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一种颅颌面外科手术的术中导航方法技术

技术编号:20046785 阅读:21 留言:0更新日期:2019-01-09 04:46
本发明专利技术提出一种颅颌面外科手术的术中导航方法,涉及数字化医疗技术领域。该方法首先获取患者术前电子计算机断层扫描颅颌面图像并进行三维重建,得到该患者术前面部三维网格模型并提取患者术前面部三维网格模型特征点,得到患者术前面部三维特征点点云;手术中实时获取从两个方位拍摄的患者术中实时面部照片,根据照片生成患者术中面部二维特征点点云;根据患者术中面部二维特征点点云和患者术前面部三维特征点点云,确定患者术中实时头部姿态相对于术前电子计算机断层扫描颅颌面图像的配准结果,实现术中导航。本发明专利技术设备简单,操作简便,成本低廉,导航效果准确,有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种颅颌面外科手术的术中导航方法
本专利技术涉及数字化医疗
,具体涉及一种颅颌面外科手术的术中导航方法。
技术介绍
在颅颌面外科手术过程中,医生通常需要在手术前利用医学影像设备例如电子计算机断层扫描获得患者的颅颌面多模态医学影像,从而在术前制定手术计划,并在术中将患者的术中实时头部姿态与术前医学影像相配准,通过术中导航实时显示医生手术器械于术前患者颅颌面多模态医学影像中的位置,指导医生在手术中操作。在术中导航领域,目前有在患者体内预先植入金属标记物以辅助配准,以及使用红外导航、三维激光扫描仪等光学导航捕捉患者术中姿态等方法。其中,预先在患者体内植入金属标记物的方法需要在手术前在患者体内植入可以在电子计算机断层扫描图像中显示的金属标记物,并根据术前采集的电子计算机断层扫描图像中金属标记物位置以及术中实时捕捉的金属标记物位置关系确定患者术中实时姿态和术前医学影像姿态的关系,此方法由于需要在患者体内植入金属标记物,因而会为患者的手术过程带来额外的痛苦。使用光学导航设备捕捉患者姿态的方法通过借助光学设备在手术过程中实时采集患者术中姿态,并将其与术前采集的电子计算机断层扫描图像进行配准,此方法使用的光学导航设备价格较为昂贵,会为术中导航带来较高的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种颅颌面外科手术的术中导航方法。本专利技术克服现有技术中光学导航成本昂贵以及会为患者带来额外痛苦的问题,设备简单,操作简便,成本低廉,导航效果准确,有较高的实用价值。本专利技术提出一种颅颌面外科手术的术中导航方法,其特征在于,包括以下步骤:1)在进行颅颌面外科手术前,获取待进行手术的患者的术前电子计算机断层扫描颅颌面图像并进行三维重建,得到该患者术前面部三维网格模型;2)在步骤1)得到的患者术前面部三维网格模型中提取患者术前面部三维网格模型特征点,得到患者术前面部三维特征点点云;3)手术开始后,实时获取从两个方位拍摄的患者术中实时面部图片;4)根据步骤3)获取的图片生成患者术中面部二维特征点点云;5)根据患者术中面部二维特征点点云和患者术前面部三维特征点点云,确定患者术中实时头部姿态相对于术前电子计算机断层扫描颅颌面图像的配准结果,实现术中导航。本专利技术的特点及有益效果在于:本专利技术使用双目摄像机获取从两个方位拍摄的患者术中实时面部照片,相比于现有技术的使用光学导航设备捕捉患者实时姿态的方法更为廉价,可以降低术中导航的成本。本专利技术在由术前电子计算机断层扫描图像三维重建出的颅颌面三维网格模型以及患者术中实时面部照片上分别提取特征点,根据特征点点云对患者术前和术中姿态进行配准,相比于现有技术中在患者体内植入金属标记物并根据标记物方位对患者姿态进行配准的方法,不会对患者造成额外痛苦。本专利技术根据在患者术前电子计算机断层扫描图像和术中实时面部照片中位置固定的特征点进行点云配准,配准结果可以反映患者术前和术中的头部实际姿态差异,根据配准结果可以准确计算出术中医生手术器械于术前患者颅颌面医学影像中的位置,指导医生在手术中操作,有较高的实用价值。