CN116327228A - 一种2d-3d图像初始值计算的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2D‑3D图像初始值计算的方法，通过在C型臂图上标记两个椎节的中心位置，计算旋转参数和位移参数，计算时间短，成功率高，大大降低了手术的时间，具有一定的使用价值和推广价值。

Description

一种2D-3D图像初始值计算的方法
技术领域
本发明涉及医疗机械设备领域，尤其涉及一种2D3D图像初始值计算的方法。
背景技术
在医疗手术中，对脊柱进行手术时，进行2d/3d图像配准前需要提供配准初始值，即旋转参数Rx、Ry和Rz以及位移参数Tx、Ty和Tz，由于上述参数对后续配准结果影响较大，现有方案是用手动调整这六个参数，使图像能大致配准，然后将其作为初始值，此方案耗时较长，且成功率较低。
综上所述，需要一种2D-3D图像初始值计算的方法来解决现有技术中所存在的不足之处。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种2D-3D图像初始值计算的方法，旨在解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种2D-3D图像初始值计算的方法，包括以下步骤：
步骤一：拍摄仰卧位腰椎CT图像，分割各椎节并标注，记录各个腰椎中心位置；
步骤二：机械臂配准，末端安装配准板；
步骤三：患者以俯卧位姿态，配准板置于患者腰椎上拍摄正位片，光线焦距同时通过需要腰椎手术区域，获取正位拍摄位C型臂点光源坐标系相对机械臂空间坐标转换矩阵M1，配准板置于患者侧位拍摄侧位片，获得侧位拍摄位C型臂点光源坐标系相对机械臂空间坐标转换矩阵M2，计算侧位拍摄位C型臂点光源坐标系相对正位拍摄位C型臂点光源坐标系的矩阵M3；
步骤四：在正位图中选取两椎节La、Lb,手动标记在图像坐标系中该两椎节中心位置记录为(Xa,Ya),(Yb，Yb)，从步骤一分割结果中获取CT中该两椎节几何中心坐标(Xcta,Ycta,Zcta),(Xctb,Yctb,Zctb)；
步骤五：计算用于确定旋转参数Rx的数值V，确定Rx数值，读取CT数据中人体体位，并根据人体体位和数值V，设定旋转参数Ry和Rz，得到配准的旋转参数Rx、Ry和Rz；
步骤六：拍摄正位时，设定光源坐标系为s1，光源空间坐标为p1(0，0，0)，射线方向为r1(1,0,0)，计算拍摄侧位时在s1坐标系下的光源空间坐标p2和射线方向r2；
步骤七：计算配准所需的位移参数Tx、Ty和Tz，结合步骤五得到图像配准所需的六个参数Rx、Ry、Rz、Tx、Ty和Tz，进行2D-3D的图像配准。
可选的，所述步骤一中M3的计算公式为：
M3＝M1*inv(M2)，
其中，Inv为坐标系转换矩阵的逆操作。
可选的，所述步骤五中用于确定旋转参数Rx的数值V的具体为：
V＝(Zcta–Zctb)*(Ya–Yb)。
可选的，所述步骤五中旋转参数Rx、Ry和Rz的确定为：
若Rx＝180，CT体位为仰卧位，则Rz＝-90；若Rx＝180，CT体位为俯卧位，则Rz＝90；若Rx＝0，CT体位为仰卧位，则Rz＝90；若Rx＝0，CT体位为俯卧位，则Rz＝-90，腰椎手术中人体不可能为侧卧，设置Ry＝0。
可选的，所述步骤六中光源空间坐标p2和射线方向r2的具体计算公式为：
P2＝M3*p1，
r2＝M3*r1-p2。
可选的，所述步骤七中位移参数Tx、Ty和Tz具体计算公式为：
Tx＝(p2-p1)-r2/(r1*r2)；
Ty＝Xa*f/Tx-Ycta；
Tz＝Xb*f/Tx-Zcta；
其中，f为C型臂焦距。
本发明的有益效果：
1、本发明中，通过在C型臂图上标记两个椎节的中心位置，计算旋转参数和位移参数，计算时间短，成功率高，大大降低了手术的时间，具有一定的使用价值和推广价值。
附图说明
图1为本发明各个椎节分割的一种标注示意图。
图2为本发明机械臂配准的一种结构示意图。
图3为本发明拍摄正位片的一种结构示意图。
图4为本发明拍摄侧位片的一种结构示意图。
图5为本发明手动标记中心位置的一种结构示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5所示，一种2D-3D图像初始值计算的方法，包括拍摄仰卧位腰椎CT图像，各个椎节分割标注为L1、……、L5，如图1；如CT数据未能完整拍摄所有椎节，则标注已有椎节，记录各个腰椎中心位置在CT中心为原点的坐标系的位置。
机械臂配准，末端装配配准板，患者以俯卧位姿态躺到病床，如图2，配准板至于患者腰椎上面拍摄正位片，如图3，获得正位拍摄位C型臂点光源坐标系相对机械臂空间坐标转换矩阵M1。
配准板置于患者侧位拍摄侧位片，如图4，获得侧位拍摄位C型臂点光源坐标系相对机械臂空间坐标转换矩阵M2。
