基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统及其空间配准方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统及其空间配准方法，包括电脑、机械臂、三维扫描仪、光学定位仪、参考架及适配器；S1、对患者头部进行MRI扫描；S2、重建出患者头部三维模型，并得到其三维点云T

【技术实现步骤摘要】
基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统及其空间配准方法


[0001]本专利技术涉及一种基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统及其空间配准方法，属于医学图像处理及应用


技术介绍

[0002]神经导航系统可利用病人术前的影像资料，在术前设计最佳开颅切口，在术中对手术操作进行精确地定位与引导，从而提高肿瘤的切除率，减少术中创伤，降低术后并发症。为了能够动态跟踪手术器械相对于病人解剖结构的位置，必须对病人空间和图像空间进行精确配准。因此，精确的空间配准是用图像来对手术操作进行定位和引导的前提。长期以来，神经导航系统普遍使用点匹配方法进行空间配准。点匹配方法因粘贴在皮肤上的标记物容易发生位移甚至脱落，易引起较大的配准误差。针对点匹配存在问题，人们提出了面匹配空间配准方法。与点匹配相比，面匹配的优点是使用病人固有特征进行空间配准，因而可以直接使用已有的图像进行导航，不需要使用人工标记物，也不需专门为导航进行影像扫描。虽然面匹配相对于点匹配而言具有很多优势，但是，这一方法目前并没有被临床广泛接受，实际应用中仍以点匹配为主。这主要是由于其所获取的病人空间表面点云的特点引起的。目前临床上使用的扫描仪扫描范围有限，无法得到病人整个头部表面的点云，与图像空间中三维模型配准的只有面部点云，从而造成面匹配的配准精度分布不均匀，在颞部、枕部等部位的配准精度无法满足临床需求。
[0003]在公开号为CN105078573A的中国专利申请中公开了一种基于手持式扫描仪的神经导航空间配准方法，其包括步骤：(1)使用手持式三维扫描仪获取扫描对象整个头部表面的点云，不需标定和对扫描仪进行跟踪，将点云从设备空间直接转换到真实场景；(2)使用解剖标记点实现扫描仪获得的点云与影像数据分割重建的点云的粗配准；(3)利用粗配准的结果和阈值分割算法去除外点；(4)使用优化的ICP算法进行精配准。
[0004]上述方法使用手持式三维扫描仪手动获取病人头部表面点云，运用点匹配方法手动实现粗配准，没有实现自动获取点云和自动进行空间配准，并且手动获取整个头部表面点云需要较高的技巧，一般的外科医生不易掌握。因此需要一种自动获取整个头部表面点云并自动进行空间配准的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统及其空间配准方法，解决了现有技术存在的无法自动获取三维点云完成自动配准等问题。
[0006]本专利技术的上述技术目的主要是通过以下技术方案解决的：一种基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，包括电脑、机械臂、三维扫描仪、光学定位仪、参考架及适配器，所述机械臂可控制三维扫描仪绕患者头部周向移动扫描，所述参考架置于患
者头部一侧，所述适配器固定在三维扫描仪上，所述光学定位仪可探测参考架和适配器，所述电脑可控制机械臂和三维扫描仪启停；上述各个设备的设置，可自动获取病人头部表面点云且自动进行空间配准，不需要在病人头部表面粘贴人工标记物，也不需要专门为导航再做一次影像扫描，提高配准精度和自动化程度，特别适合基于面匹配的神经导航空间配准。
[0007]作为优选，所述电脑中虚拟三维图像所在范围内的空间定义为图像空间；图像空间可对虚拟三维图像定义、显像，方便观察。
[0008]作为优选，所述适配器固定在三维扫描仪上并跟随三维扫描仪同步运动；上述适配器可方便光学定位仪的探测定位，以便于对三维扫描仪扫描的数据进行坐标定义。
[0009]作为优选，所述光学定位仪探测适配器所在范围内的空间定义为适配器空间；适配器空间为三维扫描仪的扫描数据进行空间位置定义，以便于进行坐标转换。
[0010]作为优选，所述光学定位仪固定在能探测到参考架及适配器的位置上；上述参考架和适配器均处于光学定位仪的探测范围内，以便于对获取的三维点云进行坐标转换。
[0011]作为优选，所述参考架放置在距患者头部附近能被光学定位仪探测到的地方；上述参考架位于患者头部附近，以便于获取患者头部在现实世界中的空间坐标。
[0012]作为优选，所述光学定位仪探测参考架所在范围内的空间定义为病人空间；上述病人空间方便作为参照物进行坐标定位，以便于对获取的三维点云进行坐标转换。
