专利名称：一种用于医学图像导航系统的标定模及使用方法
技术领域：
本发明涉及一种标定模及使用方法，特别是关于一种用于医学图像导航系统的标定模及使用方法。
背景技术：
在传统手术中，病灶不能直接用肉眼观察，例如不开刀的微创手术或者无创手术， 或者不方便用肉眼观察，例如脑部神经外科手术，医生只能凭借肉眼观察病灶的图像，凭经验将手术器械放置到目标位置，这种方式造成的手术器件和病灶部位定位之间的误差，会拖延手术的时间，影响手术的质量，特别是这种误差有时会给患者带来不必要的痛苦和损伤。手术导航系统是在医学影像设备，包括磁共振成像设备、计算机断层扫描设备(CT)、C 型臂、X线设备、超声波成像系统等，所成图像的引导下，利用跟踪系统测量手术器械的位置，从而可以把病灶的图像和虚拟手术器械融合并显示在屏幕上，帮助医生精确定位病灶和手术器械的位置，并观察病灶周围的器官和组织，帮助医生避开重要的器官和组织，将手术器械安全地放置到预定地点，以便完成治疗。手术导航设备进入外科并用计算机改进或完善了外科医师的能力以进行各项操作，在一定程度上降低了外科治疗所造成的损伤，缩短了手术时间。最新的导航技术是将病灶图片和虚拟的手术器械放到同一个坐标系下观测，即显示在同一个工作屏幕上(如液晶屏幕、投影屏幕或者其它形式的显示器材)，并且屏幕上两者的相对位置和实际的病灶与手术器械的相对位置相同，从而医生可以通过观察屏幕既能看到病灶，也能看到手术器械，进而准确而快速地将手术器械放置到目标位置。图像导航手术实现的关键在于建立固定成像设备坐标系与手术器械坐标系之间的转换关系，为实现这一坐标转换，需要借助一个标定装置，建立转换关系的过程被称为导航系统的标定。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于医学图像导航系统的标定模及使用方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种用于医学图像导航系统的标定模，其特征在于它包括标定模本体，设置在所述标定模本体内部的扫描标志，设置在所述标定模本体内部或表面的导航标志；所述扫描标志的数量为三个以上，且各扫描标志位于不在同一条直线上的同一平面内；各所述扫描标志的图像灰度与所述标定模本体的图像灰度有明显区别；各所述扫描标志均具有一选定的特征点。各所述扫描标志均为一圆片，所述圆片的特征点为圆片的圆心。各所述扫描标志均为一三角片，所述三角片的特征点为三角片的其中一顶点或三角片的重心。各所述扫描标志均为一球体，所述球体的特征点为球体的球心。各所述扫描标志为圆片、三角片、球体中的任意两种或两种以上的组合，所述圆片的特征点为圆片的圆心，所述三角片的特征点为三角片的其中一顶点或三角片的重心，所述球体的特征点为球体的球心。上述一种用于医学图像导航系统的标定模的使用方法，其包括以下步骤1)设置一具有扫描标志和导航标志的标定模，所述扫描标志的数量为三个以上，且各扫描标志位于不在同一直线上的同一平面内，各所述扫描标志的图像灰度与所述标定模本体的图像灰度有明显区别；幻通过导航设备读取标定模上导航标志在导航设备下的坐标C:=;根据= C= * C^er = (CtX)-1 * C^er，得到各扫描标志作为整体在导航标志下的坐标 C=L，其中，C!,表示各扫描标志作为整体在导航设备下的坐标；3)通过固定成像设备对标定模进行扫描，获取标定模的图像序列，进而获取标定模上各扫描标志作为整体在固定
^track — ^track * prefer * ^marker
成像设备下的坐标胃4)根据公式^^二 = ct ,, 广，最终获得固定
Cmarker ；scanrefermarker ‘ marker 乂
成像设备在导航设备下的坐标C:=，完成标定。所述步骤2)中，得到各扫描标志作为整体在导航标志下的坐标Gtto的步骤如下①开启导航设备，在一探针的针尖上绑定另一导航标志，从导航设备中能够直接获取探针针尖在导航设备下的坐标②将探针针尖和各个扫描标志的特征点进行接触，得到各个扫描标志的特征点在导航设备下的坐标(Xi，Ii, Z1) (l^i^n)；③根据各个扫描标志的特征点在导航设备下的坐标(Xi，Yi, Zi) (1 ^ i ^ η)，计算各扫描标志作为整体在导航设备下的坐标C!,；④从导航设备中读取导航标志在导航设备下的坐标C:=；⑤根据 CtLr = C;: * C: = C * c:，得到各扫描标志作为整体在导航标志下的坐标
