割出完整标记物区域，分割区域不包含装置上除标记物区域外其他部分。
相比现有技术，本发明的定位传感器的数量为一个，定位传感器与若干标记物刚性连接，通过定位传感器能够获得每一标记物的物理空间坐标，使用的定位传感器数量少，并且能够根据设计参数间接获取标记物中心在物理空间中的位置；手术图像空间映射装置能够固定于手术器械或人体表面，方便追踪手术器械或人体在物理空间中的位置姿态；通过手术图像空间映射装置能够快速建立物理空间与图像空间的转换关系，求解过程快速精准。
附图说明
图1为本发明手术图像空间映射装置的立体图；
图2为本发明手术图像空间映射方法的流程图。
图中：11、安装部；12、标记物；13、定位传感器；14、手术器械。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本申请提供一种手术图像空间映射装置，手术图像空间映射装置固定于手术器械14上，用于追踪手术器械14在物理空间中的位置姿态。
手术图像空间映射装置包括主体、标记物12以及定位传感器13。
主体整体为刚性结构，主体包括若干安装部11。若干安装部11汇聚在一起。每一安装部11末端用于安装标记物12。在本实施例中，主体为一体式结构，呈树杈形。每一安装部11呈圆柱形。相邻两安装部11之间相互垂直。具体的，安装部11的数量为四个，每一安装部11末端设有半球形凹槽用以安装标记物12。四个安装部11的长度均不相同，以确保任意两标记物12之间的距离不相同。四个安装部11的位置设置使四个标记物12的中心不共面。主体绕任意旋转轴旋转，旋转角度小于360度时与旋转前不重合。
标记物12具有在医学成像中可被高亮显影的特点。在一些实施例中，如CT成像，标记物12一般情况下采取钛合金，钛合金对X光散射小，可以在CT图像中清晰显示；当然，这仅是标记物12的一个实施例，在其他成像场合中，可根据该领域内的现有技术来选取标记物12的材质，设计其形状。
在本实施例中，标记物12呈球形。标记物12固定安装于安装部11末端，与安装部11刚性连接。标记物12与安装部11刚性连接，使得每一标记物12与固定在安装部11上的定位传感器13位置相对固定，以便于通过定位传感器13间接获取标记物12中心在物理空间中的位置。
任意两个标记物12中心之间的距离不相同，便于后续根据标记物12之间的距离对比对标记物12在图像空间中的坐标进行排序。最接近的任意两标记物12之间的距离之差大于2mm，以便于装置存在一定的容错率。
定位传感器13的数量为一个或多个，在本申请的技术方案中，定位传感器13的数量最少可以为一个。定位传感器13固定于主体。定位传感器13与标记物12之间为刚性连接。每一定位传感器13与若干标记物12刚性连接。
手术器械14固定安装于主体，使主体与手术器械14刚性连接。
本发明还涉及一种手术图像空间映射设备，包括医学成像设备、处理器以及上述手术图像空间映射装置，医学成像设备用于获取附带有标记物12的人体的图像，以确定标记物12在图像空间中的中心坐标，处理器根据若干标记物12之间的距离对标记物12在图像空间中的中心坐标进行排序并求解物理空间到图像空间的转换关系。
请继续参阅图2，本发明还涉及一种基于上述手术图像空间映射装置的手术图像空间映射方法，包括以下步骤：
确定所有标记物12中心在物理空间中的坐标：将所有标记物12在定位传感器13空间坐标系S下的坐标组成矩阵PS，将所有标记物12在物理空间坐标系W下的坐标组成矩阵PW，则PW＝TWSPS，其中TWS由定位传感器13在物理空间W中的六自由度数据得到；
确定所有标记物12中心在图像空间中的坐标：由于标记物12在图像中为高亮显示，使用阈值分割方法分割出标记物12区域，求解每个标记物12分割区域在图像空间中的中心坐标，将该坐标作为当前标记物12中心在图像空间中的坐标；
对标记物12在图像空间中的坐标进行排序：计算Ps中每个点与其他点的距离集合其中/>为S坐标系下第i个点到第j个点的距离，N为Ps的列数；所有标记物12在图像坐标系M下的坐标点组成PM，其距离集合/> 将M坐标系下所有点的距离集合与S坐标系下所有点的距离集合进行比较，对于M坐标系下第k个点和S坐标系下第i个点，若/>中的所有元素与/>中所有元素之差的最小值全部小于预设值，则M坐标系下第k个点的序号为i，由此得到重新排序的M坐标系下的矩阵P′M；
求解物理空间到图像空间的转换关系：由P′M＝TMWPw可求得物理空间到图像空间的变换矩阵TMW。
进一步的，在确定所有标记物12中心在物理空间中的坐标步骤中，手术图像空间映射装置上各标记物12在S坐标系下的坐标由设计参数确定，为已知量。矩阵PS，每一列代表一个坐标点。
进一步的，在确定所有标记物12中心在物理空间中的坐标步骤中，定位传感器13在物理空间W中的六自由度数据包括三个平移分量和三个角度分量，代表定位传感器13相对于物理空间坐标系原点的偏移量和姿态。
