基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，该系统包括术前规划模块，用于构建系统穿刺体；超声数据获取及定位模块、配准模块以及穿刺导航模块，用于获取与当前超声平面相切的系统穿刺体，基于系统穿刺体在超声图像平面y方向投影的物理距离匹配最近的进针孔，进行穿刺导航。本发明专利技术通过对MRI序列图像和超声图像配准融合，集合了两种影像的优点；通过构建椭球的系统穿刺体和操作者或医生标记的靶向穿刺点，在超声平面上进行精准穿刺部署，提高准确率的同时也有效减少了穿刺耗时，有助于医生能更快更好地完成穿刺。刺。刺。

【技术实现步骤摘要】
基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统


[0001]本专利技术涉及医学图像处理
，具体涉及一种基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统。

技术介绍

[0002]癌症是严重威胁人类生命健康的重要疾病之一，早发现，早诊断，早治疗，可提高癌症的治疗效果，所以癌症的前期诊断就显的尤为重要。随着中国经济的高速发展，生活水平不断提高，中国前列腺癌的发病率呈上升趋势，成为影响中国中老年男性健康的重要癌症之一。
[0003]目前确诊前列腺癌的最有效的手段就是穿刺活检。其原理是将穿刺针刺入待检测的器官，提取待检测器官不同部位的组织，然后对这些组织进行观察化验，以确定是否有癌变及癌变的程度。如何将穿刺针精准地刺入待检测器官，减少穿刺耗时，避免用时过长引发并发症成为临床技术的重点与难点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对如何精准穿刺的问题，提出一种基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，该系统包括：术前规划模块：接收人体MRI序列图像，分割出前列腺区域并且重建生成三维模型；在所述前列腺区域的中间帧图像上构建若干个系统穿刺点，向前后帧延伸构建各系统穿刺点对应的椭球的系统穿刺体；超声数据获取及定位模块：接收人体超声序列图像，提取每帧超声序列图像四个顶点在电磁坐标系下的坐标；配准模块：使用ICP迭代算法对超声数据和MRI三维模型进行配准，将超声数据的坐标系由电磁坐标系换算到MRI坐标系；穿刺导航模块：接收超声图像，获取与当前超声平面相切的系统穿刺体，基于系统穿刺体在超声图像平面y方向投影的物理距离匹配最近的进针孔，进行穿刺导航。
[0006]进一步地，所述术前规划模块中，系统穿刺体的构建步骤如下：对于分割出前列腺区域的MRI图像，提取中间帧图像并且均匀地选取若干个系统穿刺点，坐标为；n表示系统穿刺点总数，i表示系统穿刺点序号，x
i
y
i
分别表示序号为i的系统穿刺点在x方向的像素坐标值和y方向的像素坐标值，z为前列腺区域的中间帧对应的z方向的像素坐标值；设定系统穿刺体的总帧数N作为椭球穿刺体在Z轴方向上的长度；在前列腺区域的中间帧以各系统穿刺点坐标为圆心，半径为r构建圆形，接着在中
间帧前后各N/2帧分别以r
j
为半径，为圆心，构建圆形；j为穿刺体帧数的索引，，为第j帧的第i个圆心点，z
j
为系统穿刺体第j帧的Z方向坐标值，r
j
从中间帧向前后帧依次减小；前列腺中间帧上各系统穿刺点构建的圆形以及对应穿刺点前后各N/2帧上构建的圆形分别形成对应系统穿刺点的椭球的系统穿刺体；若某一帧构建的圆形超出当前帧的前列腺轮廓，则取两者的交集构建系统穿刺体。
[0007]进一步地，半径r
j
采用下述公式计算：；其中：r
j
为第j帧构建的圆形的半径，abs（）表示绝对值，r为中间帧上系统穿刺点构建圆形的半径。
[0008]进一步地，所述的穿刺点为12个，避免尿道同时能够均匀覆盖整个前列腺区域。
[0009]进一步地，总帧数N采用下述公式获取：；其中：［］表示取整，Length表示待穿刺腺体在Z方向的长度， pixelSpacingZ表示MRI数据在Z方向的点间距。
[0010]进一步地，所述穿刺导航模块执行以下步骤：接收超声图像，获取当前超声平面四个顶点的坐标，判断当前超声平面与各系统穿刺体是否相切；若当前超声平面与系统穿刺体相切，则计算系统穿刺体中间帧穿刺点到超声图像平面y方向的投影distanceY，单位为像素；采用下述公式换算为物理距离PhyDis = distanceY
×
pixelspacing_y；其中：pixelspacing_y为超声平面y轴的点间距，单位为毫米每像素mm/pixel；基于物理距离PhyDis选择与该系统穿刺体距离最近的进针孔；遍历所有系统穿刺体后，记录与当前超声平面相切的所有系统穿刺体对应的进针孔号。
[0011]进一步地，判断当前超声平面与各系统穿刺体是否相切的步骤包括：计算当前超声平面的法向量Vec=（p1‑
p0）
×
（p2‑
p0）；其中：p0表示超声平面左上顶点坐标，p1表示超声平面右上顶点坐标，p2表示超声平面左下顶点坐标；计算各系统穿刺体上所有像素点p（x，y，z）到超声平面的距离dis，，若距离dis小于设定阈值一，则判断该像素点在超声平面上；若任一系统穿刺体有大于预设数量M的像素点在超声平面内，则判断当前超声平面与该系统穿刺体相切。
[0012]进一步地，该系统还执行靶向穿刺导航；术前规划模块：接收操作者标记的疑似病灶区域，计算各疑似病灶区域的重心坐标作为靶向穿刺点；
