一种扩增骨质区域进行MR配准的方法及其工具设计方法技术

本发明专利技术属于医疗成像方法，具体涉及一种扩增骨质区域进行MR配准的方法及其工具设计方法，在术前以某一块暴露的骨质区域作为骨性定位区域做三维重建，依据该骨性定位区域设计个性化贴面，并通过连杆连接到体外的基准标记，并将这一系列部件用3D打印技术制作成基准标记工具，术前将患者骨骼及周围组织数据以及基准标记工具数字化三维信息输入到全息电脑里，术中将消毒后的基准标记工具安装在相应骨性定位区域上，相对较小的手术骨质区域被扩增为较大的3D打印基准标记，然后全息电脑通过识别基准标记工具上的基准标记实现配准，从而快速精准地将患者虚拟的骨骼等解剖结构叠加到真实的患者身体上，从而帮助手术。

A Method and Tool Design Method for MR Registration of Amplified Bone Regions

The invention belongs to a medical imaging method, and specifically relates to a method of MR registration for expanding bone area and a tool design method. Before operation, a exposed bone area is used as a bone location area for three-dimensional reconstruction. According to the bone location area, a personalized veneer is designed and connected to the reference mark in vitro through a connecting rod, and the series of components are made by 3D printing technology. As a benchmark marking tool, the patient's skeleton and surrounding tissue data and the digital three-dimensional information of benchmark marking tool were input into the holographic computer before operation. During the operation, the disinfected benchmark marking tool was installed in the corresponding bone location area. The relatively small surgical bone area was expanded to a larger 3D printing benchmark, and then the holographic computer recognized the benchmark marking tool. The registration of benchmark markers can quickly and accurately superimpose the virtual skeleton and other anatomical structures on the real patient's body, thus helping the operation.

