专利名称：利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法，可应用于混合型立体定向仪的祀点坐标的确定，尤其适用于Leksell及其同类的立体定向仪。
背景技术：
传统的立体定向神经外科技术，使用机械式的立体定向仪，立体定向仪的框架在MRI或CT扫描时固定在患者头上，通过对MRI或CT的图像的测量和计算，确定手术靶点的坐标，指导进行手术。颅内的病灶如果在MRI或CT图像可以显示的，称为“可见靶点”，如果受机器的分辨能力限制不能显示的，称为“不可见靶点”。立体定向仪的框架两侧定位板上各有一个“N”形的金属线(CT定位用金属线、MRI定位用硫酸镁或脂类等可显影材料)，在框架完成安装的状态下，以病人头颅的右后上顶点为坐标原点，向前为Y轴，向左为X轴，向下为Z轴。定向仪的刻度也是从原点开始的。左右两个N形金属线共8个顶点构成的长方体中心与框架中心(通常其框架坐标为(100，100，100))重合。在断层扫描时将切割“N”形的金属线，在断层图像上形成标记点。传统靶点坐标可采用手工计算，要求MRI或CT图像坐标系统与立体定向仪框架坐标系统必须正交。这样，耦合在框架两侧定位板上的“N”形金属线在断层扫描时将显示6个标记点，其中位于角上的四个顶点连成一个长方形，长方形的中心，也处于框架中心的纵轴上(100，100，z );可见靶点的X、Y值可在图像上利用其与中心点的关系计算出来，Z值由侧面的其余两点进行计算得到。实际应用中，如果MRI或CT图像坐标系统与立体定向仪框架坐标系统处于非正交状态，就无 法计算靶点坐标。有些手术(如:帕金森病的功能性手术)靶点在断层图像上“不可见”，需依其生理状态下的解剖坐标进行推算。为减少定位误差，安装框架时，要求框架平面与大脑的AC-PC平面平行，这样可以获得理想的断层图像序列。但必须依赖医生的经验和操作技巧完成，可靠性较低，通常会有5-10度的误差。使用“手术计划系统”软件，利用图像重建技术获取AC-PC平面，在一定程度上能弥补上述不足。但重建的效果，受扫描层厚偏大(MRI通常为3_)、分辨率偏低(CT图像对基底节的细微结构显示不清)，三维重建算法的影响，重建所获的AC-PC平面存在信息丢失或误差的问题。
发明内容
本发明旨在提出一种利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法，在MRI或CT图像坐标系统与框架坐标系统非正交的情况下，也能完成靶点定位计算，获得靶点在立体定向仪框架坐标系统中的坐标。这种利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法包括以下步骤:( I)应用电脑在断层图像中选用两幅断层图像，此两幅断层图像上，立体定向仪两侧的定位板上的“N”形金属线的6个标记点全部可见，在断层图像上测量出上述标记点的坐标参数；(2)根据断层图像上的标记点在图像坐标系内的坐标，建立立体定向仪框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在图像坐标系中的方程；(3)在断层图像上选择靶点，获得其图像坐标系内的三维坐标参数，在图像坐标系内计算该点到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距离，上述距离的数值即为该靶点在立体定向仪框架坐标系内的X、Y、Z坐标。这种利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法由于采用在图像坐标系中，求出立体定向仪框架的三个坐标平面(Y-Z平面，X-Z平面，X-Y平面)的方程，再利用点到平面的距离公式把靶点到这三个坐标平面的距离计算出来的方法，因而降低了立体定向仪框架安装的难度；在定位颅内“不可见”靶点时，可通过调整扫描平面倾角，获得理想的断层图像序列，从而降低了立体定向手术的难度，尤其适用于颅内“不可见”靶点的坐标定位。
图1为立体定向仪框架安装和断层扫描的示意图；图2为框架上的“N”形金属线与断层的关系示意图；图3为一幅断层图片的示意图；图4为右侧定位板的“N”形金属线端点计算的原理图；图5为本发明的方法的流程图。
