一种结合光学手术导航的三维可视化头皮开颅定位方法技术

本发明专利技术公开了一种结合光学手术导航的三维可视化开颅定位方法，包括步骤：1)导入病人颅脑CT图像序列进行分割，获取颅内病灶与头皮的二维图像数据；2)根据病灶与头皮的二维图像进行三维重建，在虚拟空间下渲染成三维模型，将病灶模型正交映射至头皮设计出自适应的开颅轮廓；3)结合光学手术导航仪，完成手术工具注册以及病人空间与虚拟空间的注册后，实时追踪手术工具，沿着虚拟的开颅轮廓，在真实的颅脑头皮上勾画出实际开颅轮廓；4)采用可视化的方法实时记录并显示手术工具针尖的移动路径；5)在虚拟空间下，求解实际轮廓与设计轮廓之间的距离评估开颅定位的精度。本发明专利技术为医生提供勾画的参考，突破传统方法中需肉眼紧盯病灶设计开颅轮廓的缺点。

A 3D Visual Skull Orientation Method Combined with Optical Surgical Navigation

The invention discloses a three-dimensional visualized craniotomy positioning method combined with optical surgery navigation, which comprises the following steps: 1) importing a patient's brain CT image sequence for segmentation, obtaining two-dimensional image data of intracranial lesions and scalp; 2) three-dimensional reconstruction based on two-dimensional image of lesions and scalp, rendering into three-dimensional model in virtual space, and orthogonal mapping of lesion model to scalp design. Adaptive craniotomy contour; (3) After registration of surgical tools and patient space and virtual space, real-time tracking of surgical tools, along the virtual craniotomy contour, to draw the actual craniotomy contour on the real craniocerebral scalp; (4) real-time recording and displaying the moving path of surgical tool tip by visual method; (5) in virtual space; To evaluate the accuracy of craniotomy positioning by calculating the distance between the actual contour and the design contour. The invention provides a reference for doctors in sketching and breaks through the shortcomings of traditional methods in designing craniotomy contour with naked eyes.

