一种基于磁导航的医学影像配准系统和方法技术方案

一种基于磁导航的医学影像配准系统和方法，配准系统包含结构光相机模块、磁导航定位器及计算中心；结构光相机模块包括固定连接的结构光相机及磁导航定位线圈工具；磁导航定位器对应结构光相机模块设置，且磁导航定位线圈工具位于磁导航定位器的捕捉范围内；计算中心通讯连接结构光相机及磁导航定位器。配准方法包括：一、通过术前医学影像提取患者头部的影像三维特征点；二、通过结构光相机获取包含患者头部轮廓的点云数据；三、基于获得的点云数据提取点云三维特征点；四、将影像三维特征点与点云三维特征点匹配，实现术前患者的影像空间与术中患者的真实空间位置配准。本发明专利技术配准快且准，且省去机械臂成本及空间占用。且省去机械臂成本及空间占用。且省去机械臂成本及空间占用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁导航的医学影像配准系统和方法


[0001]本专利技术涉及医疗器械手术导航领域，具体涉及一种基于磁导航的医学影像配准系统和方法。

技术介绍

[0002]目前，手术导航系统已在许多外科手术中得到应用，特别是神经外科手术，可以获得减少手术创伤且准确到达病灶位置的效果。手术导航系统的基本原理是将术前患者的患处影像空间与术中患者的患处真实空间位置配准后，将真实的手术器械实时投影到患处影像空间位置，实现手术过程中的精准定位及手术规划的准确实施。因此，术前手术患者医学影像与术中患者空间配准的算法是手术导航系统的重点和难点。
[0003]现有的配准方法都存在一些明显缺陷，如骨钉配准方法因需要植入骨钉而带来了额外的创伤问题，如激光采集面部特征点配准法【CN109965979A】存在因特征点数量少、易陷入局部最优解导致误判率高、鲁棒性低、精度低等问题。
[0004]其中，最新技术【CN202011630325】主要采用机械臂与多功能相机结合的硬件模块，首先确定基于医学影像重建三维模型并获取面部特征点，然后与通过彩色相机获取真实面部的特征点建立参考匹配关系，接着通过与机械臂组合的结构光相机扫描面部拼接得到的点云与三维模型点云配准，最终确定真实患者空间与影像空间配准关系。然而，该技术在实际应用中仍然存在以下缺陷：一、配准操作繁杂、技术性要求强，机械臂与多种相机组合配准技术的应用需要多个步骤的校准和拍摄，大大增加了术前准备操作，影响整体手术时间；二、配准操作复杂度高、技术性要求强，最终实现的配准精度依赖医护人员的操作水平；三、机械臂的加持虽然增加了相机的控制和定位，但是也增加了配准时的空间坐标变换的步骤，从相机空间转换到机械臂坐标，再从机械臂坐标转换到医学影像空间，提高了计算的复杂度也增加了误差、计算耗时加长。
[0005]四、机械臂的应用增加了设备成本，相对于整个手术导航系统的使用收益而言，机械臂仅在术前准备配准环节使用，因此收益较低。
[0006]综上，本专利技术主要从消除机械臂带来的误差，降低配准操作复杂度和操作难度，整体提高配准精度和配准速度等方面的提出新的技术方案。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于磁导航的医学影像配准系统和方法。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于磁导航的医学影像配准系统和方法，所述配准系统包含结构光相机模块、磁导航定位器、以及计算中心；所述结构光相机模块包括结构光相机以及磁导航定位线圈工具，两者固定连接；