附图说明图1是本专利技术实施例的一种颅颌面外科手术的术中导航方法整体流程图。具体实施方式本专利技术提出一种颅颌面外科手术的术中导航方法,下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步详细说明如下。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本专利技术,并且能够将本专利技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。本专利技术提出一种颅颌面外科手术的术中导航方法,整体流程如图1所示,包括以下步骤:1)在进行颅颌面外科手术前,获取待进行手术的患者的术前电子计算机断层扫描颅颌面图像并进行三维重建,得到该患者术前面部三维网格模型;在本实施例中,通过获取患者术前电子计算机断层扫描颅颌面图像,将患者术前电子计算机断层扫描颅颌面图像体数据三维重建为患者术前面部三维网格模型。具体地,使用Marchingcubes算法提取患者术前电子计算机断层扫描颅颌面图像的三维体数据得到患者术前头部皮肤等值面三维网格模型,头部皮肤等值面的取值与头部皮肤的CT值相等。直接提取的患者头部皮肤等值面包含了较多的呼吸道和耳道的冗余顶点,且后续步骤中在患者术前面部三维网格模型上提取特征点仅需要用到患者面部网格顶点,呼吸道和耳道的冗余顶点以及患者头部后方的冗余顶点不利于特征点的提取,故对皮肤等值面三维网格模型向患者面朝方向做投影,在每条与患者面朝方向平行的水平线上仅保留投影距离最大的一个顶点,去除其余投影距离并非最大的顶点,将这些在患者面朝方向上投影距离最大的顶点组成的三维网格模型即认为是患者术前面部三维网格模型。2)在步骤1)得到的患者术前面部三维网格模型中提取患者术前面部三维网格模型特征点,得到患者术前面部三维特征点点云;具体步骤如下:2-1)获取三维网格模型训练数据集;在本实施例中,为了得到患者术前面部三维网格模型特征点特征,需要获取包含大量已进行特征点人工标注的不同患者面部三维网格模型作为训练数据集。具体地,从医院获取M名(本实施例为58名)不同患者的电子计算机断层扫描颅颌面图像,重复步骤1),将每张颅颌面图像分别三维重建为对应的患者面部三维网格模型,由人手工在每个患者面部三维网格模型上标注具有显著几何特征的68个特征点(当前国际通用的人脸特征点标注数据集常用的68个特征点),将人工标注过特征点位置的所有不同患者面部三维网格模型构成三维网格模型训练数据集。2-2)对待进行手术的患者术前面部三维网格模型进行粗配准,确定特征点大致位置;在本实施例中,对步骤1)得到的患者术前面部三维网格模型以及步骤2-1)得到的三维网格模型训练数据集中面部三维网格模型进行粗配准,使其对齐,根据三维网格模型训练数据集中手工标注的特征点位置,统计出每个特征点的平均位置作为步骤1)的患者术前面部三维网格模型特征点的大致位置。具体地,为了使步骤1)得到的患者术前面部三维网格模型以及步骤2-1)得到的三维网格模型训练数据集中面部网格模型对齐,对以上所述所有面部三维网格模型每个模型的所有顶点进行Graphbased聚类,首先对所有网格模型根据其每个顶点的法向量使用kmeans算法对顶点聚类,然后对每个聚类进行连通性检测,分开不连通的聚类,最后将包含顶点数量小于设定的顶点数量阈值(一般为顶点数量小于鼻子聚类顶点数量)的聚类向其临近聚类合并,以上聚类算法大致能将患者和训练集中所有三维网格模型中每个模型的所有顶点聚为20类,得到的聚类结果可以较好地区分每个三维网格模型的各个部分。对三维网格模型训练数据集中面部三维网格模型的每个聚类提取该聚类的MSI(平均spin图)特征,并使用SVM(SupportVectorMachine,支持向量机)训练每个聚类的MSI特征与其是否鼻子区域的关系,使用鼻子区域的原因为鼻子区域在不同患者间形态差异较小且特征明显便于配准,MSI特征的计算方法如下:其中P为任一聚类内所有顶点,spin-image(p)为聚类P在其顶点p处的spin-image(spin图)特征。