本发明属医学图像处理及应用领域，涉及一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，尤其是一种神经外科术中脑组织变形矫正系统。该系统包括脑组织变形工作台和三维激光扫描仪工作台，可集成在现有神经外科手术导航系统中，帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。
背景技术：
：：现有技术公开了神经外科导航系统(ImageguidedNeurosurgerySystem,IGNS)有助于改进外科手术质量和减少手术中脑损伤。但是在手术过程中脑组织因为重力、牵拉或者切除作用的影响，会发生变形，导致基于术前图像的神经外科导航系统精度下降。临床实践中采用的，如，术中磁共振成像能够为术中脑组织提供实时图像，被认为一种有效的术中处理脑移位的方法，但是术中磁共振技术价格昂贵，限制了其临床应用；生物力学模型，利用软组织的生物力学属性约束软组织的运动特征，并借助有限元方程以及术中稀疏数据推定整个脑组织变形情况，能够克服术中影像的缺点，Miga[1,2]等采用固结理论模型模拟与矫正开颅后脑组织的变形情况，并通过动物试验证明：固结理论模型可矫正75％左右的脑组织变形误差；另外的4例临床病例证明：改进后固结理论模型平均矫正率可达79％，该方法的缺陷在于边界条件的获取非常困难，这是因为术中脑脊液的流失量是固结理论模型求解的重要参数，亦即，要获得边界条件，就必须知道开颅后脑脊液的变化情况，这也是临床实践中一直想解决而未解决的难题；Ferrant[3]等使用线弹性生物力学模型建模，使用术中磁共振获取边界条件，采用该方法将脑皮层表面位移误差降至1mm左右，该方法最大的缺陷是没有摆脱对术中磁共振的依赖。相对于固结理论模型而言，线弹性模型采用表面力或表面位移为边界条件，若利用三维扫描仪等廉价的术中辅助设备，再结合表面跟踪算法则能够方便地获得边界条件，便于临床应用。基于现有技术的现状，本申请的发明人拟提供一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，尤其是一种神经外科术中脑组织变形矫正系统，进而帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。与本发明有关的参考文献有：[1]M.I.Miga,K.D.Paulsen,P.J.Hoopes,F.E.Kennedy,Jr.,A.Hartov,andD.W.Roberts,"Invivoquantificationofahomogeneousbraindeformationmodelforupdatingpreoperativeimagesduringsurgery,"IEEETransBiomedEng,vol.47,pp.266-73,2000.[2]M.I.Miga,K.D.Paulsen,J.M.Lemery,S.D.Eisner,A.Hartov,F.E.Kennedy,andD.W.Roberts,"Model-updatedimageguidance:initialclinicalexperienceswithgravity-inducedbraindeformation,"IEEETransMedImaging,vol.18,pp.866-74,1999.[3]M.Ferrant,A.Nabavi,B.Macq,F.A.Jolesz,R.Kikinis,andS.K.Warfield,"Registrationof3-DintraoperativeMRimagesofthebrainusingafinite-elementbiomechanicalmodel,"IEEETransMedImaging,vol.20,pp.1384-97,2001.。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，尤其是一种神经外科术中脑组织变形矫正系统。该系统由脑组织变形工作台和三维激光扫描仪工作台组成，脑组织变形工作台通过无线通讯与神经外科手术导航系统进行数据交换，数据包括术前影像、变换矩阵以及矫正更新后影像；该系统可集成在现有神经外科手术导航系统中，帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。