具体实施例方式如图1所示，立体定向仪的框架两侧的定位板1、2上各有一条“N”形的金属线3(CT定位用金属线、MRI定位用硫酸镁等显影材料)。在框架完成安装的状态下，框架坐标的原点位于病人头颅4的右后上处，该点对应于“N”形金属线的顶点0，定向仪的刻度也是从此原点开始的。立体定向仪的坐标方向如图中7所示，向前为Y轴，向左为X轴，向下为Z轴，进行断层扫描时的断层位置如图中的6、7所示。断层图像的坐标方向如图1中8所示，断层图像上向左为X，向前为y，z为与断层垂直的向下方向。如图2所示，左右两个N形金属线共8个顶点O、R、Of、P、G、U、V、W，构成的长方体中心与框架中心(坐标:100，100，100)重合。在断层扫描时，切割“N”形的金属线，其中一个断层图像上形成标记点如图3中的札、M2、M3、S1^ S2 > S3O如图5所示，这种利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法包括以下步骤:( I)应用电脑在断层图像中选用两幅断层图像，此两幅断层图像上，立体定向仪两侧的定位板上的“N”形金属线的6个标记点全部可见，例如，图1中的断层5和6 (双点划线所示)，得到的图像如图3所示，图中断层与定位板的交线用单点划线表示。在断层图像上测量出上述标记点的在图像坐 标系内的坐标参数。(2)根据断层图像上的标记点在图像坐标系内的坐标，建立立体定向仪框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在图像坐标系中的方程。按照立体几何的原理，三点决定一个平面。若平面内的三个点的坐标为:A (X1, Y1, Z1), B (x2, y2, z2), C (x3, y3, z3),该平面方程为:ax+by+cz+d=0 贝丨J:a=y1z2-y1z3-y2z1+y2z3+y3z1~y3z2b=-x1z2+x1z3+x2z1-x2z3-x3z1+x3z2c=x1y2-x1y3-x2y1+x2y3+x3y1-x3y2d=-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x2y3z1~x3y1z2+x3y2z1从三点的坐标求出系数a、b、c、d的值，也就得到了此平面的方程。按上述方法，如图2所示，Y-Z平面在图像坐标系中的方程可用所述的两幅断层图像上右侧的四个顶点Mp M3、％、N3及M2、N2共六个点中的三个点的坐标来建立；X-Z平面在图像坐标系中的方程可用所述的两幅断层图上的下侧的四个顶点Mp N1, Sp Q1中的三个点的坐标来建立；X-Y平面在图像坐标系中的方程可由位于X-Y平面内的四个“N”形金属线的端点0、0f、G、V)中的三个端点的图像坐标系坐标来建立。上述“N”形金属线的端点的坐标可根据所述的两幅断层图中部的标记点与四角的标记点的图像坐标系坐标计算出来。其计算方法如下:如图4所示，右侧定位板的“ N”形金属线上，M1、M2、M3、N1、N2、N3六个点在图像坐标系的坐标可直接测量。利用空间两点距离，点到直线距离，可算出各点之间的线段的长度。设定M1M2=Hi,N1N2=Ii,M1M3=N1N3=I`,M1M3与N1N3平行线间的距离为LM1N1与M3N3平行线间距为定向仪的固定参数，设为D，OM1的长度设为i，经计算可得:i=m.h.I/(n_m).D由于M1 (X11Y11Z1)jN1 (x2, y2, Z2)在图像坐标系的坐标可直接测出(其中Zp2为各自断层的床位值)。推算“N”定位板右后顶点(O)的三维坐标:X0=X1+!.(X1-X2) / [ (X1-X2)2+ (Y1-Y2)2+ (Z1-Z2)2]1/2y0=yi+i.(Y1I2)ZT(X1-X2) My1I2) 2+(z「z2)2] 1/2Z0=Z1 + !.(Z1-Z2) / [ (X1-X2) 2+ (Y1-Y2)2+ (Z1-Z2)2]1/2推算“N”定位板右前顶点(Of)的三维坐标时，上列式子中(Xl，yi，Zl)改为M3的坐标值，“i”改为OfM3的长度，OfM3的长度可用下式求得:OfM3=OfP-N3P-M3N3上式中OfP的长度为定向仪的固定参数，N3P的长度可按OM1相同方法计算，M3N3可由两点间距离公式计算。