图像测量与配准方法技术

本发明专利技术涉及把物理空间与图像空间的位置及方向进行测量和注册的方法，本发明专利技术的方法包括：提供具有跟踪工具的组件；该组件包括位置和/或方向部件，其位置和可用方向可以基于所述跟踪工具的坐标框架，使用一个测量件来测量；该测量件具有用于测量的测量表面，而无需事先用跟踪系统中的跟踪工具进行校准；将组件放在一个人体上并进行扫描；在人体上放置一个相对跟踪工具；在登记时间，同时记录下所述相对跟踪工具的数据和附着在组件上的跟踪工具的数据；在仪器上放置跟踪工具；在后登记时间，同时记录下放置在仪器上的跟踪工具的数据和所述相对跟踪工具的数据；计算经过转换在图像空间中的附着在仪器上的跟踪工具的位置和/或可用方向。

【技术实现步骤摘要】
图像测量与配准方法
本专利技术一般涉及图像空间和物理空间注册配准的
，更具体地说，涉及简便的测量准备以实现快捷地注册配准的方法。
技术介绍
当使用手术导航系统来辅助微创手术时，需要将CT/MR扫描的患者身体的一部分的图像进行图像空间和物理空间的映射。通过注册，获得变换以将物理空间中的位置与图像空间中的位置相对应关联。该变换用于将物理空间中的位置转换为图像空间中的位置。然后，在由导航系统辅助的外科手术过程中，具有由跟踪系统跟踪的物理空间位置的医疗器械，可以被虚拟地转换并显示在所扫描的患者图像的图像空间中。在外科手术过程中，注册步骤通常需要额外的时间和额外的负担，以便外科医生识别物理空间中的位置/方向并在扫描的图像空间中将它们相对应关联。这样在现有的注册方法中，注册过程不仅不方便且十分耗时。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有技术缺陷，提供一种图像测量与注册配准方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一方面，提供了将物理空间和图像空间中的位置和方向进行测量和注册配准的方法。该方法包括：提供一种包含跟踪工具的组件；该组件包括位置部件和/或方向部件；其位置和可用方向是利用一种测量件基于所述跟踪工具的坐标框架来测量的；具有测量表面的测量件测量部件的位置和/或方向，而无需事先用跟踪系统中的跟踪工具进行校准；将组件放在人体上并进行成像扫描；将一个所谓相对跟踪工具放在人体上或人体内；在登记时间，同时记录下所述相对跟踪工具的数据和附着在组件上的跟踪工具的数据；在仪器上放置跟踪工具；在所谓后登记时间，同时记录下放置在仪器上的跟踪工具的数据和所述相对跟踪工具的数据；计算经过转换在图像空间中的附着在仪器上的跟踪工具的位置和/或可用方向。在一些实施例中，一种将物理空间和图像空间中的位置和方向进行测量和注册配准的方法，包括：a)提供具有六个自由度的位置和方向的组件和跟踪工具，其中：所述组件包括：至少四个非共面的位置部件，或至少一个位置部件和至少三个正交的方向部件；所有所述部件都刚性地放在所述组件中；所述跟踪工具可拆卸地刚性地固定在所述组件上，使得所述部件与所述跟踪工具的位置和方向相对地互相固定；根据所述跟踪工具的坐标框架测量所述部件的三维位置和可用方向；并且可以用成像系统扫描所述部件，并且可以在扫描的图像空间中获得它们的三维位置和可用方向；b)将所述组件牢固地放置在一个物体上并用成像系统进行成像扫描；并且通过扫描的图像，获得所述扫描图像空间中所述部件的三维位置和可用方向；c)基于在步骤a)中关于所述跟踪工具的框架所测量得到的物理空间中的部件的位置和可用方向，以及在步骤b)中所获得的图像空间中的部件的位置和可用方向，计算将位置和方向从物理空间转换到图像空间的变换；d)在人体上或体内放置一个六个自由度的相对跟踪工具；使用跟踪系统，在相同时间(称该时间为登记时间)，同时记录下基于跟踪系统的坐标框架的，相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；e)在仪器上放置跟踪工具以跟踪仪器的姿态；使用跟踪系统，在相同时间(称该时间为后登记时间)，同时记录下基于跟踪系统的坐标框架的，安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向数据和相对跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；f)联合在步骤c)中获得的变换，在步骤d)中的登记时间记录下的两个跟踪工具数据和在步骤e)中的后登记时间记录下的两个跟踪工具数据，以计算转换后的、在图像空间中的安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向。在一些实施例中，变换表示为T，满足关系：OBJECTM1iT＝T*OBJECTW1iT(1)，其中OBJECTM1iT是OBJECTM1i的转置矩阵，OBJECTM1i代表(x，y，x，1)，其中(x，y，z)表示图像空间中的位置；OBJECTW1iT是OBJECTW1i的转置矩阵，OBJECTW1i代表(x，y，z，1)，其中(x，y，z)表示跟踪工具框架中的物理空间中的位置，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置，i>＝4；4x4变换矩阵T的形式如下：其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z分别是坐标的平移；通过求解至少4个非共平面位置的至少四个关系(1)的联立方程来计算出T。