本发明的基于无线传输的脑组织变形矫正系统，由脑组织变形工作台和三维激光扫描仪组成；脑组织变形工作台搭载脑组织变形矫正软件系统；三维激光扫描仪的扫描分辨率为500微米以上，精度1mm以上。本发明中，脑组织变形矫正软件系统包括三维可视化模块、标定模块、脑组织提取模块、网格化模块、边界条件获取模块、有限元计算模块、术前图像更新模块以及通讯模块；其中，三维可视化模块用于对图像序列进行三维可视化显示，标定模块用于获取三维激光扫描仪空间和固定在三维激光扫描仪表面的跟踪工具空间之间的坐标变换关系，脑组织提取模块用于将脑组织从术前图像中提取出来，获得目标组织，网格化模块用于将目标组织离散成为小的网格单元，边界条件获取模块用于获取有限元模型的边界条件，有限元计算模块基于有限元方法计算所有网格节点的位移，术前图像更新模块采用插回算法，基于网格节点位移和术前影像计算得到变形后的术前影像，通讯模块用于实现脑组织变形矫正系统与神经外科导航系统的数据交换。具体的，本发明中，脑组织变形矫正软件系统，其工作流程如下：(1)术前对三维激光扫描仪标定，获得三维激光扫描仪空间和固定在三维激光扫描仪表面的跟踪工具空间之间的空间坐标变换关系，将此空间坐标变换关系存储于脑组织变形工作台上；(2)将术前图像从神经外科手术导航系统传输到脑组织变形工作台；(3)采用自动分割算法并结合手动分割方法将脑组织从术前图像中提取出来，获得目标组织；(4)结合类八叉树和MT(MarchingTetrahedron)算法对上述目标进行网格化；(5)建立目标组织的线弹性物理模型，对每一网格单元赋予相应的生物力学属性；(6)借助三维激光扫描仪和子块式表面跟踪算法获得边界条件；(7)采用有限元方法结合边界条件求解线弹性物理模型，获目标组织任意位置的变形；(8)采用反向插回算法基于获得的全脑变形场，即变形后网格更新术前三维图像数据，并进行三维可视化显示。(9)将预测更新后图像通过通讯模块传输回神经外科导航系统。其中，三维激光扫描仪标定过程通过标定模块实现，包含以下步骤：(1)启动三维激光扫描仪扫描校准靶，将扫描所得点云文件存入脑组织变形工作台；(2)打开点云文件，从标定靶点云图像中选取5-7个特征点；(3)借助跟踪设备和可被跟踪设备跟踪的探针在标定靶上选取与点云图像中对应的特征点；(4)使用点配准算法，将二者配准，得到三维激光扫描仪空间到跟踪工具空间之间的坐标变换关系。其中，获取术前图像通过通讯模块实现；手术导航系统作为服务器端，脑组织变形矫正系统作为客户端，由客户端首先发出请求，服务器端按照握手命令做出回应；首先通过命令进行握手，然后传输数据，最后通过命令结束传输；所有命令用字符串表示，以CMD开始，其中握手命令为：CMDASKIMG(请求传输术前图像，客户端发出)；CMDREQACK(同意传输，服务器端发出)；结束命令为CMDSENDFIN(传输结束，服务器端发出)。其中，目标脑组织的提取通过脑组织提取模块实现，该模块包含两步：首先使用自动分割算法自动提取脑组织；然后使用手动分割方法对提取出来的脑组织进行精确分割。所述自动分割算法中，首先通过灰度直方图获取图像的上、下限灰度值以及组织与背景的粗略门限值t；然后利用门限值t估计图像中组织重心的大体位置，并估计组织的大致尺寸(以球体表示)；之后将组织表面建模成离散三角网格曲面。初始模型为离散三角网格球面，球心位于组织重心，半径为估计组织半径的1/2；最后将初始球面离散三角网格缓慢变形，每次变形一个顶点。当顶点变形至脑组织边界时，需遵循变形力以保证组织表面光滑。其中，对目标脑组织网格化处理通过网格化模块实现，首先，用类八叉树算法将三维图像空间划分为六面体单元的网格后，将每一六面体单元划分为五个四面体单元；然后，采用类MT算法切割网格，去除背景，获得最终仅包含脑组织的三维网格单元。最后，基于FEM可变形网格方法，对已经生成的3D四面体网格形状进行调整，使得网格边界上的节点与对应3D二值图像的边界对齐。其中，建立目标组织的物理模型，对每一网格单元赋予相应的生物力学属性，在有限元模块中实现。由于脑组织变形过程缓慢而且形变小，应变与应力成线性关系，本发明将其模拟为基于线弹性理论的均匀弹性体，所述物理模型表达为一系列偏微分方程：其中u为位移矢量，F为力矢量，μ＝E/2(1+v)，ν为泊松比，E为弹性模量。为每一个网格单元赋予线弹性模型的力学属性：泊松比ν和弹性模量E。其中，借助三维激光扫描仪和子块式表面跟踪算法获得边界条件在边界条件获取模块中完成，首先，提取表面网格节点作为软组织初始表面；第二，通过三维激光扫描仪获取变形后软组织表面点集，作为变形后的软组织表面；第三，使用刚性配准方法将对变形后软组织表面和初始软组织表面进行初配准；第四基于子块式能量函数最小非刚性配准算法来获得两个点集中点与点之间的映射关系。