CN116309877A - 一种空间模型精度验证装置、验证方法及配准系统精度验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间模型精度验证装置、验证方法及配准系统精度验证方法，其中，空间模型精度验证方法包括步骤：在成像装置的成像空间放置精度验证装置，获取精度验证装置的正侧位2D透视图像及其上标志点点位；根据空间模型和所述正侧位2D透视图像重构所述标志点得到重构标志点，并获取所述重构标志点点位；根据所述标志点点位和所述重构标志点点位计算所述空间模型精度。本发明通过引入精度验证装置，利用空间模型和精度验证装置重构验证装置标志点的理论点，通过比较标志点与所述理论点偏差计算得到成像空间模型精度，为所述空间模型的矫正提升提供了理论数据分析的基础。

Description

一种空间模型精度验证装置、验证方法及配准系统精度验证 方法

技术领域

本发明涉及精度验证技术领域，尤其涉及一种空间模型精度验证装置、验证方法及配准系统精度验证方法。

背景技术

目前医疗手术机器人广泛地应用到骨科手术中，基于2D医学影像的配准方法也越来越多的应用到骨科手术中，如术前3D影像与术中2D影像的配准方法，其通过计算3D影像和2D透视影像之间的位姿变换关系，在影像导航的骨科手术中可将术前3D影像中的规划信息整合到术中2D透视影像中，现有技术中的算法实现通常使用术前3D影像生成2D DRR影像(数字重建放射影像)，依据2D DRR影像和术中2D透视影像之间的相似度进行配准，如CN112233155B。而3D影像生成2D DRR需要构建术中影像装置的成像空间模型，所述空间模型包括对影像装置投影参数的精确标定，从而使得骨科机器人手术配准可以精确进行。

但是实际的使用过程中，人为的操作方式和机械的正常老化都会影响影像装置的成像系统，如光心位置变化或平板探测器变形等，导致所述空间模型精度降低，进而影响配准精度，因此需要一种方法实现对所述空间模型的精度验证。

发明内容

发明目的：针对上述不足，本发明提出一种成像装置的空间模型精度验证装置、验证方法及配准系统精度验证方法，用于验证成像空间模型的精度，并进一步表征配准系统的配准精度。