【技术实现步骤摘要】
一种结合光学手术导航的三维可视化头皮开颅定位方法
本专利技术涉及医学图像处理与手术应用的
，尤其是指一种结合光学手术导航的三维可视化头皮开颅定位方法。
技术介绍
颅脑外科手术具有高风险、高难度等特点，根据病灶位置定位开颅切口是开颅手术的重要步骤，定位的精度会直接影响手术质量，以及病人术后康复。神经外科医生通常利用CT、MRI等医学影像显示的肿瘤信息，凭借临床经验来设计开颅手术切口，继而移除病灶。术前规划时仅凭二维影像数据难以精准定位肿瘤的位置，往往造成切口设计偏大，或是定位不准确，导致术中可能需要重新定位切口，给病人造成更大的创伤。当前，光学手术导航系统可以显示病灶与头皮的三维模型，并精确定位颅内病灶，医生需要盯紧屏幕，利用手术工具沿着病灶轮廓在病人头部设计开颅切口。但是从单一的三维视角下观察病灶轮廓，会导致手术工具与头皮的夹角偏大，容易因操作不当造成切口设计的不准确；同时，主流的手术导航系统并没有针对轮廓勾画过程进行反馈，所以无法对勾画结果进行修正。此外，目前没有一套标准化的轮廓勾画评估方法，无法对切口的设计结果进行量化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种结合光学手术导航的三维可视化头皮开颅定位方法，结合光学手术导航系统实现开颅轮廓定位与设计，并提出了一套标准化的轮廓勾画评估方法量化勾画精度。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种结合光学手术导航的三维可视化开颅定位方法，该方法是以病灶与头皮的三维模型为基础，根据手术损伤最小原则，将病灶模型的轮廓正交投影至头皮模型上，生成自适应的开颅轮廓，其后结合光学手术导航，将虚拟开颅轮廓勾画至真实颅脑表面，进而凭借指标评估开颅轮廓定位的精度，方法过程如下：1)根据病灶与头皮的CT图像进行三维重建，在虚拟空间下渲染成三维模型，经旋转模型以选取手术损伤小的视角后，将病灶模型正交映射至头皮设计出自适应的开颅轮廓；2)结合光学手术导航仪，完成手术工具注册以及病人空间与虚拟空间的注册后，实时追踪手术工具，沿着虚拟的开颅轮廓，在真实的颅脑头皮上勾画出实际开颅轮廓；3)采用可视化的方法实时记录并显示手术工具针尖的移动路径；4)在虚拟空间下，求解实际轮廓与设计轮廓之间的距离评估开颅定位的精度。在步骤1)中，所述的将病灶模型正交映射至头皮设计出自适应的开颅轮廓，包括以下步骤：1.1)构建与病灶适形的二值掩膜图像在对CT图像中的病灶与头皮进行分割和三维重建后，遍历虚拟病灶模型的空间点云，通过正交映射将其由世界坐标系变换至屏幕坐标系下，构建与病灶适形的二值掩膜图像，并采用填洞算法填充掩膜图像中因点云不连续造成的细小孔洞，进而完善掩膜图像；1.2)基于八叉树分解算法快速开颅定位针对头皮模型采用八叉树分解算法，头皮沿最小包围盒分解成八份立方体，每个立方体包含相应的点云，且按层级递增依次迭代分解；之后根据颅脑的解剖信息，调整合适的映射视角；接着立方体的八个顶点经正交映射至屏幕坐标系，并判断是否在掩膜图像内，若在则保留点云，不在则剔除，若部分在内部，则取其高层级的子节点继续迭代运算；最终快速生成一条与掩膜图像相同的虚拟轮廓；1.3)结合图像形态学的轮廓修正算法以适应临床需求通过设置算法中算子的半径，算子对掩膜图像边缘进行腐蚀或膨胀，并重复步骤1.2)，重新生成符合手术需求的开颅轮廓。在步骤2)中，所述的在真实的颅脑头皮上勾画出实际开颅轮廓，具体为：经过注册的手术工具在光学手术导航仪的拍摄下，它在病人空间下的位姿实时准确地反馈至虚拟空间中，并显示出工具与病灶之间的相对位置与偏转角度，提供工具调整的辅助信息，降低因操作不当造成的勾画误差，勾画结束时，头皮上生成一条大小与设计的开颅轮廓相符的闭合轮廓。在步骤3)中，所述的采用可视化的方法实时记录并显示手术工具针尖的移动路径是指：手术工具在移动时，其针尖位置会被记录，经坐标变换后，其坐标转换至虚拟空间中，并以空间点集的形式显示，当勾画完毕时，即工具针尖回归至起点，将所有的点依次按顺序连接形成闭合轮廓作为实际轮廓的副本。在步骤4)中，所述的求解实际轮廓与设计轮廓之间的距离评估开颅定位的精度，包括以下步骤：4.1)对两条虚拟轮廓线进行采样，得到实际的轮廓点集CA＝{pi|i＝1,…,n}与设计的轮廓点集CD＝{qj|j＝1,…,m},之后分别对其进行遍历，求出pi在CD中的最临近点qk，qk连接qk-1和qk+1得到线段lk-1,k和lk,k+1，接着求解pi到这两条线段中最短的距离di，进而组成最短距离集合DAD＝{di|i＝1,…,n}，同理，求出qj到达CA的最短距离集合DDA＝{gj|j＝1,…,m}；4.2)通过以下公式(1)求得两组最短距离集的平均值dmean，作为勾画结果的评判标准，从而标准化地评估轮廓勾画的精度；式中，di为距离集合DAD中的距离元素，n为距离集合DAD元素的个数，gj为距离集合DDA中的距离元素，m为距离集合DDA元素的个数。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本专利技术实现了自适应的开颅轮廓设计方法，可以根据病灶的位置和大小在头皮表面上生成等大的开颅轮廓，为医生提供勾画的参考，突破传统方法中需肉眼紧盯三维病灶模型设计开颅轮廓的缺点。2、本专利技术实现了手术工具的追踪定位，将手术工具的移动路径实时反馈至手术导航系统中，医生可根据手术工具与三维病灶模型间的相对位置和偏转角度，对勾画过程进行调整，最终生成实际的开颅轮廓。3、本专利技术提出了标准化的开颅勾画精度检验，利用上述指标可以作为勾画精度的评判标准，医生可凭借该标准检验开颅勾画的结果是否与原设计的切口相符。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为病灶与头皮分割和三维重建的结果图。图3为病灶映射至屏幕的掩膜图像。图4为头皮经八叉树分解并存储的结果图。图5为虚拟开颅轮廓定位后的结果图。图6为最终在实际头颅上勾画的效果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本实施例所提供的结合光学手术导航的三维可视化开颅定位方法，包括以下步骤：1)从成像设备中获取二维医学图像切片，分割图像中的头皮以及病灶区域，表面重建头皮以及病灶构建三维模型，具体步骤为：1.1)读取颅脑二维切片图像；1.2)采用各向异性滤波对切片图像进行处理，既去除噪声信息，同时保留边缘细节；1.3)依据头皮的CT值，利用阈值法快速提取每张切片的头皮轮廓。病灶则通过图像金字塔算法先降采样至低分辨率的图像，而后用快速行进算法(FastMarching)从三个维度分割出病灶的图像数据，再通过金字塔算法升采样至与原图等大的图像；1.4)经过移动立方体算法(Marchingcube)将头皮与病灶的图像数据重建为三维模型数据。模型主要由特定像素值的点云数据依次连接的三角网格构建而成，实现两者表面轮廓的三维重建(如图2所示)。2)根据实际病人的颅脑解剖信息，选取合适的映射角度，经过正交映射和八叉树分解算法在头皮上快速定位并设计开颅轮廓，具体步骤为：2.1)通过三维的界面交互，选取虚拟空间中合适的映射角度，而后针对病灶三维模型利用正交映射将所有点云数据变换至屏幕坐标系下，构建与其等大的掩膜图像(如图3所示)；2.2)对头皮模型进行八叉树分解，以八叉树的数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合光学手术导航的三维可视化开颅定位方法，其特征在于：该方法是以病灶与头皮的三维模型为基础，根据手术损伤最小原则，将病灶模型的轮廓正交投影至头皮模型上，生成自适应的开颅轮廓，其后结合光学手术导航，将虚拟开颅轮廓勾画至真实颅脑表面，进而凭借指标评估开颅轮廓定位的精度，方法过程如下：1)根据病灶与头皮的CT图像进行三维重建，在虚拟空间下渲染成三维模型，经旋转模型以选取手术损伤小的视角后，将病灶模型正交映射至头皮设计出自适应的开颅轮廓；2)结合光学手术导航仪，完成手术工具注册以及病人空间与虚拟空间的注册后，实时追踪手术工具，沿着虚拟的开颅轮廓，在真实的颅脑头皮上勾画出实际开颅轮廓；3)采用可视化的方法实时记录并显示手术工具针尖的移动路径；4)在虚拟空间下，求解实际轮廓与设计轮廓之间的距离评估开颅定位的精度。