spin-image特征的计算方法如下:首先选取顶点p领域内的任一顶点x,计算x在p位置沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颅颌面外科手术的术中导航方法,其特征在于,包括以下步骤:1)在进行颅颌面外科手术前,获取待进行手术的患者的术前电子计算机断层扫描颅颌面图像并进行三维重建,得到该患者术前面部三维网格模型;2)在步骤1)得到的患者术前面部三维网格模型中提取患者术前面部三维网格模型特征点,得到患者术前面部三维特征点点云;3)手术开始后,实时获取从两个方位拍摄的患者术中实时面部图片;4)根据步骤3)获取的图片生成患者术中面部二维特征点点云;5)根据患者术中面部二维特征点点云和患者术前面部三维特征点点云,确定患者术中实时头部姿态相对于术前电子计算机断层扫描颅颌面图像的配准结果,实现术中导航。

【技术特征摘要】
1.一种颅颌面外科手术的术中导航方法,其特征在于,包括以下步骤:1)在进行颅颌面外科手术前,获取待进行手术的患者的术前电子计算机断层扫描颅颌面图像并进行三维重建,得到该患者术前面部三维网格模型;2)在步骤1)得到的患者术前面部三维网格模型中提取患者术前面部三维网格模型特征点,得到患者术前面部三维特征点点云;3)手术开始后,实时获取从两个方位拍摄的患者术中实时面部图片;4)根据步骤3)获取的图片生成患者术中面部二维特征点点云;5)根据患者术中面部二维特征点点云和患者术前面部三维特征点点云,确定患者术中实时头部姿态相对于术前电子计算机断层扫描颅颌面图像的配准结果,实现术中导航。2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤1)具体方法如下:提取患者术前电子计算机断层扫描颅颌面图像的三维体数据得到患者术前头部皮肤等值面三维网格模型,对皮肤等值面三维网格模型向患者面朝方向做投影,在每条与患者面朝方向平行的水平线上保留投影距离最大的一个顶点,去除其余投影距离非最大的顶点,将所有在患者面朝方向上投影距离最大的顶点组成的三维网格模型作为患者术前面部三维网格模型。3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤2)具体步骤如下:2-1)获取M名患者的电子计算机断层扫描颅颌面图像,重复步骤1),将每张颅颌面图像分别三维重建为对应的患者面部三维网格模型,在每个患者面部三维网格模型上人工标注具有显著几何特征的68个特征点,将标注过特征点位置的所有患者面部三维网格模型构成三维网格模型训练数据集;2-2)对步骤1)得到的患者术前面部三维网格模型以及步骤2-1)得到的三维网格模型训练数据集中所有面部三维网格模型进行粗配准,根据三维网格模型训练数据集中标注的特征点位置,统计出每个特征点的平均位置作为步骤1)的患者术前面部三维网格模型特征点的大致位置;2-3)计算步骤2-1)得到的三维网格模型训练数据集中所有面部三维网格模型特征点特征,根据特征在步骤1)得到的患者术前三维网格模型中提取对应特征点,得到患者术前面部三维网格模型特征点点云。4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述步骤4)具体步骤如下:4-1)获取K张已进行人工标注过具有显著几何特征的68个特征点的人面部二维图像,作为人面部二维图像训练数据集;4-2)根据步骤4-1)得到的人面部二维图像训练数据集68个特征点每个特征点处的局部二值特征及对应特征点位置训练线性回归模型,使用训练完毕的线性回归模型在...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈莉唐人杰
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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