拍摄正侧位时，光线焦距应同时通过需要腰椎手术区域；则侧位位拍摄位C型臂点光源坐标系相对正位拍摄位C型臂点光源坐标系转换关系M3为
M3＝M1*inv(M2)
其中Inv为坐标系转换矩阵的逆操作。可以其他方式求得正侧位坐标变换矩阵。
在正位图中选取两椎节La、Lb,手动标记在图像坐标系中该两椎节中心位置记录为(Xa,Ya),(Yb，Yb)，从步骤一分割结果中获取CT中该两椎节几何中心坐标(Xcta,Ycta,Zcta),(Xctb,Yctb,Zctb)。
V＝(Zcta–Zctb)*(Ya–Yb)
若V大于0，Rx＝180,若V小于0，Rx＝0。
读取CT数据中人体体位，若Rx＝＝180，CT体位为仰卧位，则Rz＝-90；若Rx＝＝180，CT体位为俯卧位，则Rz＝90；若Rx＝＝0，CT体位为仰卧位，则Rz＝90；若Rx＝＝0，CT体位为俯卧位，则Rz＝-90。腰椎手术中人体不可能为侧卧，因此设置Ry＝0。
光源在正位拍摄时，在光源坐标系s1中，光源空间坐标为p1(0,0,0),射线方向为r1(1,0,0)。拍侧位时光源空间坐标在s1坐标系下为p2为
p2＝M3*p1，
射线方向r2为
r2＝M3*r1-p2
则Tx为
Tx＝(p2-p1)-r2/(r1*r2)
步骤六：C型臂焦距为f，Ty，Tz为
Ty＝Xa*f/Tx-Ycta；
Tz＝Xb*f/Tx-Zcta；
由此可获取配准所需的六个参数Rx、Ry、Rz、Tx、Ty、Tz。
本发明通过在C型臂图上标记两个椎节的中心位置，计算旋转参数和位移初始参数，计算时间短，成功率高，大大降低了手术的时间，具有一定的使用价值和推广价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种2D-3D图像初始值计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：拍摄仰卧位腰椎CT图像，分割各椎节并标注，记录各个腰椎中心位置；
步骤二：机械臂配准，末端安装配准板；
步骤三：患者以俯卧位姿态，配准板置于患者腰椎上拍摄正位片，光线焦距同时通过需要腰椎手术区域，获取正位拍摄位C型臂点光源坐标系相对机械臂空间坐标转换矩阵M1，配准板置于患者侧位拍摄侧位片，获得侧位拍摄位C型臂点光源坐标系相对机械臂空间坐标转换矩阵M2，计算侧位拍摄位C型臂点光源坐标系相对正位拍摄位C型臂点光源坐标系的矩阵M3；
步骤四：在正位图中选取两椎节La、Lb,手动标记在图像坐标系中该两椎节中心位置记录为(Xa,Ya),(Yb，Yb)，从步骤一分割结果中获取CT中该两椎节几何中心坐标(Xcta,Ycta,Zcta),(Xctb,Yctb,Zctb)；
步骤五：计算用于确定旋转参数Rx的数值V，确定Rx数值，读取CT数据中人体体位，并根据人体体位和数值V，设定旋转参数Ry和Rz，得到配准的旋转参数Rx、Ry和Rz；
步骤六：拍摄正位时，设定光源坐标系为s1，光源空间坐标为p1(0，0，0)，射线方向为r1(1,0,0)，计算拍摄侧位时在s1坐标系下的光源空间坐标p2和射线方向r2；
步骤七：计算配准所需的位移参数Tx、Ty和Tz，结合步骤五得到图像配准所需的六个参数Rx、Ry、Rz、Tx、Ty和Tz，进行2D-3D的图像配准。
2.根据权利要求1所述一种2D-3D图像初始值计算的方法，其特征在于，所述步骤一中M3的计算公式为：
M3＝M1*inv(M2)，
其中，Inv为坐标系转换矩阵的逆操作。
3.根据权利要求1所述一种2D-3D图像初始值计算的方法，其特征在于，所述步骤五中用于确定旋转参数Rx的数值V的具体为：
V＝(Zcta–Zctb)*(Ya–Yb)。
4.根据权利要求1所述一种2D-3D图像初始值计算的方法，其特征在于，所述步骤五中旋转参数Rx、Ry和Rz的确定为：
若Rx＝180，CT体位为仰卧位，则Rz＝-90；若Rx＝180，CT体位为俯卧位，则Rz＝90；若Rx＝0，CT体位为仰卧位，则Rz＝90；若Rx＝0，CT体位为俯卧位，则Rz＝-90，腰椎手术中人体不可能为侧卧，设置Ry＝0。
5.根据权利要求1所述一种2D-3D图像初始值计算的方法，其特征在于，所述步骤六中光源空间坐标p2和射线方向r2的具体计算公式为：
P2＝M3*p1，
r2＝M3*r1-p2。
6.根据权利要求1所述一种2D-3D图像初始值计算的方法，其特征在于，所述步骤七中位移参数Tx、Ty和Tz具体计算公式为：
Tx＝(p2-p1)-r2/(r1*r2)；
Ty＝Xa*f/Tx-Ycta；
Tz＝Xb*f/Tx-Zcta；
其中，f为C型臂焦距。
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