技术方案：

一种空间模型精度验证装置，包括：模型和用于示踪模型的第一示踪器，所述模型上具有至少一个标志点。

一种空间模型精度验证方法，包括步骤：

在成像装置的成像空间放置如权利要求1所述的精度验证装置，获取精度验证装置的正侧位2D透视图像及其上标志点点位；

根据空间模型和所述正侧位2D透视图像重构所述标志点得到重构标志点及其点位；

根据所述标志点点位和所述重构标志点点位计算所述空间模型精度。

所述根据空间模型和所述正侧位2D透视图像重构所述标志点包括：

获取正侧位2D透视图像成像时像面位姿；

基于所述像面位姿呈现空间模型和正侧位2D透视图像，获取所述空间模型中光心点位和所述正侧位2D透视图像中标志点的像点点位；

跟据所述光心和所述像点重构所述标志点。

跟据所述光心和所述像点重构所述标志点包括：

根据所述光心和所述像点分别构建正侧位投影直线；

基于所述正侧位投影直线的交点确定重构标志点；

根据所述光心点位和所述标志点的像点点位计算重构标志点点位。

获取成像时像面位姿包括：

在成像装置上固定用于示踪像面的第二示踪器；

通过光学跟踪系统获取成像时第二示踪器位姿；

根据所述第二示踪器位姿和像面与第二示踪器的位置关系获取像面位姿。

获取所述空间模型中光心点位为：根据所述空间模型中光心与像面位置关系及所述像面位姿获取所述光心点位。

获取所述标志点的像点点位包括：

根据所述光心和标志点构建探寻直线，并结合像面位姿计算得到探寻直线与像面交点点位；

获取像面上所述交点点位周围设定像素范围内的图像；

在所述图像中识别标志点像点并获取像点点位。

所述获取标志点点位包括：

通过光学跟踪系统获取所述第一示踪器的位姿，根据所述第一示踪器的位姿和标志点与第一示踪器的位置关系获取标志点点位。

所述计算所述空间模型的精度包括：

计算各标志点与其对应重构标志点之间的距离，根据所述距离计算所述空间模型精度。

所述至少一个标志点包括第一标志点、第二标志点；所述计算所述空间模型的精度包括：

以所述第一标志点、第二标志点构建第一通道，以所述第一标志点、第二标志点对应的重构标志点构建第二通道；

比较所述第一通道与第二通道的位姿偏差，根据所述位姿偏差计算所述空间模型的精度。

所述至少一个标志点还包括位于第一标志点、第二标志点之间且与第一标志点、第二标志点共线的第三标志点，所述计算所述空间模型的精度包括：

计算第三标志点的重构标志点到所述第二通道的距离，根据所述距离计算空间模型精度。

一种配准系统的配准精度验证方法，包括：

建立空间模型精度与配准系统精度的关系；

根据前述空间模型精度验证方法和所述关系计算配准系统的配准精度。

有益效果：

本发明通过引入精度验证装置，利用空间模型和精度验证装置的2D透视影像重构验证装置标志点的理论点，通过比较标志点与所述理论点偏差，能够快速准确的分析出影像装置的成像空间模型精度，操作简单、计算量低，为所述空间模型的矫正提升提供了理论数据分析的基础。

附图说明

图1为精度验证装置示意图；

图2为空间模型示意图；

图3为空间模型精度验证方法流程图；

图4为对空间模型进行精度验证的正位原理图；

图5为对空间模型进行精度验证的原理图。

11.基座，12.骨模型，13.第一示踪器，14.标志点，P1.模拟入点，P2.模拟出点；

2.空间模型，21.像面，22.光心，23.像面中心，211.正位2D透视图像，212.侧位2D透视图像，221.正位光心，222.侧位光心；

31.第二示踪器；

L1.第一探寻直线，L2.第二探寻直线，L1'.第三探寻直线，L2'.第四探寻直线；L3.第一投影直线，L3'.第二投影直线，L4.第三投影直线，L4'.第四投影直线；

P3.第一探寻交点，P4.第二探寻交点，P3'.第三探寻交点，P4'.第四探寻交点，P5.入点正位像点，P6.出点正位像点，P5'.入点侧位像点，P6'.出点侧位像点，P1'.重构入点，P2'.重构出点。

本发明中点位代表点的位置，可用坐标表示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本发明提供一种精度验证装置如图1所示，包括基座11、安装于基座11上的骨模型12和第一示踪器13，以及设置于骨模型12上的标志点14；骨模型12仿照真实脊椎骨制作，但不限于脊椎骨，所述模型并不限于骨模型，也可以是其他组织模型。；第一示踪器13用于示踪骨模型12，其上安装至少三个共面不共线的反光球，本实施例中为四个，可以通过光学跟踪系统识别第一示踪器13的位姿并建立验证装置坐标系；标志点14为至少一个，本实施例中为两个，两个标志点连线能够模拟骨钉通道，其中一个标志点作骨钉通道的模拟入点P1，另一个标志点作骨钉通道的模拟出点P2，在本发明中模拟入点P1和模拟出点P2均为直径2mm的钢珠小球。

本发明的空间模型2如图2所示包括：光心22、像面21以及像面中心23，三者位置关系固定；像面用方向向量

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表示，方向向量/>

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与图像坐标系上的x轴、y轴对应；X射线影像装置成像的空间模型在前期已经构建完成且存储于系统内，构建方式为现有技术，具体参见文献CN112168357A。

参照图3，本发明提供一种空间模型系统精度验证方法包括：

(1)在成像装置的成像空间放置前述精度验证装置，获取其上标志点点位：

标志点包括模拟入点P1和模拟出点P2；

将精度验证装置置于成像装置的成像空间中，通过光学跟踪系统获取精度验证装置上第一示踪器13位姿并建立验证装置坐标系；模拟入点P1和模拟出点P2与第一示踪器13的相对位置关系为已知量，通过三坐标测量获得；根据第一示踪器13位姿和该已知相对位置关系获取模拟入点P1和模拟出点P2在验证装置坐标系下的坐标，即模拟入点P1和模拟出点P2的点位，也即精度验证装置上标志点的点位。