【技术实现步骤摘要】
一种扩增骨质区域进行MR配准的方法及其工具设计方法
本专利技术属于医疗成像方法，具体涉及一种扩增骨质区域进行MR配准的方法及其工具设计方法。
技术介绍
外科手术中需要对于人体深部病灶情况进行充分的了解，但之前只能通过充分切开暴露、放射线透视和多普勒超声等方式来了解。近年来，MR技术提供了一个新的选择，将患者骨骼及周围组织CT和MRI信息进过三维重建输入到头戴式(眼镜式)全息电脑里，在术中通过配准后，可将患者骨骼及周围组织虚拟三维影像呈现在患者体内，充分帮助术者实时了解手术区域深部情况，无论切开暴露与否。但是，目前而言，MR技术中的配准是一个亟待解决的难题。1、人体内的组织除了单个骨骼之外，其余周围软组织和临近关节骨骼都可以活动，在术中位置与术前位置将会不一致，因此手术区域整体外形无法适用于自动配准；2、单个骨骼的各部位的相对位置虽然恒定，但手术中往往只能暴露其中的一小部分骨质区域，且位置较深，因此想以小部分骨质区域作为配准标记完成自动配准也十分困难；3、手动配准，过程繁琐、缓慢而困难，并且精度较差，既增加手术时间又影响手术精度，经常无法满足手术要求。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术提供一种扩增骨质区域进行MR配准的方法及其工具设计方法。从MR配准原理出发，被配准实物本身作为无数个“配准基准标记”的集合，其表面积和体积越大、外型越不规则，代表着配准精度越高、配准过程越容易。但是在外科手术中，只能对骨骼的一小部分区域做切开暴露，这些有限的骨质区域，作为配准标记区，将非常影响配准的精度和过程，因此，本专利技术通过3D打印的基准标记工具，将较小的骨质区域扩增为较大的3D打印的配准标记，解决术中MR配准过程困难、配准精度低的问题。本专利技术的技术方案为：一种扩增骨质区域进行MR配准的方法，包括：S1，在手术前，以手术区域一块需要暴露的骨质区域作为骨性定位区域，做三维重建，依据该骨性定位区域设计个性化贴面；所述个性化贴面，是可以以唯一的方位贴服在骨骼表面的贴面工具，其有且只有一种位置能与骨性定位区域完美贴合；S2，设计连杆和基准标记：在计算机上，手术区域的切口外设计基准标记作为配准标志，并设计连杆将个性化贴面和基准标记相连；S3，整合配对工具并制作该工具：在计算机上，将个性化贴面、连杆和基准标记合成一个整体的基准标记工具，并制作出来，检验合格后消毒备用；S4，在手术中安装个性化贴面后利用基准标记进行配准。进一步的，步骤S1具体包括：a，建模：将患者手术区域手术前的CT和MRI数据导入计算机，通过软件重建后得到“三维立体骨骼数字化模型”，并分析病情；b，确定骨性定位区域：按手术要求，以手术骨骼为中心将手术中本来就需要剥离或可选择剥离出来的骨质区域，在计算机上模拟并标记出来；c，设计个性化贴面工具：在计算机上，依据所确定的骨性定位区域，设计个性化贴面。骨性定位区域，选择最有特异性、最好暴露和最易操作、设计个性化贴面的骨质区域。进一步的，步骤a中，采用Mimisc、Magics软件重建“三维立体骨骼数字化模型”。进一步的，步骤S4包括以下步骤：(1)手术前准备工作，将手术区域解剖结构及安装其上的基准标记工具的数字化三维数据输入到便携式全息电脑；(2)进行手术的前序常规操作，并按手术计划暴露相应骨性定位区域；(3)将准备好的基准标记工具的个性化贴面以唯一完美的方式贴合在骨性定位区域上，并进行临时固定；(4)手术者佩戴便携式全息电脑，进行调整；(5)以基准标记工具上的基准标记为配准标志，进行配准，将手术区域解剖结构虚拟在全息电脑上，并与患者本身重叠。进一步的，步骤(1)中，通过PC或移动智能设备进行便携式全息电脑的数据输入。进一步的，步骤(1)中，所述便携式全息电脑为头戴式。进一步的，步骤S3中，所述基准标记工具采用3D打印技术制作。进一步的，步骤S2中，所述基准标记为一个或多个，对应的连杆也为一个或多个。本专利技术还公开了一种带扩增功能的基准标记工具的设计方法，包括：在手术前，以手术区域一块需要暴露的骨质区域作为骨性定位区域，做三维重建，依据该骨性定位区域设计个性化贴面；所述个性化贴面，是可以以唯一的方位贴服在骨骼表面的贴面工具，其有且只有一种位置能与骨性定位区域完美贴合；设计连杆和基准标记：在计算机上，手术区域的切口外设计基准标记作为配准标志，并设计连杆将个性化贴面和基准标记相连。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术通过将术中有限的骨质暴露区域用3D打印的基准标记工具扩增成较大的、更准确、更容易识别的体外标记，通过术前设计将该配准标记和患者骨骼三维数据编程到头戴式全息智能眼镜里，在术中能进行准确快速的配准，提高配准精度、加快配准速度。总的来说，本专利技术使手术中MR配准过程更快、更准。2、通过使用3d打印的基准标记工具将术中较小的骨质区域扩增为较大的基准标记，使得配准精度更加精准、配准过程更加迅速顺利。3、本专利技术重点在于“基准标记”的扩增和改良，与自动配准和手动配准无关，不限定配准方式，既可以是手动，也可以是自动。附图说明图1为本专利技术过程示意图，(1)-(5)对应步骤1-5，(6)、(7)对应步骤8、9；图2为髋关节置换术实施例的过程示意图，A-F对应步骤1-6，G-J对应步骤8-11。具体实施方式以下将结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述。本专利技术在术前以手术区域某一块需要暴露的骨质区域作为骨性定位区域做三维重建，依据该骨性定位区域设计一个贴面部件，这个部件通过一个连杆连接到体外的一个基准标记，并将这一系列部件用3D打印技术制作成整体工具。术前，将患者骨骼及周围组织数据以及3D打印的工具数字化三维信息输入到头戴式(眼镜式)全息电脑里。术中，将消毒后的3D打印的工具安装在相应骨性定位区域上，然后全息电脑通过识别3D打印的工具上的基准标记实现自动实时配准，从而快速精准地将患者虚拟的骨骼等解剖结构叠加到真实的患者身体上，从而帮助手术。专业名词解释：混合现实技术(MixedReality)MR:是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。简单的说就是将计算机设计的虚拟物品叠加在真实的现实世界里。图像配准(Imageregistration):广义的图像配准就是将不同时间、不同传感器(成像设备)或不同条件下(天候、照度、摄像位置和角度等)获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程，它已经被广泛地应用于遥感数据分析、计算机视觉、图像处理等领域。MR配准技术：含自动配准和手动配准。自动配准：在MR技术中，通过基准标记(fiducialmarkers)等标记物，使系统自动识别标记物，自动配准基准技术(空间坐标、空间方向、空间比例)利用计算机算法赋值到等标记物，将事先设计好的虚拟物品与现实世界中该物品的真实原型进行自动匹配的技术。手动配准：相对于自动配准技术，手动进行配准。基准标记(fiducialmarkers)：一类人为设计的包括但不限于二维码、三维物件等部件，用于充当包括MR配准技术在内配准标记物、标准记物所含信息(空间坐标、空间方向、空间比例)。标记扩增：一类将被配准实物的较小的基准标记扩大成较大的更加容易被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扩增骨质区域进行MR配准的方法，其特征在于，包括：S1，在手术前，以手术区域一块需要暴露的骨质区域作为骨性定位区域，做三维重建，依据该骨性定位区域设计个性化贴面；所述个性化贴面，是可以以唯一的方位贴服在骨骼表面的贴面工具，其有且只有一种位置能与骨性定位区域完美贴合；S2，设计连杆和基准标记：在计算机上，手术区域的切口外设计基准标记作为配准标志，并设计连杆将个性化贴面和基准标记相连；S3，整合配对工具并制作该工具：在计算机上，将个性化贴面、连杆和基准标记合成一个整体的基准标记工具，并制作出来，检验合格后消毒备用；S4，在手术中安装个性化贴面后利用基准标记进行配准。