同理可推算出定位板“N”形金属线左前、左后顶点的坐标。(3)在断层图像上选择靶点，获得其图像坐标系内的三维坐标参数。靶点为可见靶点时，在断层图像上直接选取，不可见靶点根据其解剖坐标推算，确定其在断层图像上的位置(即图像坐标系的坐标)。然后，利用点到平面的距离公式，计算靶点到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距离，上述距离的数值即为该靶点在立体定向仪框架坐标系内的X、Y、Z坐标。具体方法如下:设革巴点在图像坐标系的坐标为T (xt, yt, zt),平面方程为ax+by+cz+d=0,则革巴点到该平面的距离为:距离=I axt+byt+czt+d | / (a2+b2+c2) 1/2将框架坐标平面的参数代入此公式，即可计算出靶点到三个框架坐标平面的距离，结合图像放大率和“N”形定向板在框架坐标系内的位置参数进行修正，即可完成靶点T(X，Y，Z)的框架坐标计算。应用本发明的方法进行靶点坐标定位，立体定向仪可按常规安装框架，按常规的扫描方法，先MRI或CT行TOP定位扫描，再通过调 整扫描平面倾角，获得理想的定位图像，定位“不可见”靶点时，扫描平面可与AC-PC平面平行。
权利要求
1.一种利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法，其特征是包括以下步骤: (1)应用电脑在断层图像中选用两幅断层图像，此两幅断层图像上，立体定向仪两侧的定位板上的“N”形金属线的6个标记点全部可见，在断层图像上测量出上述标记点的坐标参数； (2)根据断层图像上的标记点在图像坐标系内的坐标，建立立体定向仪框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在图像坐标系中的方程； (3)在断层图像上选择靶点，获得其图像坐标系内的三维坐标参数，在图像坐标系内计算该点到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距离，上述距离的数值即为该靶点在立体定向仪框架坐标系内的X 、Y、Z坐标。
2.按权利要求1所述的用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法，其特征是:第(2)步中所述的Y-Z平面在图像坐标系中的方程用所述的两幅断层图像上右侧的四个顶点(Mp M3> N1, N3)中的三个点的坐标来建立；所述的X-Z平面在图像坐标系中的方程用所述的两幅断层图像上的下侧的四个顶点(Mp N1, S1, Q1)中的三个点的坐标来建立；X-Y平面在图像坐标系中的方程的获得方法为:根据所述的两幅断层图中部的标记点与四角的标记点的图像坐标系坐标推算出位于X-Y平面内的四个“N”形金属线的端点(O、Of、G、V)中的三个端点的图像坐标系坐标，再由此三个“N”形金属线的端点的图像坐标系坐标建立X-Y平面在图像坐标系中的方程。
全文摘要
一种利用断层图像获取靶点在立体定向仪内的坐标的方法，步骤如下(1)在断层图像中选用两幅定位板上的“N”形金属线的6个标记点全部可见的断层图像，测量出上述标记点的坐标参数；(2)根据断层图像上的标记点在图像坐标系内的坐标，建立立体定向仪框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在图像坐标系中的方程；(3)在断层图像上选择靶点，获得其图像坐标系内的三维坐标参数，计算该点到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距离，上述距离的数值即为该靶点在立体定向仪框架坐标系内的X、Y、Z坐标。此方法降低了立体定向仪框架安装的难度，从而降低了立体定向手术的难度，尤其适用于颅内“不可见”靶点的坐标定位。
文档编号A61B19/00GK103083090SQ20121059001
公开日2013年5月8日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者张建民, 刘凤强, 傅伟明, 苏英 申请人:浙江大学医学院附属第二医院