本发明中，成像装置为X射线影像装置，更为具体的为C臂机，但不局限于C臂机，也可以是G臂机、CT机或O臂机等。

(2)对所述成像空间中精度验证装置成像，获取精度验证装置的正侧位2D透视图像：

C臂机对位于其成像空间中的精度验证装置进行拍摄，获取精度验证装置的正侧位2D透视图像，正侧位2D透视图像包括正位2D透视图像211和侧位2D透视图像212。

(3)利用空间模型和所述正侧位2D透视图像重构标志点，并获取重构标志点点位，重构标志点包括重构入点P1'和重构出点P2'，具体包括步骤：

(31)获取成像时像面位姿：

如图4所示，拍摄前C臂机的平板探测器上安装第二示踪器31，第二示踪器31用于示踪C臂机像面；C臂机获取验证装置的正侧位2D透视图像时，通过光学跟踪系统获取第二示踪器31位姿并建立C臂坐标系；因C臂示踪器与C臂机像面存在刚性位置关系T1，根据该刚性位置关系T1和第二示踪器31位姿获取验证装置的正侧位2D透视图像时的像面位姿并建立图像坐标系，所述像面位姿包括正位像面位姿和侧位像面位姿，图像坐标系包括正位图像坐标系和侧位图像坐标系。

(32)基于像面位姿同空间呈现空间模型和正侧位2D透视图像：

因像面方向向量

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与图像坐标系上的x轴、y轴对应，可基于像面位姿在空间中呈现所述正侧位2D透视图像，具体为基于正位像面位姿呈现正位2D透视图像211，基于侧位像面位姿呈现侧位2D透视图像212，尤其呈现标志点的正侧位像点；又空间模型包括像面21以及光心22与像面21位置关系，因此可基于像面位姿呈现所述空间模型，尤其呈现正位光心221、侧位光心222，如图4～5所示。

(33)获取光心点位：

根据像面位姿及空间模型中像面与光心位置关系，获取光心在对应图像坐标系下坐标，并将其变换至验证装置坐标系下得到光心在验证装置坐标系下的坐标即光心点位，所述光心点位包括正位光心点位和侧位光心点位。

其中，将图像坐标系下的坐标变换至验证装置坐标系下具体为：

通过光学跟踪系统可获取第二示踪器31与第一示踪器13之间的位置关系T2；基于该位置关系T2和C臂示踪器与C臂机像面的刚性位置关系T1可得到C臂机的像面与第一示踪器13之间的位姿变换关系，也即图像坐标系与验证装置坐标系之间的变换关系T3；利用该变换关系T3将图像坐标系下坐标变换到验证装置坐标系下。

本实施例中，以第一示踪器13位姿对应的验证装置坐标系C0为基准坐标系，但本发明并不止于此，本发明也可以以第二示踪器31位姿对应的C臂坐标系为基准坐标系，也可以以光学跟踪系统所对应的世界坐标系为基准坐标系，还可以以正位或侧位图像位姿对应的图像坐标系为基准坐标系，只需根据C臂坐标系、验证装置坐标系、世界坐标系、图像坐标系之间的位姿变换关系进行变换即可。

(34)获取标志点的像点点位：

使用正位光心221与模拟入点P1构建第一探寻直线L1；

根据正位光心221坐标、模拟入点P1坐标、正位像面位姿计算第一探寻直线L1与正位2D透视图像211的第一探寻交点P3在对应图像坐标系的坐标；

以第一探寻交点P3为中心，提取其周围30*30像素范围内的图像，将提取后的图像经过一系列数字图像处理，得到入点正位像点P5在正位图像坐标系中的坐标，将此坐标根据图像坐标系与验证装置坐标系之间的变换关系T3变换得到入点正位像点P5在验证装置坐标系下的坐标，即入点正位像点P5点位；

分别使用正位光心221与模拟出点P2、侧位光心222与模拟入点P1、侧位光心222与模拟入点P2构建第二探寻直线L2、第三探寻直线L1'、第四探寻直线L2'，并分别得到对应的第二、三、四探寻交点P4、P3'、P4'，重复上述步骤，即可获取出点正位像点P6点位、入点侧位像点P5'点位、出点侧位像点P6'点位。

其中，所述图像处理为在设定像素范围内的图像中识别分割出钢珠，钢珠的成像是圆，即在设定像素范围内的图像中识别提取出圆，并计算得到圆心在图像坐标系中坐标。所述一定像素范围可取30*30像素范围，该范围选择即可以快速搜寻对应像点，又可以避免搜寻到多余像点。