【技术特征摘要】
1.一种扩增骨质区域进行MR配准的方法，其特征在于，包括：S1，在手术前，以手术区域一块需要暴露的骨质区域作为骨性定位区域，做三维重建，依据该骨性定位区域设计个性化贴面；所述个性化贴面，是可以以唯一的方位贴服在骨骼表面的贴面工具，其有且只有一种位置能与骨性定位区域完美贴合；S2，设计连杆和基准标记：在计算机上，手术区域的切口外设计基准标记作为配准标志，并设计连杆将个性化贴面和基准标记相连；S3，整合配对工具并制作该工具：在计算机上，将个性化贴面、连杆和基准标记合成一个整体的基准标记工具，并制作出来，检验合格后消毒备用；S4，在手术中安装个性化贴面后利用基准标记进行配准。2.根据权利要求1所述的扩增骨质区域进行MR配准的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：a，建模：将患者手术区域手术前的CT和MRI数据导入计算机，通过软件重建后得到“三维立体骨骼数字化模型”，并分析病情；b，确定骨性定位区域：按手术要求，以手术骨骼为中心将手术中本来就需要剥离或可选择剥离出来的骨质区域，在计算机上模拟并标记出来；c，设计个性化贴面工具：在计算机上，依据所确定的骨性定位区域，设计个性化贴面。3.根据权利要求2所述的扩增骨质区域进行MR配准的方法，其特征在于，步骤a中，采用Mimisc、Magics软件重建“三维立体骨骼数字化模型”。4.根据权利要求1所述的扩增骨质区域进行MR配准的方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：(1)手术前准备工作，将手术区域解...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟达，王成功，胡懿郃，王小鹏，
申请(专利权)人：中南大学湘雅医院，
类型：发明
国别省市：湖南,43