一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法技术

本发明专利技术申请公开了一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法包括以下步骤，S1.使用CT扫描设备对人体结构进行扫描，获得CT骨骼三维模型和CT人体结构体表点云；S2.使用结构光3D相机对人体结构进行扫描，获得3D结构光人体结构的3D结构光体表点云；S3.根据所扫描的人体结构选用顺行配准或逆行配准的方式对人体结构的体表与骨骼进行配准；本骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法：通过顺行配准的方式对人体的躯干、盆骨进行配准；通过逆行配准的方式对人体的四肢进行配准；构建虚拟穿刺通道，使得医师在骨科穿刺过程中，即使随意调节穿刺器械的空间位置，也可以实时获取穿刺器械与人体结构的相对位置关系，以实现基于动态三维可视化的的导航穿刺。三维可视化的的导航穿刺。

【技术实现步骤摘要】
一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及医学影像处理
，具体涉及一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法。

技术介绍

[0003]随着科技的发展，现代的骨科手术，术前往往会先对需进行手术的人体部位进行CT、MR、三维C臂等医学影像扫描，通过特定的虚拟坐标系，实现人体内部结构的可视化，协助医师更好地完成骨科手术；但是，由于这些设备不能实现动态的连续性的扫描，只能形成某一时间横截面上的、静止性质的三维坐标系和静态的三维可视化，因此无法实现基于动态三维可视化的视觉导航穿刺。
[0004]现有的医学影像学数据，在骨科的穿刺导航应用中，还没有实现虚拟坐标系与现实坐标系的统一，使得人体内部结构信息无法在穿刺过程中与穿刺器械的位置变化信息进行实时交互，无法精确预判穿刺结果，造成穿刺误差，使得医师精确定位穿刺位置成为了一个不可忽视的难题。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法。
[0006]为达到以上目的，提供如下方案：一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法，包括以下步骤，S1.使用CT扫描设备对人体结构进行扫描，获得CT骨骼三维模型和CT人体结构体表点云；S2.使用结构光3D相机对人体结构进行扫描，获得人体结构的3D结构光体表点云；S3.根据所扫描的人体结构选用顺行配准或逆行配准的方式对人体结构的体表与骨骼进行配准。
[0007]进一步，所述顺行配准的步骤如下：A1.使用Mimics软件重建CT骨骼及体表三维模型；A2.将配准对象的CT骨骼三维模型、CT人体结构体表点云及S2中获取的人体结构的3D结构光体表点云数据输入至Cloudcompare软件；A3.通过Cloudcompare软件将CT骨骼三维模型、CT人体结构体表三维模型拖动至靠近人体结构的3D结构光体表点云，进行快速粗配准；A4. 通过Cloudcompare软件裁剪CT人体结构体表三维模型多余部分，裁剪后剩余部分为卡位膜片；A5. 通过Cloudcompare软件进行第一次配准：将步骤A4中的卡位膜片配准至人体
结构的3D结构光体表点云，获得卡位膜片的旋转平移矩阵；A6.通过Cloudcompare软件进行第二次配准：根据卡位膜片的旋转平移矩阵将CT骨骼三维模型配准至人体结构的3D结构光体表点云，形成CT骨骼三维模型与人体结构的3D结构光体表点云组成的异源性复合结构；A7.通过Cloudcompare软件检测配准精度，计算卡位膜片与3D结构光体表点云的平均距离及标准差。
[0008]进一步，所述逆行配准的步骤如下：B1. 使用Mimics软件三维重建CT骨骼及体表三维模型；B2. 将配准对象的CT骨骼三维模型、CT人体结构体表点云及S2中获取的人体结构的3D结构光体表点云数据输入至Cloudcompare软件；B3. 通过Cloudcompare软件将CT骨骼三维模型、CT人体结构体表三维模型拖动至靠近人体结构的3D结构光体表点云，进行快速粗配准；B4. 通过Cloudcompare软件，复制人体结构的3D结构光体表点云，并将复制体进行裁剪，裁剪后剩余部分为卡位膜片；B5. 通过Cloudcompare软件进行第一次配准：将卡位膜片配准至CT人体结构体表三维模型后，可获得卡位膜片的旋转平移矩阵，并复制该卡位膜片的旋转平移矩阵；B6.通过Cloudcompare软件进行第二次配准：在Apply Transformation弹窗中粘贴步骤B5中的卡位膜片的旋转平移矩阵，选择应用逆矩阵Inverse matrix，将CT骨骼三维模型移动至人体结构的3D结构光体表点云坐标系中；B7.检测配准精度：在Cloudcompare软件中计算卡位膜片与CT人体结构体表三维模型的平均距离及标准差。