(35)基于所述像点、对应光心及所述标志点得到重构标志点，获取所述重构标志点点位：

使用正位光心221与入点正位像点P5构建第一投影直线L3；

使用侧位光心222与入点侧位像点P5′构建第二投影直线L3′；

所述第一投影直线L3、第二投影直线L3′相交得到重构入点P1′，利用光心坐标、像点坐标计算获得第一投影直线L3、第二投影直线L3′的交点坐标，即为重构入点P1′的坐标，也即得到重构入点P1′点位；

使用光心与出点像点重复上述步骤可得到重构出点P2′及其点位。

如图3～5所示，正位2D透视图像211中包括正位入点像点P5、正位出点像点P6、侧位2D透视图像212中包括入点侧位像点P5′、出点侧位像点P6′；正位光心221与入点正位像点P5连线构成第一投影直线L3，侧位光心222与侧位像点P5′点连线构成第二投影直线L3′，正位光心221与出点正位像点P6连线构成第三投影直线L4，侧位光心222与出点正位像点P6连线构成第四投影直线L4′，第三投影直线L4、第四投影直线L4′的交点为重构出点P2′。

(4)根据步骤(1)得到的标志点点位(具体为模拟入点P1、模拟出点P2点位)和步骤(3)得到的重构标志点点位(具体为重构入点P1′、重构出点P2′点位)计算空间模型的精度。

其中，计算空间模型的精度包括：

比较模拟入点P1、模拟出点P2和重构入点P1′、重构出点P2′位置偏差：

计算模拟入点P1与重构入点P1′之间的距离S1，以该距离为入点偏差；

计算模拟出点P2与重构出点P2′之间的距离S2，以该距离S2为出点的误差；

计算空间模型精度k，计算公式为：k＝max(S1,S2)。

其中，计算空间模型的精度还包括：

根据模拟入点P1、模拟出点P2构建第一通道作模拟骨钉通道或其他手术通道，并利用该两点坐标获取第一通道位姿；根据重构入点P1′、重构出点P2′构建第二通道并利用该两点坐标获取第二通道位姿；比较第一通道、第二通道位姿偏差，根据该位姿偏差计算空间模型精度，具体可为计算第一通道、第二通道位姿各分量的标准差，以该标准差为所述空间模型精度。

采用两个标志点验证空间模型精度，根据两点定一线的原理可模拟手术通道，如模拟骨钉通道，更符合实际应用需求，不仅可以验证空间模型精度，还可一定程度上反映空间模型重构模拟通道的能力，包括空间模型重构模拟通道入点、出点、位姿的能力。

本发明中所述空间模型精度验证方法，可以采用至少一个标志点验证空间模型的精度，也即可以根据模拟入点P1或模拟出点P2任一点与对应重建点之间的距离作为空间模型的精度，采用单点验证空间模型精度计算速度、验证速度更快。

进一步地，本发明还可以在骨模型12上设置三个不共线标志点，那么对应地，步骤(3)所述空间模型的精度验证可基于三个通道模拟点点位及三条模拟通道位姿进行，不共线三点在空间可构建三条直线，因此可模拟三条通道。

进一步地，本发明还可以在骨模型12上设置三个共线标志点，第三标志点位于模拟入点P1，模拟出点P2之间；第三标志点及其点位、对应重构点及其点位获取方式与步骤(1)、(2)同理；对应地，步骤(3)所述计算空间模型的精度还包括：计算第三标志点的重构点到所述第二通道的距离S3；根据该距离S3计算空间模型精度，该精度验证方法能够从多个维度验证空间模型精度，还可从多个维度反映空间模型重构模拟通道的能力。

本发明还提供了一种配准系统配准精度验证方法，因术前3D影像与术中2D影像需使用术前3D CT影像生成2D DRR(数字重建放射)影像，依据DRR影像和术中2D透视影像之间的相似度进行配准，C臂机空间模型的精度直接关乎生成2D DRR影像的精度，进而影响配准系统的配准精度。建立空间模型精度k与配准系统精度K之间的关系，K＝f(k)，基于空间模型的精度误差评估配准系统精度误差，空间模型的精度越差，配准系统误差也越大。

