一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法技术

本发明专利技术属于医学图像处理技术领域，具体为一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法。本发明专利技术方法包括：从术前图像中提取目标脑组织并进行三维重建，提取目标脑组织表面点集；通过三维扫描仪获取变形后脑组织表面点集数据以及纹理图像。提取脑组织表面点集的三维沟回点集，提取二维纹理图像上的沟回特征，通过二维沟回特征和对应三维沟回特征的映射关系，得到术中三维沟回点集。使用刚性配准方法，对术中脑组织表面的横向位移进行补偿，通过基于沟回特征增强的非刚体配准方法，获得变形前后脑组织表面三维点集对应关系，并计算脑组织表面点集的位移场。本发明专利技术可以用于估计手术中脑组织表面的变形程度，大幅度提高手术导航的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法
本专利技术属于医学图像处理
，具体涉及一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法。
技术介绍
研究显示，脑组织变形常发生于神经外科手术过程当中。以神经外科导航手术例，在打开硬脑膜后，脑组织会因重力、脑脊液丢失、脑组织切除等因素发生变形，导致脑组织结构的术中位置与之前根据术前图像确定的位置不一致。术中脑组织变形会引起导航定位误差，降低导航精度。补偿脑组织变形误差的方法可以分为基于术中成像的方法和基于生物力学模型的方法。基于术中成像的方法借助于术中成像设备(如术中CT、术中MRI和术中超声等)获得脑组织的术中图像，通过非刚性配准方法将术中图像与术前图像配准来补偿术中脑组织变形误差。基于生物力学模型的方法通过有限元生物力学模型模拟术中脑移位，并基于此更新术前图像来补偿术中脑组织变形误差。采用有限元生物力学模型动态模拟术中脑组织变形，关键在于找到合适的边界条件驱动模型，目前有限元生物力学模型通常采用脑组织表面位移作为边界条件。脑组织表面位移计算方法分为两大类：(1)基于纹理信息的方法；(2)基于几何信息的方法。基于纹理信息的方法的主要缺陷在于：术前的纹理图像采集或生成存在困难，因此该类方法只能用于估计手术开始之后的两个术中时间点(如切除前后)之间的脑组织表面位移，而无法计算术前与术中这两个时间点之间的脑组织表面位移。基于几何信息的方法，由于只利用点集几何位置的信息，因此能计算手术进程中任意两个时间点之间的脑组织变形，包括术前(即无变形)与术中(变形后)时间点之间的脑组织表面位移，以及手术开始之后的任意两个术中时间点之间的脑组织表面位移。现有技术公开了基于几何信息的脑组织表面变形估计方法，例如迭代最近点(ICP)算法、漂移点一致的算法(CoherentPointDriftCPD)、TPS-RPM(thinplatesplinerobustpointmatching)算法、基于子块的变形追踪方法等。这些方法因为缺乏局部关键几何信息配准的约束，难以准确地找到点对之间的对应关系，特别是当脑组织发生较大的变形时，无法准确地跟踪脑组织变形。因此，本专利技术拟提供一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法，能够实现脑组织表面位移高精度估计，继而准确预判术中脑组织变形量，提高导航精度。参考文献：[1]T.K.Sinha,B.M.Dawant,V.Duay,D.M.Cash,R.J.WeilandR.C.Thompson,etal.,"Amethodtotrackcorticalsurfacedeformationsusingalaserrangescanner,"IEEETransactionsonMedicalImaging,vol.24,no.6,pp.767-781,2005.[2]S.Ji,X.Fan,D.W.Roberts,A.HartovandK.D.Paulsen,"Corticalsurfaceshiftestimationusingstereovisionandopticalflowmotiontrackingviaprojectionimageregistration,"MedicalImageAnalysis,vol.18,no.7,pp.1169-1183,2014[3]H.Sun,K.E.Lunn,H.Farid,Z.Wu,D.W.RobertsandA.Hartov,etal.,"Stereopsis-guidedbrainshiftcompensation,"IEEETransMedImaging,vol.24,no.8,pp.1039-1052,2005.[4]H.ChuiandA.Rangarajan,"ANewPointMatchingAlgorithmforNonrigidRegistration,"ComputVisImageUND,vol.89,pp.114-141,2003.[5]A.MyronenkoandX.Song,"PointSetRegistration:CoherentPointDrift.IEEETransPatAnalandMachIntel,vol.32,pp.2262-75,2010.