【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超声辅助配准，具体涉及一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统及配准方法。
技术介绍
1、传统的骨科手术为获取良好的操作视野，通常需要大切口暴露病灶组织，极易引发各类感染性术后并发症。微创手术的引入降低了患者感染的风险，但由于可视区域的局限性，手术效果严重依赖医生的临床经验和技术。因此，如何在组织覆盖下可视和跟踪内部结构是微创手术的主要挑战。
2、随着医学影像技术和计算机的发展，医学影像引导下的手术导航系统得到了广泛关注，成为精准、微创骨科手术的优势解决方案。配准是手术导航系统的核心环节，决定手术导航系统的跟踪精度。现有的配准方法主要有基于骨表点和基于x光图像两类。基于骨表点的配准方法使用带有红外标记球的探针采集骨表面数据，进而与术前ct数据进行配准。该方法的局限在于：骨表面数据采集过程往往需要暴露骨组织，容易给患者带来二次创伤和其他并发症。基于x光的配准方法，通过术中采集x光图像并与术前采集的ct图像进行配准，实现手术导航。该方法虽然不需要额外的手术切口，但是配准过程中需要多次采集x光图像，增加了患者和医生的辐射暴露，并且需要对x光设备进行标定，操作难度大。
3、超声作为一种廉价、绿色、便捷的成像方式，在手术中得到了广泛地应用，超声引导的手术导航系统也因此迅速发展。然而，受到超声成像机理的限制，超声二维图像分辨率低、成像视野狭窄，包含特有的斑点噪声，单纯使用超声图像无法准确诊断病灶在人体中的位置。在以超声图像引导的手术导航系统中通常使用超声图像与ct图像进行配准，实现手术导航。但是，超声成像
4、现有的超声图像与ct图像配准的方法有基于特征和基于灰度的配准方法。基于特征的配准方法，需要分别从ct图像和超声图像中提取出对应的特征进行配准。该方法计算简单，速度较快，但是对于特征的提取存在主观性，无法准确提取骨特征，进而影响配准精度。基于灰度的配准方法通过从ct数据生成的模拟超声图像与真实超声图像中提取灰度信息，进行配准。该方法在配准过程中利用到更全面的信息，配准结果的鲁棒性更高。但是，由于成像原理的不同，现有的相似性度量方法，例如：归一化互相关、互信息等，无法准确度量模拟超声图像与真实超声图像的相似性。由于模拟超声图像的计算量大，在配准过程中需要生成大量模拟超声图像，因此，设计一个良好的初始位姿估计方法，对于配准精度和配准效率将会有很大的提升。
5、综上，现有方法均无法实现超声图像与ct图像的精确配准。因此，本专利技术提出了一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，使用基于模拟超声图像的方法，实现超声与ct图像的配准。
技术实现思路
1、本专利技术为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统及配准方法。
2、本专利技术的技术方案是：一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，包括以下模块：
3、术前数据采集模块，用于初始位姿获取和可视化呈现，同时用于后续配准定位；
4、初始位姿获取模块，作为后续配准与定位过程的起始搜索位姿；
5、超声图像模拟模块，模拟超声图像；
6、图像相似性度量模块，计算模拟超声图像和真实超声图像的相似性度量值；
7、配准与定位模块，得到标准模型骨与实际患骨在空间位置上的对应关系；
8、可视化模块，搭建三维虚拟场景。
9、更进一步的，所述术前数据采集模块从患骨解剖部位ct数据中提取患骨区域并进行三维重建，将重建结果导出为stl网络模型，stl网络模型作为标准骨模型，标准骨模型用于后续的初始位姿获取和可视化呈现。
10、更进一步的，所述术前数据采集模块使用超声探头采集骨组织图像，用于后续配准定位。
11、更进一步的，所述初始位姿获取模块估计真实超声图像相对于患骨解剖结构的相对位姿，相对位姿作为后续配准与定位过程的起始搜索位姿。
12、更进一步的，所述超声图像模拟模块使用光线追踪结合卷积的方法从ct数据中模拟超声图像。
13、更进一步的，所述配准与定位模块将术前ct图像和真实超声图像进行配准，得到两者的转换矩阵，得到标准模型骨与实际患骨在空间位置上的对应关系。
14、一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统的配准方法，包括以下步骤：
15、a.进行术前数据采集，得到标准骨模型；
16、b.获取初始位姿；
17、c.进行配准与定位；
18、d.将配准与定位进行可视化呈现。
19、更进一步的，步骤c进行配准与定位，具体过程如下：
20、c1.随机生成个体，生成每一个个体对应的模拟超声图像；
21、c2.计算每一个个体对应的模拟超声图像与真实超声图像之间的相似性度量值；