prefer marker °所述步骤③中，根据各个扫描标志的特征点在导航设备下的坐标，计算各扫描标志作为整体在导航设备下的坐标C=,的步骤如下i选择第一个扫描标志的特征点(Xl， Y1, Z1)作为原点ο ；ii计算从第一个扫描标志的特征点指向第二个扫描标志的特征点的向量作为χ轴，x = ;iii求其余各扫描标志特征点坐标值的平均值，得到P'点，计算第一个扫描标志的特征点指向ρ'点的向量作为参考y轴，;> = ； iv将和；进行向量叉乘，得到的向量作为Z轴，Z = XX;'; V将进行向量叉乘，得到的向量作为最终的y轴， P = ZXχ ; Vi通过原点ο、χ轴、y轴、ζ轴，形成坐标系，得到各扫描标志作为整体在导航设备下的坐标C!,。所述步骤3)中，获取标定模上各扫描标志作为整体在固定成像设备下的坐标的步骤如下①根据扫描标志所用材料在固定成像设备下的成像特征，得到各个扫
描标志对应的图像灰度值区间(Pixell，Pixel2)；通过对固定成像设备分层扫描间隔的设置，获得包含K张图像的标定模图像序列，每张图像包含I X J个像素，总共有I X JXK个像素，进而得到每个像素对应的灰度值和空间坐标(X，1，ζ)；根据各扫描标志在标定模上的位置，得到任意扫描标志a到任意扫描标志b之间的距离Dab ；②针对标定模图像序列，利用各个扫描标志对应的图像灰度值区间(Pixell，Pixel2)进行灰度分割，将区间外的像素的灰度值全部置为0，将区间内的像素的灰度值全部置为某一非零的固定值；在I X JXK个像
素中进行遍历，查找空间连续像素块，得到n+m个连续像素块，其中，η表示有η个扫描标志，
m表示有m个噪声块；③根据步骤①中得到的每个像素对应的空间坐标(x，y，z)，计算空间
第i个连续像素块的空间坐标(Xi，Yi, Zi)
权利要求
1.一种用于医学图像导航系统的标定模，其特征在于它包括标定模本体，设置在所述标定模本体内部的扫描标志，设置在所述标定模本体内部或表面的导航标志；所述扫描标志的数量为三个以上，且各扫描标志位于不在同一条直线上的同一平面内；各所述扫描标志的图像灰度与所述标定模本体的图像灰度有明显区别；各所述扫描标志均具有一选定的特征点。
2.如权利要求1所述的一种用于医学图像导航系统的标定模，其特征在于各所述扫描标志均为一圆片，所述圆片的特征点为圆片的圆心。
3.如权利要求1所述的一种用于医学图像导航系统的标定模，其特征在于各所述扫描标志均为一三角片，所述三角片的特征点为三角片的其中一顶点或三角片的重心。
4.如权利要求1所述的一种用于医学图像导航系统的标定模，其特征在于各所述扫描标志均为一球体，所述球体的特征点为球体的球心。
5.如权利要求1所述的一种用于医学图像导航系统的标定模，其特征在于各所述扫描标志为圆片、三角片、球体中的任意两种或两种以上的组合，所述圆片的特征点为圆片的圆心，所述三角片的特征点为三角片的其中一顶点或三角片的重心，所述球体的特征点为球体的球心。
6.一种如权利要求1 5任一项所述的用于医学图像导航系统的标定模的使用方法， 其包括以下步骤1)设置一具有扫描标志和导航标志的标定模，所述扫描标志的数量为三个以上，且各扫描标志位于不在同一直线上的同一平面内，各所述扫描标志的图像灰度与所述标定模本体的图像灰度有明显区别；2)通过导航设备读取标定模上导航标志在导航设备下的坐标C:=;根据 C:- = C= * C^er = (C::)Λ * C^er，得到各扫描标志作为整体在导航标志下的坐标 C^ker，其中， =,表示各扫描标志作为整体在导航设备下的坐标；3)通过固定成像设备对标定模进行扫描，获取标定模的图像序列，进而获取标定模上各扫描标志作为整体在固定成像设备下的坐标Cr/Lr ； 4)根据公式
7.如权利要求6所述的一种用于医学图像导航系统的标定模的使用方法，其特征在于所述步骤2)中，得到各扫描标志作为整体在导航标志下的坐标C^tto的步骤如下①开启导航设备，在一探针的针尖上绑定另一导航标志，从导航设备中能够直接获取探针针尖在导航设备下的坐标^=；②将探针针尖和各个扫描标志的特征点进行接触，得到各个扫描标志的特征点在导航设备下的坐标(Xi, Ii, Zi) (1 ^ i ^ η)；③根据各个扫描标志的特征点在导航设备下的坐标(Xyyi^i)(1 ^ i Sn)，计算各扫描标志作为整体在导航设备下的坐标C!,；④从导航设备中读取导航标志在导航设备下的坐标C:=；⑤根据C!: = C;二 * C二 = (C:r * C二，得到各扫描标志作为整体在导航标志下的坐标C=L。