更为具体的，空间模型精度k与配准系统精度K之间的关系为K＝ak+b，其中a、b为关系系数，可通过拟合的方式获取。

本发明的验证原理：依据成像装成像的原理，在空间模型中，物点的正位投影光线、侧位投影光线均会经过该物点并在像面上形成像点，空间模型中含有光心信息，2D透视图像中含有像点信息，因此利用空间模型中光心和正侧位2D透视图像中像点可重构投影直线，利用正位投影光线、侧位投影光线相交可重构物点，所述相交交点即为重构物点，重构物点与实际物点位置偏差越小说明所述空间模型精度越高，重构物点与实际物点位置偏差越大说明所述空间模型精度越差。

本发明通过引入精度验证装置，利用空间模型和精度验证装置的2D透视影像重构验证装置的标志点的理论点，通过比较标志点与所述理论点偏差，从而能够快速准确的分析出影像装置的成像空间模型精度，操作简单、计算量低，为空间模型的矫正提升提供了理论数据分析的基础，且可反映空间模型重构模拟通道的能力，并可进一步表征配准系统的配准精度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种空间模型精度验证装置，其特征在于，包括：模型和用于示踪模型的第一示踪器，所述模型上具有至少一个标志点。

2.一种空间模型精度验证方法，其特征在于，包括步骤：

在成像装置的成像空间放置如权利要求1所述的精度验证装置，获取精度验证装置的正侧位2D透视图像及其上标志点点位；

根据空间模型和所述正侧位2D透视图像重构所述标志点得到重构标志点及其点位；

根据所述标志点点位和所述重构标志点的点位计算所述空间模型精度。

3.根据权利要求2所述的空间模型精度验证方法，其特征在于：所述根据空间模型和所述正侧位2D透视图像重构所述标志点包括：

获取正侧位2D透视图像成像时像面位姿；

基于所述像面位姿呈现空间模型和正侧位2D透视图像，获取所述空间模型中光心点位和所述正侧位2D透视图像中标志点的像点点位；

跟据所述光心和所述像点重构所述标志点。

4.根据权利要求3所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，根据所述光心和所述像点重构所述标志点包括：

根据所述光心和所述像点分别构建正侧位投影直线；

基于所述正侧位投影直线的交点确定重构标志点；

根据所述光心点位和所述标志点的像点点位计算重构标志点点位。

5.根据权利要求3所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，获取成像时像面位姿包括：

在成像装置上固定用于示踪像面的第二示踪器；

通过光学跟踪系统获取成像时第二示踪器位姿；

根据所述第二示踪器位姿和像面与第二示踪器的位置关系获取像面位姿。

6.根据权利要求3所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，获取所述空间模型中光心点位为：根据所述空间模型中光心与像面位置关系及所述像面位姿获取所述光心点位。

7.根据权利要求3所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，获取所述标志点的像点点位包括：

根据所述光心和标志点构建探寻直线，并结合像面位姿计算得到探寻直线与像面交点点位；

获取像面上所述交点点位周围设定像素范围内的图像；

在所述图像中识别标志点像点并获取像点点位。

8.根据权利要求2所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，所述获取标志点点位包括：

通过光学跟踪系统获取所述第一示踪器的位姿，根据所述第一示踪器的位姿和标志点与第一示踪器的位置关系获取标志点点位。

9.根据权利要求2所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，所述计算所述空间模型的精度包括：

计算各标志点与其对应重构标志点之间的距离，根据所述距离计算所述空间模型精度。

10.根据权利要求2所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，所述至少一个标志点包括第一标志点、第二标志点；所述计算所述空间模型的精度包括：

以所述第一标志点、第二标志点构建第一通道，以所述第一标志点、第二标志点对应的重构标志点构建第二通道；

比较所述第一通道与第二通道的位姿偏差，根据所述位姿偏差计算所述空间模型的精度。

11.根据权利要求10所述的空间模型精度验证方法，其特征在于，所述至少一个标志点还包括位于第一标志点、第二标志点之间且与第一标志点、第二标志点共线的第三标志点，所述计算所述空间模型的精度包括：

计算第三标志点的重构标志点到所述第二通道的距离，根据所述距离计算空间模型精度。

12.一种配准系统的配准精度验证方法，其特征在于，包括：

建立空间模型精度与配准系统精度的关系；

根据所述权利要求2～11任一项所述的空间模型精度验证方法和所述关系计算配准系统的配准精度。

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