在一些实施例中，变换表示为T，满足关系：OBJECTM2i＝T*OBJECTW2i(2)其中OBJECTM2i是4x4矩阵，如下：(AxM，AyM，AzM)是图像空间中方向A的x，y，z余弦分量；(BxMByMBzM)是图像空间中方向B的x，y，z余弦分量；(CxMCyMCzM)是图像空间中方向C的x，y，z余弦分量，x，y和z是图像空间中的位置分量；OBJECTW2i是4x4矩阵，如下：(AxWAyWAzW)是物理空间中方向A的x，y，z余弦分量；(BxWByWBzW)是物理空间中方向B的x，y，z余弦分量；(CxWCyWCzW)是物理空间中方向C的x，y，z余弦分量。x，y和z是物理空间中的位置分量；其中，物理空间中的位置和方向是基于跟踪工具的坐标框架中，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置,i>＝1；4x4变换矩阵T的形式如下：其中R是3×3旋转矩阵且x，y，z是平移分量；通过求解至少一个等式(2)，包含至少一个位置(x，y，z)和三个正交方向A、B、C来获得T；通过求解下面的等式也可以得到R：M*R＝W(3)，其中M是如下3×3矩阵：W是如下3x3矩阵：在一些实施例中，在所述登记时间期间，记录下的所述组件上附着的所述跟踪工具和所述相对跟踪工具的位置和方向可分别表示为4×4矩阵B和A；在所述后登记时间期间，记录下的附着在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向可表示为4×4矩阵D；在所述后登记时间期间，记录下的相对跟踪工具的位置和方向可以表示为4×4矩阵E；在仪器上附着的跟踪工具的、从物理空间中转换而来的图像空间中的位置和可用方向可以表示为4x4矩阵F，它满足以下关系：F＝T*B-1*A*E-1*D(4)，其中T是将位置和方向从物理空间转换为图像空间所计算得出的变换；4x4变换矩阵T的形式如下：R是3x3旋转矩阵，且x、y、z是坐标的平移；所述B，A，E，D和F的4×4矩阵如下：R是3x3旋转矩阵，x、y、z是分量位置；可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪系统的坐标框架在物理空间中的位置数据(x，y，z),计算其对应的在图像空间中的位置；可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪系统的坐标框架在物理空间中的方向数据,计算其对应的在图像空间中的方向。在一些实施例中，存在多于一个的所述组件和/或存在多于一个的可移除地附接着所述组件上的跟踪工具，和/或在所述人体上或人体中存在多于一个的相对跟踪工具，以及/或在人体上或人体中的相对跟踪工具与附着在所述组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种把物理空间与图像空间的位置及方向进行测量和注册的方法，该方法包括：/na)提供含有具有六个自由度的位置和方向的部件的组件以及跟踪工具，其中：/n所述组件包括：至少四个非共面的位置部件，或包括至少一个位置部件和至少三个正交的方向部件；/n所有部件都刚性地放在所述组件中；/n所述跟踪工具可拆卸地刚性地固定在所述组件上，使得所述部件与所述跟踪工具的位置和方向相对地互相固定；/n根据所述跟踪工具的坐标框架测量所述部件的物理空间的三维位置和可用方向；并且/n可以用成像系统扫描所述部件，并且可以在扫描的图像空间中获得它们的三维位置和可用方向；/nb)将所述组件牢固地放置在一个物体上并用成像系统进行成像扫描；并且通过扫描的图像，获得所述扫描图像空间中所述部件的三维位置和可用方向；/nc)基于在步骤a)中关于所述跟踪工具的坐标框架所测量得到的物理空间中的部件的位置和可用方向，以及在步骤b)中所获得的图像空间中的部件的位置和可用方向，计算得到将位置和方向从物理空间转换到图像空间的变换；/nd)在人体上或体内放置一个六个自由度的相对跟踪工具；/n使用跟踪系统，在登记时间同时记录下基于跟踪系统的坐标框架的，相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；/ne)在被跟踪仪器上放置跟踪工具以跟踪该仪器的姿态；/n使用跟踪系统，在后登记时间，同时记录下基于跟踪系统的坐标框架的，安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向数据，以及相对跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；/nf)联合在步骤c)中获得的变换，在步骤d)中的登记时间记录下的相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的数据和在步骤e)中的后登记时间记录下相对跟踪工具和安装在仪器上的跟踪工具的数据，以计算转换后的、在图像空间中的安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向。/n...