【技术特征摘要】
1.一种结合光学手术导航的三维可视化开颅定位方法，其特征在于：该方法是以病灶与头皮的三维模型为基础，根据手术损伤最小原则，将病灶模型的轮廓正交投影至头皮模型上，生成自适应的开颅轮廓，其后结合光学手术导航，将虚拟开颅轮廓勾画至真实颅脑表面，进而凭借指标评估开颅轮廓定位的精度，方法过程如下：1)根据病灶与头皮的CT图像进行三维重建，在虚拟空间下渲染成三维模型，经旋转模型以选取手术损伤小的视角后，将病灶模型正交映射至头皮设计出自适应的开颅轮廓；2)结合光学手术导航仪，完成手术工具注册以及病人空间与虚拟空间的注册后，实时追踪手术工具，沿着虚拟的开颅轮廓，在真实的颅脑头皮上勾画出实际开颅轮廓；3)采用可视化的方法实时记录并显示手术工具针尖的移动路径；4)在虚拟空间下，求解实际轮廓与设计轮廓之间的距离评估开颅定位的精度。2.根据权利要求1所述的一种结合光学手术导航的三维可视化头皮开颅定位方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的将病灶模型正交映射至头皮设计出自适应的开颅轮廓，包括以下步骤：1.1)构建与病灶适形的二值掩膜图像在对CT图像中的病灶与头皮进行分割和三维重建后，遍历虚拟病灶模型的空间点云，通过正交映射将其由世界坐标系变换至屏幕坐标系下，构建与病灶适形的二值掩膜图像，并采用填洞算法填充掩膜图像中因点云不连续造成的细小孔洞，进而完善掩膜图像；1.2)基于八叉树分解算法快速开颅定位针对头皮模型采用八叉树分解算法，头皮沿最小包围盒分解成八份立方体，每个立方体包含相应的点云，且按层级递增依次迭代分解；之后根据颅脑的解剖信息，调整合适的映射视角；接着立方体的八个顶点经正交映射至屏幕坐标系，并判断是否在掩膜图像内，若在则保留点云，不在则剔除，若部分在内部，则取其高层级的子节点继续迭代运算；最终快速生成一条与掩膜图像相同的虚拟轮廓；1.3)结合图像形态学的轮廓修正算法以适应临床需求通过设置算法中算子的半径，算子对掩膜图像边缘进行腐蚀或膨胀，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣骞，戴知宇，杭飞，庄建，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44