穿刺导航模块：判断靶向穿刺点是否在当前超声平面上，如果靶向穿刺点在超声平面内，则计算该靶向穿刺点在超声平面y方向的投影distanceY，单位为像素；采用下述公式换算为物理距离PhyDis = distanceY
×
pixelspacing_y；其中：pixelspacing_y为超声平面y轴的点间距，单位为毫米每像素mm/pixel；基于物理距离PhyDis选择与靶向穿刺点距离最近的进针孔；循环遍历所有靶向穿刺点，记录在当前超声平面上的所有靶向穿刺点对应的进针孔号。
[0013]进一步地，判断靶向穿刺点是否在当前超声平面上的步骤包括：计算各靶向穿刺点与超声图像左上顶点的空间向量，基于超声平面的法向量Vec计算靶向穿刺点与超声平面的余弦值，将该余弦值与阈值二进行比较，若该余弦值小于阈值二，则判断该靶向穿刺点在超声平面上。
[0014]进一步地，该系统还包括显示模块，通过渲染显示术前规划模块构建的三维模型，同时在超声平面上显示穿刺导航模块获得的进针孔，导航穿刺路线。
[0015]本专利技术的有益效果：本专利技术提出的基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，通过对MRI序列图像和实时超声图像配准融合，集合了两种影像的优点；通过构建椭球的系统穿刺体和操作者或医生标记的靶向穿刺点，在超声平面上进行精准穿刺部署。提高准确率的同时也有效减少了穿刺耗时，方便医生能更快更好地完成穿刺。
[0016]本专利技术的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0017]通过结合附图对本专利技术示例性实施方式进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本专利技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0018]图1示出了本专利技术的系统构架图。
[0019]图2示出了本专利技术的一个实施例中前列腺横断面的12针系统穿刺分布图。
[0020]图3示出了本专利技术的一个实施例中构建的1个椭球系统穿刺体的三维结构图。
[0021]图4示出了本专利技术的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，其特征在于该系统包括：术前规划模块：接收人体MRI序列图像，分割出前列腺区域并且重建生成三维模型；在所述前列腺区域的中间帧图像上构建若干个系统穿刺点，向前后帧延伸构建各系统穿刺点对应的椭球的系统穿刺体；超声数据获取及定位模块：接收人体超声序列图像，提取每帧超声序列图像四个顶点在电磁坐标系下的坐标；配准模块：使用ICP迭代算法对超声数据和MRI三维模型进行配准，将超声数据的坐标系由电磁坐标系换算到MRI坐标系；穿刺导航模块：接收超声图像，获取与当前超声平面相切的系统穿刺体，基于系统穿刺体在超声图像平面y方向投影的物理距离匹配最近的进针孔，进行穿刺导航。2.根据权利要求1所述的基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，其特征在于，所述术前规划模块中，系统穿刺体的构建步骤如下：对于分割出前列腺区域的MRI图像，提取中间帧图像并且均匀地选取若干个系统穿刺点，坐标为；n表示系统穿刺点总数，i表示系统穿刺点序号，x
i y
i
分别表示序号为i的系统穿刺点在x方向的像素坐标值和y方向的像素坐标值，z为前列腺区域的中间帧对应的z方向的像素坐标值；设定系统穿刺体的总帧数N作为椭球穿刺体在Z轴方向上的长度；在前列腺区域的中间帧以各系统穿刺点坐标为圆心，半径为r构建圆形，接着在中间帧前后各N/2帧分别以r
j
为半径，为圆心，构建圆形；j为穿刺体帧数的索引，，为第j帧的第i个圆心点，z
j
为系统穿刺体第j帧的Z方向坐标值，r
j
从中间帧向前后帧依次减小；前列腺中间帧上各系统穿刺点构建的圆形以及对应穿刺点前后各N/2帧上构建的圆形分别形成对应系统穿刺点的椭球的系统穿刺体；若某一帧构建的圆形超出当前帧的前列腺轮廓，则取两者的交集构建系统穿刺体。3.根据权利要求2所述的基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，其特征在于，半径r
j
采用下述公式计算：；其中：r
j
为第j帧构建的圆形的半径，abs（）表示绝对值，r为中间帧上系统穿刺点构建圆形的半径。4.根据权利要求2所述的基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，其特征在于，所述的穿刺点为12个，避免尿道同时能够均匀覆盖整个前列腺区域。5.根据权利要求2所述的基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，其特征在于总帧数N采用下述公式获取：；其中：［］表示取整，Length表示待穿刺腺体在Z方向的长度， pixelSpacingZ表示MRI数
据在Z方向的点间距。6.根据权利要求1所述的基于三维重建与多模态医学图像配准的超声穿刺导航系统，其特征在于所述穿刺导航模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：董丽君，王杉杉，吴梦麟，
申请(专利权)人：卡本深圳医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：