本发明中，获得初始软组织表面和变形后软组织表面后，使用刚性配准方法将对变形后软组织表面和初始软组织表面进行初配准；本发明的一个实施例中，使用不同空间的坐标系转换实现初始软组织表面和变形后软组织表面的刚性配准，包含以下四个空间的坐标变换：(1)将三维激光扫描仪空间变换到跟踪工具空间；(2)将跟踪工具空间变换到跟踪设备空间；(3)将跟踪设备空间变换到参考架空间；(4)将参考架空间变换到图像空间，图像空间为变形前软组织所在空间，其中跟踪工具固定在三维激光扫描仪上，跟踪工具可以被跟踪设备跟踪。参考架固定在病人身体上，参考架也可以被跟踪设备跟踪，第一个空间坐标变换通过术前标定，在标定模块中实现；第二个和第三个空间坐标变换通过跟踪设备的术中跟踪实现；第四个空间坐标变换通过对术前图像和病人空间的标记点刚性配准实现，后三个空间坐标变换在神经外科导航系统中获得，通过通讯模块传输给脑组织变形矫正系统。本发明中，完成变形后软组织表面和初始软组织表面进行初配准之后，基于子块式能量函数最小非刚性配准算法来获得两个点集中点与点之间的映射关系，其子块式表面跟踪算法包含步骤：(1)将需要跟踪的软组织初始表面网格节点X＝{x,i＝1,2,……M}划分成若干小块：P＝{p,k＝1,2,……L}，除了小块pL以外，其它每个小块pk包含l个节点，小块pL包含M-(L-1)*l个节点；(2)为每个点集小块pk构建能量最小方程获得点其表面位移：其中pk＝{p,o＝1,2,……l}为点集小块，Y＝{y,j＝1,2,……N}为点云的点集。cjk是定义两个点集之间对应概率的相关性矩阵，λ为权重因子。用薄板样条(Thin-plateSpline)非刚性配准算法计算变形皮层(Y)与未变形皮层(pk)之间映射函数f，从而获得点集小块表面位移Disppk；(3)集合每个点集小块的位移Disppk，获得所有需要跟踪的软组织表面网格节点的位移Dispx。其中，采用有限元方法结合边界条件求解线弹性物理模型，获目标组织任意位置的变形在有限元计算模块中实现。线弹性物理模型由一系列偏微分方程组成，可以写成如下形式：Ka＝P，其中K为刚性矩阵，a为结点位移，P为结点载荷。K由杨氏弹性模量E和泊松比ν两个参数决定。我们使用了基于PETSc(Portable,ExtensibleToolkitforScientificComputation)构建的线性求解器来实现多处理器并行计算，用以加快运算速度。其中，更新术前三维图像在更新模块完成。使用反向插值法来更新术前图像：从变形后的网格单元出发，寻找出单元内的整数坐标点，利用形函数获得该点在未变形前的位置，再利用三线性插值获得该点的灰度值，然后更新术前图像的三维数据场。其中，三维可视化显示在三维可视化模块中完成，采用反向插回算法基于获得的全脑变形场更新术前三维图像数据后，使用光线投射算法对三维数据场显示，在三维可视化模块中通过设定光照阴影、清晰度、颜色映射、不透明度映射以及重建速度等参数实现三维数据场的体绘制功能。其中，将预测更新后图像传输回神经外科导航系统在通讯模块中实现。手术导航系统作为服务器端，脑组织变形矫正系统作为客户端。由客户端首先发出请求，服务器端按照握手命令做出回应。首先通过命令进行握手，然后传输数据，最后通过命令结束传输。图像数据放在一个一维数组中，应用层的握手命令如下：CMDSENDREQ(请求传输图像，客户端发出)；CMDREQACK(同意接收图像更新后数据，客户端发出)；CMDSENDFIN传输结束，客户端发出)。本发明精度可靠，可方便地集成在现有神经外科手术导航系统中，帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。附图说明图1是脑组织变形矫正系统软件系统模块图。图2是脑组织变形矫正系统工作流程图。图3是脑组织变形矫正系统软件系统界面以及三维可视化模块计算结果。图4是边界条件确定，其中1是三维激光扫描仪获取的皮层表表面点云数据，2是变形后软组织表面和初始软组织表面进行初配准的结果，3是表面跟踪前的结果，4是获取两个点集中点与点之间的映射关系后的结果。具体实施方式实施例1临床试验1.在三维激光扫描仪上安装跟踪工具，并使用标定模块进行标定，获取三维激光扫描仪空间变换到跟踪工具空间的坐标变换关系；2.脑组织变形矫正工作台与神经外科导航系统进行通讯，请求传输术前影像数据。