【技术特征摘要】
1.一种把物理空间与图像空间的位置及方向进行测量和注册的方法，该方法包括：
a)提供含有具有六个自由度的位置和方向的部件的组件以及跟踪工具，其中：
所述组件包括：至少四个非共面的位置部件，或包括至少一个位置部件和至少三个正交的方向部件；
所有部件都刚性地放在所述组件中；
所述跟踪工具可拆卸地刚性地固定在所述组件上，使得所述部件与所述跟踪工具的位置和方向相对地互相固定；
根据所述跟踪工具的坐标框架测量所述部件的物理空间的三维位置和可用方向；并且
可以用成像系统扫描所述部件，并且可以在扫描的图像空间中获得它们的三维位置和可用方向；
b)将所述组件牢固地放置在一个物体上并用成像系统进行成像扫描；并且通过扫描的图像，获得所述扫描图像空间中所述部件的三维位置和可用方向；
c)基于在步骤a)中关于所述跟踪工具的坐标框架所测量得到的物理空间中的部件的位置和可用方向，以及在步骤b)中所获得的图像空间中的部件的位置和可用方向，计算得到将位置和方向从物理空间转换到图像空间的变换；
d)在人体上或体内放置一个六个自由度的相对跟踪工具；
使用跟踪系统，在登记时间同时记录下基于跟踪系统的坐标框架的，相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；
e)在被跟踪仪器上放置跟踪工具以跟踪该仪器的姿态；
使用跟踪系统，在后登记时间，同时记录下基于跟踪系统的坐标框架的，安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向数据，以及相对跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；
f)联合在步骤c)中获得的变换，在步骤d)中的登记时间记录下的相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的数据和在步骤e)中的后登记时间记录下相对跟踪工具和安装在仪器上的跟踪工具的数据，以计算转换后的、在图像空间中的安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变换表示为T，满足以下关系：
OBJECTM1iT＝T*OBJECTW1iT(1)；
其中
OBJECTM1iT是OBJECTM1i的转置矩阵，OBJECTM1i代表(x，y，x，1)，其中(x，y，z)表示图像空间中的位置；OBJECTW1iT是OBJECTW1i的转置矩阵，OBJECTW1i代表(x，y，z，1)，其中(x，y，z)表示跟踪工具框架中的物理空间中的位置，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置，i≥4；4x4变换矩阵T的形式如下：