[0013]作为优选，所述机械臂与电脑电连接或信号连接；上述机械臂受电脑控制，可根据电脑规划的路径控制三维扫描仪移动。
[0014]作为优选，所述三维扫描仪与电脑电连接或信号连接；上述三维扫描仪受电脑控制自动启动对患者头部扫描，并将数据传输给电脑。
[0015]用于神经导航面匹配空间配准系统的空间配准方法，包括以下步骤：
[0016]S1、对患者头部进行MRI扫描获得患者头部DICOM数据；
[0017]S2、将步骤S1获得的DICOM数据导入导航系统，重建出患者的头部三维模型，并获得图像空间三维模型的三维点云T
p
；
[0018]S3、固定患者头部，机械臂控制三维扫描仪根据规划路径扫描患者整个头部表面，获得患者的头部表面三维模型的三维点云T
a
；
[0019]S4、将步骤3中患者头部的三维点云T
a
通过转换矩阵转换到适配器空间中形成三维点云T
b
；
[0020]S5、将步骤4中在适配器空间中形成的三维点云T
b
通过转换矩阵转换到病人空间中形成三维点云T
c
；
[0021]S6、通过SURF算法提取步骤5中的三维点云T
c
的SURF关键点T
cs
和步骤2中的三维点云T
p
的SURF关键点T
ps
；
[0022]S7、通过NDT算法对步骤6中的SURF关键点T
cs
和T
ps
进行粗配准,并将T
cs
和T
ps
进行融合；
[0023]S8、在步骤7中关键点融合的基础上通过阈值分割算法去除T
cs
的背景、噪声，得到T
csc
；
[0024]S9、利用ICP算法对步骤8中的T
csc
和步骤6中的T
ps
进行精配准, 得到坐标变换关系，即旋转矩阵R和平移矩阵T；
[0025]上述方法使用固定在机械臂上的三维扫描仪对患者整个头部表面进行自动扫描，无须手持扫描仪进行扫描，提高了扫描的自动化和精细化，减少了脑后部的靶点配准误差，为面匹配空间配准方法大范围推广奠定了基础。
[0026]因此，本专利技术具有能够自动获取病人头部表面点云和自动进行空间配准，不需要在病人头部表面粘贴人工标记物，也不需要专门为导航再做一次影像扫描，提高配准精度和自动化程度等特点。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的系统设备分布图。
具体实施方式
[0028]如图1所示，一种基于机械臂和三维扫描仪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：包括电脑（1）、机械臂（2）、三维扫描仪（3）、光学定位仪（4）、参考架（5）及适配器（6），所述机械臂（2）可控制三维扫描仪（3）绕患者头部周向移动扫描，所述参考架（5）置于患者头部一侧，所述适配器（6）固定在三维扫描仪（3）上，所述光学定位仪（4）可探测参考架（5）和适配器（6），所述电脑（1）可控制机械臂（2）和三维扫描仪（3）启停。2.根据权利要求1所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：所述电脑（1）中虚拟三维图像所在范围内的空间定义为图像空间。3.根据权利要求1所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：所述适配器（6）固定在三维扫描仪（3）上并跟随三维扫描仪（3）同步运动。4.根据权利要求3所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：所述光学定位仪（4）探测适配器（6）所在范围内的空间定义为适配器空间。5.根据权利要求1所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：所述光学定位仪（4）放置在能探测到参考架（5）及适配器（6）的位置上。6.根据权利要求1或5所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：所述参考架（5）固定在距患者头部附近能被光学定位仪探测到的地方。7.根据权利要求6所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：所述光学定位仪（4）探测参考架（5）所在范围内的空间定义为病人空间。8.根据权利要求1或2所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于：所述机械臂（2）与电脑（1）电连接或信号连接。9.根据权利要求1或2所述的基于机械臂和三维扫描仪的神经导航面匹配空间配准系统，其特征在于；所述三...

【专利技术属性】
技术研发人员：康晟宇，范一峰，邵彤，何紫渲，程宇轩，
申请(专利权)人：杭州医学院，
类型：发明
国别省市：