一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法技术

本发明专利技术公开了一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法，涉及医学图像处理领域。本发明专利技术提出的方法步骤主要包括：一、采集患者电子计算机断层扫描(Computed Tomography,简称CT)数据；二、对所采集CT数据进行阈值分割等预处理并加入手术规划模型，三维重建生成CT模型；三、立体相机标定及校正；四、采集患者三维口腔扫描仪数据；五、生成三维口腔扫描模型；六、配准三维口腔扫描模型与CT模型；七、配准三维口腔扫描模型与立体相机图像。本发明专利技术不需要在患者身上附加标志物，并能自动完成。另外，提出了一种新的三维立体匹配算法，提高了配准精度。同时，本发明专利技术中立体相机还可作为一种跟踪装置，用于跟踪手术器械的姿态，从而形成一种虚拟现实手术导航范例。

An Automatic Real-time Unmarked Image Registration Method for Dental Augmented Reality Surgery Navigation

The invention discloses an automatic real-time unmarked image registration method for dental augmented reality surgery navigation, which relates to the field of medical image processing. The method and steps of the invention mainly include: 1. acquisition of patient's computed tomography (CT) data; 2. pre-processing of collected CT data such as threshold segmentation and adding operation planning model, three-dimensional reconstruction to generate CT model; 3. calibration and correction of stereo camera; 4. acquisition of patient's three-dimensional oral scanner data; 5. generation of three-dimensional oral scanner data; Oral scanning model; 6. Registration of three-dimensional oral scanning model and CT model; 7. Registration of three-dimensional oral scanning model and stereo camera image. The invention does not need additional markers on patients and can be automatically completed. In addition, a new three-dimensional stereo matching algorithm is proposed to improve the accuracy of registration. At the same time, the stereo camera in the invention can also be used as a tracking device to track the posture of the surgical instrument, thus forming a virtual reality navigation example.

【技术实现步骤摘要】
一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法
本专利技术涉及医学图像处理领域，尤其涉及一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法。
技术介绍
牙科手术中，成熟的医学计算机辅助设计与制造技术保证了基于患者电子计算机断层扫描(ComputedTomography,简称CT)数据的精确的手术规划，然而手术过程中缺乏准确的手术指导与解剖结构可视化，医生利用视觉和经验进行手术，通常不能保证手术结果与术前规划一致。而增强现实技术凭借其与身边环境实时交互的特点，可以将术前设计方案以及重要的解剖结构的三维虚拟模型叠加到手术视野中，从而产生实时“透视”的效果，使医生实现裸眼观察，提高手术的准确性与安全性。增强现实的核心是图像配准。根据配准所用的信息不同，可分为基于灰度信息、基于变换域及基于特征的配准方法。在增强现实手术导航中多采用基于特征的配准方法，其又可分为基于人工标志的图像配准方法和基于自然特征的图像配准方法。在牙科手术导航中，为了将增强现实技术转为临床应用，除了精度要求外，图像配准还需要具备以下特征：不应给当前手术流程带来太多额外工作；不应给病人带来太多额外侵犯；快速执行并实时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：采集患者电子计算机断层扫描(Computed Tomography,简称CT)数据。步骤二：对所采集CT数据进行阈值分割等预处理，提取关键组织并加入手术规划模型，三维重建生成CT模型。步骤三：立体相机标定及校正。步骤四：采集患者三维口腔扫描仪数据。步骤五：对所采集三维口腔扫描数据进行预处理，生成三维口腔扫描模型。步骤六：采用主成分分析及迭代最近点方法将三维口腔扫描模型与CT模型配准，从而将三维口腔扫描模型转换至CT空间。步骤七：采用金字塔分层算法及拟牛顿法将三维口腔扫描模型(变换至CT空间)与立体相机图...

【技术特征摘要】
1.一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：采集患者电子计算机断层扫描(ComputedTomography,简称CT)数据。步骤二：对所采集CT数据进行阈值分割等预处理，提取关键组织并加入手术规划模型，三维重建生成CT模型。步骤三：立体相机标定及校正。步骤四：采集患者三维口腔扫描仪数据。步骤五：对所采集三维口腔扫描数据进行预处理，生成三维口腔扫描模型。步骤六：采用主成分分析及迭代最近点方法将三维口腔扫描模型与CT模型配准，从而将三维口腔扫描模型转换至CT空间。步骤七：采用金字塔分层算法及拟牛顿法将三维口腔扫描模型(变换至CT空间)与立体相机图像配准，从而动态解析CT空间与相机空间的几何关系。2.根据权利要求1所述的一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法，特征在于：步骤六中三维口腔扫描模型与CT模型配准，先进行基于主成分分析(PrincipalComponentAnalysis，简称PCA)的初配准，再进行基于迭代最近点(IterativeClosestPoint，简称ICP)的精配准，最终将三维口腔扫描模型转换至CT空间。基于PCA的初配准采用四元数及奇异值分解(SingularValueDecomposition，简称SVD)方法进行求解，求出CT模型以及三维口腔扫描模型的三个主方向，再加上各自重心，得到4个对应的特征点对，利用协方差矩阵的构造矩阵求得四元数(w,x,y,z)，进而得到旋转矩阵R0与平移矩阵s0。完成初配准，得到初配准矩阵T0＝(R0,s0)。Q＝T0Q。基于ICP的精配准采用SVD方法求解旋转矩阵。使用k-dtree方法在CT模型中寻找...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君臣，纪红蕾，孙振，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11