所述磁导航定位器对应所述结构光相机模块设置，且所述磁导航定位线圈工具位于磁导航定位器的捕捉范围内；所述磁导航定位器通过对所述磁场定位线圈工具上的磁场定位线圈进行感应，进而捕捉定位所述磁场定位线圈工具的三维空间位置和空间旋转以及平移矩阵；所述计算中心通讯连接所述结构光相机以及所述磁导航定位器，用于存储所述结构光相机以及所述磁导航定位器捕捉的数据，并通过计算实现图像配准。
[0009]所述配准方法包括以下步骤：步骤一、根据术前医学影像获取患者头部三维特征点通过向所述计算中心输入所述术前医学影像，提取患者头部至少三个不共线的影像三维特征点；步骤二、通过结构光相机获取包含患者头部轮廓的点云数据通过所述结构光相机对患者头部至少拍摄一次，获得至少一帧点云数据；同时，所述磁导航定位器捕捉所述结构光相机模块中所述磁导航定位线圈工具的空间变换位置，结合所述结构光相机与所述磁导航定位线圈工具的空间关系，通过计算中心将所述结构光相机捕捉的所述点云数据从以所述结构光相机为原点的坐标系转换到以所述磁导航定位器为原点的坐标系下；若所述结构光相机获得的所述点云数据有多帧，则通过所述计算中心对拍摄的多帧点云数据进行拼接；步骤三、基于获得的点云数据提取三维特征点将步骤二最终获得的所述点云数据输入至所述计算中心，剔除非必要点云数据，保留头部点云数据；所述非必要点云数据包括背景杂乱点云；然后，从所述头部点云数据中提取患者头部的点云三维特征点，该点云三维特征点的数量、位置均与所述影像三维特征点对应；步骤四、将步骤一中提取获得的影像三维特征点与步骤三中提取获得的点云三维特征点一一匹配，实现术前患者的影像空间与术中患者的真实空间位置配准。
[0010]上述技术方案中的有关内容解释如下：1．上述方案中，还包括：前序步骤、结构光相机的坐标定位通过所述结构光相机对一固定的反光棋盘格进行拍摄，捕捉所述反光棋盘格中各黑白格交点相对于结构光相机的空间位置数据；进而获得结构光相机相对于棋盘格的第一空间变换矩阵；设计一磁导航探针工具，该探针工具呈针形，其尖端设有磁场定位线圈，所述磁导航定位器通过对所述磁场定位线圈进行感应，进而捕捉定位所述探针工具尖端的三维空间位置和空间旋转以及平移矩阵；通过操作探针工具以预设顺序通过尖端依次接触所述反光棋盘格中的各黑白格交点，并通过所述磁导航定位器同时对所述结构光相机模块以及所述磁导航探针工具进行捕捉，捕捉所述结构光相机模块中所述磁导航定位线圈工具的空间位置数据，以及，捕捉所述磁导航探针工具接触反光棋盘格中各黑白格交点时的空间位置数据；由于结构光相机与其附着的磁导航定位线圈工具之间的空间位置是固定的，因此根据磁导航定位器捕捉到的磁导航定位线圈工具的空间位置数据和反光棋盘格的空间位
置数据可获得磁导航定位线圈工具相对于反光棋盘格的第二空间变换矩阵；进而通过所述第一空间变换矩阵以及所述第二空间变换矩阵获得所述结构光相机与所述磁导航定位线圈工具的空间关系。
[0011]2．上述方案中，所述前序步骤中，获得结构光相机和磁导航定位线圈工具的空间关系的方法包括以下步骤：(1)通过所述结构光相机获得所述反光棋盘格中各黑白格交点相对于结构光相机的空间位置数据P，见下述公式1：假设反光棋盘格共有n个交点，n为大于1的正整数；P1为第一个交点，Pn为第n个交点，x，y，z代表每个交点的三维空间坐标，该矩阵维度为4*n；(2) 通过所述磁导航定位器通过磁导航探针工具获得所述反光棋盘格中各黑白格交点相对于磁导航定位器的空间位置数据PP，见下述公式2：假设反光棋盘格共有n个交点，n为大于1的正整数；PP1为第一个交点，PPn为第n个交点，x，y，z代表每个交点的三维空间坐标，该矩阵维度为4*n；(3) 通过磁导航定位器获得磁导航定位线圈工具相对于磁导航定位器的空间变换矩阵M2，则PP点通过与M2矩阵的逆矩阵相乘，变换即可得到所述反光棋盘格中各黑白格交点相对于磁导航定位线圈工具的位置数据PPP，PPP = Inverse(M2) * PP；(4)将所述反光棋盘格中各黑白格交点相对于磁导航定位线圈工具的位置数据PPP变换到结构光相机的坐标系下，见下述公式3：即M*PPP=P，M为一个4x4的空间变换矩阵；假设反光棋盘格共有n个交点，n为大于1的正整数；PPP1为第一个交点，PPPn为第n个交点，x，y，z代表每个交点的三维空间坐标，该矩阵维度为4*n；通过最小二乘法求得M矩阵，如下公式4：其中，T代表矩阵的转置（transpose）；或者，通过QR分解或S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁导航的医学影像配准系统和方法，其特征在于：所述配准系统包含结构光相机模块、磁导航定位器以及计算中心；所述结构光相机模块包括结构光相机以及磁导航定位线圈工具，两者固定连接；所述磁导航定位器对应所述结构光相机模块设置，且所述磁导航定位线圈工具位于磁导航定位器捕捉范围内；所述磁导航定位器通过对所述磁场定位线圈工具上的磁场定位线圈进行感应，进而捕捉定位所述磁场定位线圈工具的三维空间位置和空间旋转以及平移矩阵；所述计算中心通讯连接所述结构光相机以及所述磁导航定位器，用于存储所述结构光相机以及所述磁导航定位器捕捉的数据，并通过计算实现图像配准；所述配准方法包括以下步骤：步骤一、根据术前医学影像获取患者头部三维特征点通过向所述计算中心输入所述术前医学影像，提取患者头部至少三个不共线的影像三维特征点；步骤二、通过结构光相机获取包含患者头部轮廓的点云数据通过所述结构光相机对患者头部至少拍摄一次，获得至少一帧点云数据；同时，所述磁导航定位器捕捉所述结构光相机模块中所述磁导航定位线圈工具的空间变换位置，结合所述结构光相机与所述磁导航定位线圈工具的空间关系，通过计算中心将所述结构光相机捕捉的所述点云数据从以所述结构光相机为原点的坐标系转换到以所述磁导航定位器为原点的坐标系下；若所述结构光相机获得的所述点云数据有多帧，则通过所述计算中心对拍摄的多帧点云数据进行拼接；步骤三、基于获得的点云数据提取三维特征点将步骤二最终获得的所述点云数据输入至所述计算中心，剔除非必要点云数据，保留头部点云数据；所述非必要点云数据包括背景杂乱点云；然后，从所述头部点云数据中提取患者头部的点云三维特征点，该点云三维特征点的数量、位置均与所述影像三维特征点对应；步骤四、将步骤一中提取获得的影像三维特征点与步骤三中提取获得的点云三维特征点一一匹配，实现术前患者的影像空间与术中患者的真实空间位置配准。2.根据权利要求1所述的医学影像配准系统及方法，其特征在于：还包括：前序步骤、结构光相机的坐标定位通过所述结构光相机对一固定的反光棋盘格进行拍摄，捕捉所述反光棋盘格中各黑白格交点相对于结构光相机的空间位置数据；进而获得结构光相机相对于棋盘格的第一空间变换矩阵；设计一磁导航探针工具，该探针工具呈针形，其尖端设有磁场定位线圈，所述磁导航定位器通过对所述磁场定位线圈进行感应，进而捕捉定位所述探针工具尖端的三维空间位置和空间旋转以及平移矩阵；通过操作探针工具以预设顺序通过尖端依次接触所述反光棋盘格中的各黑白格交点，并通过所述磁导航定位器同时对所述结构光相机模块以及所述磁导航探针工具进行捕捉，捕捉所述结构光相机模块中所述磁导航定位线圈工具的空间位置数据，以及，捕捉所述磁
导航探针工具接触反光棋盘格中各黑白格交点时的空间位置数据；由于结构光相机与其附着的磁导航定位线圈工具之间的空间位置是固定的，因此根据磁导航定位器捕捉到的磁导航定位线圈工具的空间位置数据和反光棋盘格的空间位置数据可获得磁导航定位线...

【专利技术属性】
技术研发人员：马爱军，王沐晴，
申请(专利权)人：青岛大学附属医院，
类型：发明
国别省市：