进一步的，在确定所有标记物12中心在图像空间中的坐标步骤中，使用阈值分割方法分割出标记物12区域时，调节分割阈值，直到分割出完整标记物12区域，分割区域不包含装置上除标记物12区域外其他部分。
进一步的，在确定所有标记物12中心在图像空间中的坐标步骤中，对于某个标记物12，点击图像中标记物12区域，获取与点击位置相连通的分割区域，作为该标记物12的分割区域。
进一步的，对标记物12在图像空间中的坐标进行排序的目的是：为了使图像空间标记点与物理空间标记点一一对应。
进一步的，在对标记物12在图像空间中的坐标进行排序步骤中，预设值为2mm，与最接近的任意两标记物12之间的距离之差大于2mm对应，以便于装置存在一定的容错率。
上述为定位传感器13的数量为一个时的手术图像空间映射方法，当定位传感器13的数量为多个时，所有标记物12在定位传感器13空间坐标系S下的坐标组成矩阵PS形成的阵列数有所不同，其余相同。
本发明每一定位传感器13与若干标记物12刚性连接，通过定位传感器13能够获得每一标记物12的物理空间坐标，使用的定位传感器13数量少，并且能够根据设计参数间接获取标记物12中心在物理空间中的位置；手术图像空间映射装置能够固定于手术器械14或人体表面，方便追踪手术器械14或人体在物理空间中的位置姿态；通过手术图像空间映射装置能够快速建立物理空间与图像空间的转换关系，求解过程快速精准。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种手术图像空间映射装置，包括若干标记物以及定位传感器，其特征在于：每一所述定位传感器与多个所述标记物刚性连接，通过所述定位传感器能够获得与其刚性连接的每一所述标记物的物理空间坐标，所述手术图像空间映射装置用于实现手术图像空间映射方法，包括以下步骤
确定所有标记物中心在物理空间中的坐标：将所有标记物在定位传感器空间坐标系S下的坐标组成矩阵PS，将所有标记物在物理空间坐标系W下的坐标组成矩阵PW，则PW＝TWSPS，其中TWS由定位传感器在物理空间W中的六自由度数据得到；
确定所有标记物中心在图像空间中的坐标：由于标记物在图像中为高亮显示，使用阈值分割方法分割出标记物区域，求解每个标记物分割区域在图像空间中的中心坐标，将该坐标作为当前标记物中心在图像空间中的坐标；
对标记物在图像空间中的坐标进行排序：计算Ps中每个点与其他点的距离集合其中/>为S坐标系下第i个点到第j个点的距离，N为Ps的列数；所有标记物在图像坐标系M下的坐标点组成PM，其距离集合 将M坐标系下所有点的距离集合与S坐标系下所有点的距离集合进行比较，对于M坐标系下第k个点和S坐标系下第i个点，若/>中的所有元素与/>中所有元素之差的最小值全部小于预设值，则M坐标系下第k个点的序号为i，由此得到重新排序的M坐标系下的矩阵P′ M；
求解物理空间到图像空间的转换关系：由P′ M＝TMWPw可求得物理空间到图像空间的变换矩阵TMW。
2.根据权利要求1所述的手术图像空间映射装置，其特征在于：所述手术图像空间映射装置还包括若干安装部，若干安装部固定连接，所述安装部的数量与所述标记物数量相同，每一所述标记物固定于一所述安装部端部。
3.根据权利要求2所述的手术图像空间映射装置，其特征在于：相邻两所述安装部之间相互垂直。
4.根据权利要求1所述的手术图像空间映射装置，其特征在于：所述标记物的数量至少为四个，并且若干所述标记物不共面。
5.根据权利要求1所述的手术图像空间映射装置，其特征在于：任意两标记物之间的距离不相同。
6.根据权利要求5所述的手术图像空间映射装置，其特征在于：最接近的任意两标记物之间的距离之差大于2mm。
7.根据权利要求1所述的手术图像空间映射装置，其特征在于：在确定所有标记物中心在物理空间中的坐标步骤中，所述定位传感器在物理空间W中的六自由度数据包括三个平移分量和三个角度分量，代表所述定位传感器相对于物理空间坐标系原点的偏移量和姿态。
8.根据权利要求1所述的手术图像空间映射装置，其特征在于：在确定所有标记物中心在图像空间中的坐标步骤中，使用阈值分割方法分割出标记物区域时，调节分割阈值，直到分割出完整标记物区域，分割区域不包含装置上除标记物区域外其他部分。
9.一种手术图像空间映射设备，包括医学成像设备以及处理器，其特征在于：所述手术图像空间映射设备还包括如权利要求1-8中任意一项所述的手术图像空间映射装置，所述医学成像设备用于获取附带有标记物的人体的图像，以确定所述标记物在图像空间中的中心坐标，所述处理器根据若干所述标记物之间的距离对所述标记物在图像空间中的中心坐标进行排序并求解物理空间到图像空间的转换关系。
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