[6]章琛曦、宋志坚、王子龙、姚德民、王满宁，一种基于子块的软组织表面变形追踪方法，申请，201410723354.9，专利，2014。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法，以实现脑组织表面位移高精度估计，继而准确预判术中脑组织变形量，提高手术导航精度。本专利技术方法的基本步骤包括：(1)数据获取：在术前，将目标脑组织从术前图像中提取出来并进行三维重建，提取目标脑组织表面点集作为脑组织初始表面，即变形前脑组织表面。在开颅后，通过高精度的手持式三维扫描仪获取术中脑组织表面，即变形后脑组织表面点集数据以及纹理图像。(2)特征提取：在术前，手工提取脑组织表面点集的三维沟回点集；在术中，首先使用B-COSFIRE滤波器算法提取二维纹理图像上的沟回特征，并通过二维沟回特征和对应三维沟回特征的映射关系，得到术中三维沟回点集。(3)位移场计算：使用CPD-Rigid刚性配准方法，对术中脑组织表面的横向位移进行补偿，之后，通过基于沟回特征增强的CPD非刚体配准方法，获得变形前后脑组织表面三维点集对应关系，并计算脑组织表面点集的位移场。本专利技术提供的基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计算法，具体步骤为：(1)采用分割算法从术前图像中提取目标脑组织并进行三维重建；(2)提取目标脑组织表面点集作为脑组织初始表面点集，手工提取初始表面上的三维沟回点集；(3)通过手持式三维激光扫描仪获取变形后脑组织表面点集以及纹理图像；(4)使用基于B-COSFIRE滤波器的提取算法得到变形后脑表面上的三维沟回点集；(5)使用CPD-Rigid刚性配准方法对术中脑组织表面横向位移进行补偿；(6)采用基于沟回特征增强的CPD非刚体配准方法，对初始脑组织表面以及横向位移补偿后的变形后脑组织表面进行非刚性匹配，获得变形前后脑组织表面三维点集对应关系，并计算脑组织表面点集的变形位移场。本专利技术中，从术前图像中分割出目标脑组织并进行三维重建。本专利技术的实施例中采用一种自动分割与手动分割相结合的分割方法，首先采用自动分割，然后用手动分割方法进行完善。提取出脑组织之后，对提取目标脑组织并进行三维表面重建。本专利技术中，获得脑组织三维表面重建结果后，提取脑组织表面点集作为脑组织初始表面点集，之后手工提取初始表面上的三维沟回点集。本专利技术中，当脑组织发生变形后，采用手持式三维激光扫描仪扫描脑组织暴露表面，获取变形后三维脑组织表面点集以及二维纹理图像。本专利技术中，使用基于B-COSFIRE滤波器的提取算法，获得变形后脑表面上的三维沟回点集，包含步骤：(1)使用B-COSFIRE滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法，其特征在于，具体步骤为：/n(1)采用分割算法从术前图像中提取目标脑组织并进行三维重建；/n(2)提取目标脑组织表面点集作为脑组织初始表面点集，手工提取初始表面上的三维沟回点集；/n(3)通过手持式三维激光扫描仪获取变形后脑组织表面点集以及纹理图像；/n(4)使用基于B-COSFIRE滤波器的提取算法得到变形后脑表面上的三维沟回点集；/n(5)使用CPD-Rigid刚性配准方法对术中脑组织表面横向位移进行补偿；/n(6)采用基于沟回特征增强的CPD非刚体配准方法，对初始脑组织表面以及横向位移补偿后的变形后脑组织表面进行非刚性匹配，获得变形前后脑组织表面三维点集对应关系，并计算脑组织表面点集的变形位移场。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)采用分割算法从术前图像中提取目标脑组织并进行三维重建；
(2)提取目标脑组织表面点集作为脑组织初始表面点集，手工提取初始表面上的三维沟回点集；
(3)通过手持式三维激光扫描仪获取变形后脑组织表面点集以及纹理图像；
(4)使用基于B-COSFIRE滤波器的提取算法得到变形后脑表面上的三维沟回点集；
(5)使用CPD-Rigid刚性配准方法对术中脑组织表面横向位移进行补偿；
(6)采用基于沟回特征增强的CPD非刚体配准方法，对初始脑组织表面以及横向位移补偿后的变形后脑组织表面进行非刚性匹配，获得变形前后脑组织表面三维点集对应关系，并计算脑组织表面点集的变形位移场。


2.根据权利要求1所述的脑组织表面变形估计方法，其特征在于，步骤(1)的流程为：采用自动分割与手动分割相结合的分割方法，首先采用自动分割，然后用手动分割方法进行完善；提取出脑组织之后，对提取目标脑组织并进行三维表面重建。


3.根据权利要求1所述的脑组织表面变形估计方法，其特征在于，步骤(4)的流程为：
(1)使用B-COSFIRE滤波器从二位纹理图像中提取脑沟回；
(2)执行开运算操作以平滑沟回图像；
(3)运用骨架提取算法提取脑沟回中心点集；
(4)通过二维纹理特征和对应三维点集的映射关系，获得变形后脑表面上的三维沟回点集。


4.根据权利要求1所述的脑组织表面变形估计方法，其特征在于，步骤(5)的流程为：
(1)将变形前和变形后脑组织表面的三维沟回点集分别作为源点集和目标点集；

【专利技术属性】
技术研发人员：章琛曦，董源，宋志坚，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31