8.如权利要求7所述的一种用于医学图像导航系统的标定模的使用方法，其特征在于所述步骤③中，根据各个扫描标志的特征点在导航设备下的坐标，计算各扫描标志作为整体在导航设备下的坐标的步骤如下i选择第一个扫描标志的特征点(Xl，Y1, Z1)作为原点ο ；ii计算从第一个扫描标志的特征点指向第二个扫描标志的特征点的向量作为X轴，iii求其余各扫描标志特征点坐标值的平均值，得到P'点，计算第一个扫描标志的特征点指向P'点的向量作为参考y轴，P =;':;；i ν将；^和；进行向量叉乘，得到的向量作为ζ轴，
9.如权利要求6所述的一种用于医学图像导航系统的标定模的使用方法，其特征在于所述步骤3)中，获取标定模上各扫描标志作为整体在固定成像设备下的坐标CrUA 步骤如下①根据扫描标志所用材料在固定成像设备下的成像特征，得到各个扫描标志对应的图像灰度值区间(PiXell，PiXel2)；通过对固定成像设备分层扫描间隔的设置，获得包含K张图像的标定模图像序列，每张图像包含IX J个像素，总共有IX JXK个像素，进而得到每个像素对应的灰度值和空间坐标(X，1，ζ)；根据各扫描标志在标定模上的位置，得到任意扫描标志a到任意扫描标志b之间的距离Dab ；②针对标定模图像序列，利用各个扫描标志对应的图像灰度值区间(Pixell，Pixel2) 进行灰度分割，将区间外的像素的灰度值全部置为0，将区间内的像素的灰度值全部置为某一非零的固定值；在I X JXK个像素中进行遍历，查找空间连续像素块，得到n+m个连续像素块，其中，η表示有η个扫描标志，m表示有m个噪声块；③根据步骤①中得到的每个像素对应的空间坐标U，1，z)，计算空间第i个连续像素块的空间坐标(Xpyi^i)其中，f表示连续像素块中包含f个像素，(Xij，Yij, Zij)表示第i个连续像素块中第j 个像素的空间坐标；④根据空间第i个连续像素块的空间坐标(Xi，Ii, Zi)，计算任意两个连续像素块间的距离
10.如权利要求9所述的一种用于医学图像导航系统的标定模的使用方法，其特征在于所述步骤⑦中，扫描标志为圆片，则从平面图形中，使用图像分割技术得到η个近似圆的边界，对η个近似圆的边界进行圆拟合，得到η个圆心，即为圆片的特征点，根据获取的η 个圆片的圆心坐标，计算各扫描标志作为整体在固定成像设备下的坐标的步骤如下i选择第一个圆片圆心(X1, Y1, Z1)作为原点ο ；ii计算从第一个圆片圆心指向第二个圆片圆心的向量作为χ轴，χ = ；iii将其余各圆片圆心点的坐标值，求平均值，得到P'点，计算第一个圆片圆心指向 P'点的向量作为参考y轴，/ = p'-p,；i ν将；^和；进行向量叉乘，得到的向量作为ζ轴，ζ = χ χ ;ν将1和2进行向量叉乘，得到的向量作为最终的y轴，;=ζ χ χ ;Vi通过原点o、x轴、y轴、Z轴，形成坐标系，得到各扫描标志作为整体在固定成像设备下的坐标。
全文摘要
本发明涉及一种用于医学图像导航系统的标定模及使用方法，其特征在于它包括标定模本体，与标定模本体固定的扫描标志和导航标志；扫描标志的数量为三个以上，且各扫描标志位于不在同一条直线上的同一平面内；各扫描标志的图像灰度与标定模本体的图像灰度有明显区别；各扫描标志均具有一选定的特征点。本发明通过导航设备读取标定模上导航标志在导航设备下的坐标进而得到各扫描标志作为整体在导航标志下的坐标再通过固定成像设备对标定模进行扫描，获取标定模的图像序列，进而获取标定模上各扫描标志作为整体在固定成像设备下的坐标最终获得固定成像设备在导航设备下的坐标完成标定。本发明可广泛用于医学图像导航系统的标定过程中。
文档编号A61B19/00GK102429730SQ20111030612
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者宁随军, 徐进, 解焕南, 赵磊 申请人:新博医疗技术有限公司