其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z分别是坐标的平移；
通过求解至少4个非共平面位置的至少四个关系(1)的联立方程来计算出T。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变换表示为T，满足以下关系：
OBJECTM2i＝T*OBJECTW2i(2)
其中
OBJECTM2i是4×4矩阵，如下：



(AxM，AyM，AzM)是图像空间中方向A的x，y，z余弦分量；(BxMByMBzM)是图像空间中方向B的x，y，z余弦分量；(CxMCyMCzM)是图像空间中方向C的x，y，z余弦分量，x，y和z是图像空间中的位置分量；
OBJECTW2i是4×4矩阵，如下：



(AxWAyWAzW)是物理空间中方向A的x，y，z余弦分量；(BxWByWBzW)是物理空间中方向B的x，y，z余弦分量；(CxWCyWCzW)是物理空间中方向C的x，y，z余弦分量，x，y和z是物理空间中的位置分量；其中，物理空间中的位置和方向是基于跟踪工具的坐标框架中，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置，i≥1；
4×4变换矩阵T的形式如下：



其中R是3×3旋转矩阵且x，y，z是平移分量；
通过求解至少一个等式(2)，包含至少一个位置(x，y，z)和三个正交方向A、B、C来获得T；
通过求解下面的等式也可以得到R：
M*R＝W(3)，
其中M是如下3×3矩阵：



W是如下3×3矩阵：





4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述登记时间期间，记录下的所述组件上附着的所述跟踪工具和所述相对跟踪工具的位置和方向可分别表示为4×4矩阵B和A；在所述后登记时间期间，记录下的附着在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向可表示为4×4矩阵D；在所述后登记时间期间，记录下的相对跟踪工具的位置和方向可以表示为4×4矩阵E；在仪器上附着的跟踪工具的、从物理空间中转换而来的图像空间中的位置和可用方向可以表示为4x4矩阵F，它满足以下关系：
F＝T*B-1*A*E-1*D(4)，
其中T是将位置和方向从物理空间转换为图像空间所计算得出的变换；4x4变换矩阵T的形式如下：



R是3x3旋转矩阵，且x、y、z是坐标的平移；
所述B，A，E，D和F的4×4矩阵如下：



R是3x3旋转矩阵，x、y、z是分量位置；
可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪系统的坐标框架在物理空间中的位置数据(x，y，z)，计算其对应的在图像空间中的位置；可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪系统的坐标框架在物理空间中的方向数据，计算其对应的在图像空间中的方向。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，存在多于一个的所述组件和/或存在多于一个的可移除地附接着所述组件上的跟踪工具，和/或在所述人体上或人体中存在多于一个的相对跟踪工具，以及/或在人体上或人体中的相对跟踪工具与附着在所述组件上的跟踪工具相组合。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有六个自由度的位置和方向的跟踪工具由多个具有小于六个自由度的跟踪工具组成。


7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三正交方向可从两个正交方向推导出。


8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪系统是电磁跟踪系统或光学跟踪系统。


9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于附着在所述组件上的所述跟踪工具的坐标框架，测量所述组件中包括的所述位置部件的位置的方法包括以下步骤：
a、使所述部件具有球体一部分或全部的凸起测量表面，使得所述凸起测量表面的中心实质上对应于待测部件的位置；
b、提供具有与所述部件的凸形测量表面实质配合的凹形测量表面的测量件；
c、刚性地固定一个六个自由度的跟踪工具于所述测量件上；
d、保持所述测量件的凹面测量面无缝接触所述部件的凸面测量面，使凹面测量面的中心不变，同时将测量件移动到不同位置；应用跟踪系统，基于跟踪系统的坐标框架，记录下附着在测量件上的跟踪工具的至少两个不同位置的方向和位置数据，同时，基于跟踪系统的坐标框架，记录下附着在所述组件上的跟踪工具的方向和位置数据；
e、利用所述步骤d中的记录的数据，进行计算得出，基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架的，测量件的凹形测量表面的中心的未改变位置或者对...

【专利技术属性】
技术研发人员：季鹰，
申请(专利权)人：季鹰，
类型：发明
国别省市：美国;US