22、c3.执行遗传算法的选择、交叉和变异等操作，淘汰不良个体；
23、c4.重复以上步骤，直到找到相似性度量值最优的个体。
24、更进一步的，步骤c1随机生成个体，生成每一个个体对应的模拟超声图像，具体过程如下：
25、基于光线追踪方法和卷积方法，从ct数据中模拟超声图像，得到模拟超声图像。
26、更进一步的，步骤c2计算每一个个体对应的模拟超声图像与真实超声图像之间的相似性度量值，具体过程如下：
27、分别从术前数据采集阶段中获得的真实超声图像与超声图像模拟阶段中获得的模拟超声图像中提取由骨组织形成的阴影区域，计算真实超声图像和模拟超声图像的相似性度量值。
28、本专利技术的有益效果如下：
29、本专利技术使用超声图像与ct图像进行配准，避免了额外的辐射暴露。通过配准获取患骨解剖结构空间位姿，实现手术导航，为手术提供了直观的三维影像参考。
30、本专利技术通过对超声探头进行改造，添加红外标记球并进行标定，可以准确、无辐射地患骨解剖结构进行成像并获取图像的空间位姿，进而通过配准获取患骨的空间位姿。
31、本专利技术能够在术中精确定位患骨解剖的位置并与术前重建的模型进行配准，为骨折复位手术提供准确的三维信息，并且系统具有无辐射损害、操作简便、适用各种类型的骨折手术等优点。
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1.一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：包括以下模块：
2.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述术前数据采集模块从患骨解剖部位CT数据中提取患骨区域并进行三维重建，将重建结果导出为STL网络模型，STL网络模型作为标准骨模型，标准骨模型用于后续的初始位姿获取和可视化呈现。
3.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述术前数据采集模块使用超声探头采集骨组织图像，用于后续配准定位。
4.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述初始位姿获取模块估计真实超声图像相对于患骨解剖结构的相对位姿，相对位姿作为后续配准与定位过程的起始搜索位姿。
5.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述超声图像模拟模块使用光线追踪结合卷积的方法从CT数据中模拟超声图像。
6.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述配准与定位模块将术前CT图像和真实超声图
7.一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统的配准方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统的配准方法，其特征在于：步骤C进行配准与定位，具体过程如下：
9.根据权利要求8所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统的配准方法，其特征在于：步骤c1.随机生成个体，生成每一个个体对应的模拟超声图像，具体过程如下：
10.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统的配准方法，其特征在于：步骤c2.计算每一个个体对应的模拟超声图像与真实超声图像之间的相似性度量值，具体过程如下：
...【技术特征摘要】
1.一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：包括以下模块：
2.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述术前数据采集模块从患骨解剖部位ct数据中提取患骨区域并进行三维重建，将重建结果导出为stl网络模型，stl网络模型作为标准骨模型，标准骨模型用于后续的初始位姿获取和可视化呈现。
3.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述术前数据采集模块使用超声探头采集骨组织图像，用于后续配准定位。
4.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述初始位姿获取模块估计真实超声图像相对于患骨解剖结构的相对位姿，相对位姿作为后续配准与定位过程的起始搜索位姿。
5.根据权利要求1所述的一种面向骨科手术导航的超声辅助配准系统，其特征在于：所述超声图像模拟模块使用光线追踪结合卷积的方法...
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