[0009]本专利技术的优点在于：本骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法是通过顺行配准的方式对人体的躯干、盆骨进行配准；通过逆行配准的方式对人体的四肢进行配准；构建虚拟穿刺通道，实现可视化三维动态穿刺导航，其具有高度的灵活性。将其应用到骨科穿刺过程中，在人体内部结构可视化的前提下，可以随心所欲地移动刺穿器械的位置，以获取最合适的穿刺点。本专利技术使得医师可实时观测穿刺器械与需要穿刺固定骨骼之间的位置关系，协助医师更快速精准的确定穿刺位置，减少不必要的损伤，降低手术难度，提高手术成功率。
具体实施方式
[0010]下面通过具体实施方式进一步详细的说明：本骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法， 包括以下步骤，S1.使用CT扫描设备对人体结构进行扫描，获得CT骨骼三维模型和CT人体结构体表点云；S2.使用结构光3D相机对人体结构进行扫描，获得3D结构光人体结构的3D结构光体表点云；S3.根据所扫描的人体结构选用顺行配准或逆行配准的方式对人体结构的体表与骨骼进行配准。
[0011]本方法所采用的硬件软件包括：（1）Sizector
®
结构光3D相机S028800，上海盛相
工业检测科技有限公司；（2）结构光3D相机自带应用软件MPSizectorS SDK V2.15，医学三维重建软件Mimics 19.0，配准软件Cloudcompare V2.11.3。亦可使用具有相同功能的其他软硬件。
[0012]本方法的目的是将CT骨骼三维模型精确配准至3D结构光体表点云的世界坐标系中，重构二者位置关系。其中，3D结构光体表点云是参考体（Reference），在配准过程中不动，其坐标系是世界体系，而CT骨骼三维模型则是拟配准目标（Aligned），在配准过程中需主动移动至Reference。CT骨骼三维模型和人体结构的3D结构光体表点云之间的中介物是CT体表三维模型或者点云，实质是用CT和结构光3D相机对同一人体结构进行扫描。
[0013]配准要遵循的一般原则是：（1）100%的覆盖率（Overlap）。因此Aligned范围必须要小于Reference范围，Aligned可配准至Reference，反之不能配准；（2）CT的FOV不宜过大。由于CT扫描FOV分辨率仅为512*512像素，如果FOV太大，那么感兴趣目标区域ROI所能分配到的像素必然很少，则成像质量也随之降低。因此，为保证三维成像质量，不能盲目扩大FOV，而应优先保证ROI的扫描，使之获得更高的扫描质量；（3）适当区别四肢与躯干部CT扫描的FOV。由于四肢比躯干部要小，所以CT扫描时FOV应完整涵括四肢在内，而躯干部则应根据扫描目的而确定扫描FOV；（4）扫描长度与辐射量正相关，在达到扫描目的的前提下，不宜增加扫描长度，这个原则在四肢和躯干部都适用；（5）可以扩大结构光3D相机体表点云扫描的范围。这是因为3D结构光相机并无辐射，且拥有数百万至千万级别的点云分辨率，适当扩大扫描范围有利于完整覆盖CT扫描区域，同时能保证极高的点云分辨率。
[0014]为获得更快的配准速度、更简易的配准操作、更高的配准成功率和更精准的配准效果，一般可根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法，其特征在于： 包括以下步骤，S1.使用CT扫描设备对人体结构进行扫描，获得CT骨骼三维模型和CT人体结构体表点云；S2.使用结构光3D相机对人体结构进行扫描，获得人体结构的3D结构光体表点云；S3.根据所扫描的人体结构选用顺行配准或逆行配准的方式对人体结构的体表与骨骼进行配准。2.根据权利要求1所述的骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法，其特征在于：所述顺行配准的步骤如下：A1.使用Mimics软件重建CT骨骼及体表三维模型；A2.将配准对象的CT骨骼三维模型、CT人体结构体表点云及S2中获取的人体结构的3D结构光体表点云数据输入至Cloudcompare软件；A3.通过Cloudcompare软件将CT骨骼三维模型、CT人体结构体表三维模型拖动至靠近人体结构的3D结构光体表点云，进行快速粗配准；A4. 通过Cloudcompare软件裁剪CT人体结构体表三维模型多余部分，裁剪后剩余部分为卡位膜片；A5. 通过Cloudcompare软件进行第一次配准：将步骤A4中的卡位膜片配准至人体结构的3D结构光体表点云，获得卡位膜片的旋转平移矩阵；A6.通过Cloudcompare软件进行第二次配准：根据卡位膜片的旋转平移矩阵将CT骨骼三维模型配准至人体结构的3D结构光体表点云，形成CT骨骼三维模型与人体结构的3D结构光体表点云组成的异源性复合结...

【专利技术属性】
技术研发人员：何藻鹏，张国栋，林海滨，林东鑫，孙井松，黄文华，
申请(专利权)人：广州医科大学附属顺德医院佛山市顺德区乐从医院，
类型：发明
国别省市：