脑组织变形矫正工作台为客户端，神经外科导航系统为服务器端。客户端首先发送命令码CMDASKIMG；服务器端确认命令码无误，发送CMDREQACK确认；服务器向客户端传送术前影像数据，将240×240×197的三维MRI脑组织数据存放在一个一维数组中；服务器发送CMDSENDFIN停止传输；客户端收到CMDSENDFIN后停止接收，保存术前影像数据；3.针对240×240×197的三维MRI脑组织数据场采用自动分割和手动分割相结合的算法提取出脑组织，分数灰度阈值设定为0.5；4.采用四面体网格将提取出的脑组织离散为162650个网格单元，节点数为30150，四面体最大为5×5×5mm3，提取网格表面节点；5.在线弹性模型的每一个单元设置脑组织生物力学属性参数。杨氏模量＝3Kpa，泊松比＝0.45；6.将参考架固定在病人头部，参考架可以被跟踪设备跟踪到。将三维激光扫描仪安装在一个具备标准自由度的三脚架上，调整三脚架使其采集镜头位于开颅皮层表面法线方向30到60cm处，扫描获取开颅区域变形后软组织表面点云；7.扫描同时，借助神经外科导航系统中的光学跟踪设备获得跟踪工具空间到跟踪设备空间坐标变换关系以及跟踪设备空间到参考架空间的坐标变换关系。参考架空间到图像空间坐标变换关系通过对术前图像和病人空间的标记点刚性配准得到；8.借助通讯模块，将第六步所述三个空间变换关系由神经外科导航系统传输给脑组织变形矫正系统。握手命令为：CMDASKTRANS(请求传输变换矩阵，客户端发出)；CMDREQACK(同意传输，服务器端发出)；结束命令为CMDSENDFIN(传输结束，服务器端发出)；9.获得以上四个空间的坐标关系后，脑组织变形矫正系统将变形后脑组织表面和初始脑组织表面配准到统一空间坐标系下，完成初配准；10.通过人工勾画，得到开颅区域部位的网格表面节点(变形前软组织表面)和变形后脑组织皮层点云(变形后软组织表面)，其中网格表面节点包含134节点，点云包含18127节点；11.将网格表面节点划分为17个小块，前16小块，每个小块包含8个节点，最后一个小块包含6个节点。为每个点集小块pk构建能量最小方程获得点其表面位移：其中pk＝{p,o＝1,2,……l}为点集小块，其中前16个小块，l＝8,最后一个小块，l＝6。Y＝{y,j＝1,2,……N}，为点云的点集，其中N＝18127。cjk是定义两个点集之间对应概率的相关性矩阵，λ为权重因子。用薄板样条(Thin-plateSpline)非刚性配准算法计算变形皮层(Y)与未变形皮层(pk)之间映射函数f，从而获得点集小块表面位移Disppk；集合每个点集小块的位移Disppk，获得所有需要跟踪的软组织表面网格节点的位移Dispx；12.采用有限元方法将线弹性模型方程化为矩阵形式：Ka＝P，其中K为刚性矩阵，a为结点位移，P为结点载荷。K由杨氏弹性模量E和泊松比ν两个参数决定。引入边界条件，消除矩阵K的奇异性，求出位移矢量a，获得脑组织内部任意节点处的位移。我们使用了基于PETSc(Portable,ExtensibleToolkitforScientificComputation)构建的线性求解器来实现多处理器并行计算，用以加快运算速度。在使用戴尔工作站(IntelCore2DuoE6850,4GBRAM)，WindowsXP操作系统，求解时间为50s；13.由变形后的数据场，根据形函数计算出所有对显示有贡献的坐标点(整数坐标点)变形前的位置，利用三线性插值计算出该点的灰度值；14.对所有这些整数坐标点组成的三维数据场采用光线透射法加以可视化，用于导航手术；15.将预测更新后图像通过通讯模块传输回神经外科导航系统。手术导航系统作为服务器端，脑组织变形矫正系统作为客户端，由客户端首先发出请求，服务器端按照握手命令做出回应，首先通过命令进行握手，然后传输数据，最后通过命令结束传输，图像数据放在一个一维数组中，应用层的握手命令如下：CMDSENDREQ(请求传输图像，客户端发出)；CMDREQACK(同意接收图像更新后数据，客户端发出)；CMDSENDFIN传输结束，客户端发出)。试验结果显示，本发明的基于无线传输的脑组织变形矫正系统精度可靠，可方便地集成在现有神经外科手术导航系统中，帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度。当前第1页1 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