一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法
1.技术领域
2.本发明涉及医学影像处理技术领域，具体涉及一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法。
背景技术：
3.随着科技的发展，现代的骨科手术，术前往往会先对需进行手术的人体部位进行ct、mr、三维c臂等医学影像扫描，通过特定的虚拟坐标系，实现人体内部结构的可视化，协助医师更好地完成骨科手术；但是，由于这些设备不能实现动态的连续性的扫描，只能形成某一时间横截面上的、静止性质的三维坐标系和静态的三维可视化，因此无法实现基于动态三维可视化的视觉导航穿刺。
4.现有的医学影像学数据，在骨科的穿刺导航应用中，还没有实现虚拟坐标系与现实坐标系的统一，使得人体内部结构信息无法在穿刺过程中与穿刺器械的位置变化信息进行实时交互，无法精确预判穿刺结果，造成穿刺误差，使得医师精确定位穿刺位置成为了一个不可忽视的难题。
技术实现要素：
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法。
6.为达到以上目的，提供如下方案：一种骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法，包括以下步骤，s1.使用ct扫描设备对人体结构进行扫描，获得ct骨骼三维模型和ct人体结构体表点云；s2.使用结构光3d相机对人体结构进行扫描，获得人体结构的3d结构光体表点云；s3.根据所扫描的人体结构选用顺行配准或逆行配准的方式对人体结构的体表与骨骼进行配准。
7.进一步，所述顺行配准的步骤如下：a1.使用mimics软件重建ct骨骼及体表三维模型；a2.将配准对象的ct骨骼三维模型、ct人体结构体表点云及s2中获取的人体结构的3d结构光体表点云数据输入至cloudcompare软件；a3.通过cloudcompare软件将ct骨骼三维模型、ct人体结构体表三维模型拖动至靠近人体结构的3d结构光体表点云，进行快速粗配准；a4. 通过cloudcompare软件裁剪ct人体结构体表三维模型多余部分，裁剪后剩余部分为卡位膜片；a5. 通过cloudcompare软件进行第一次配准：将步骤a4中的卡位膜片配准至人体
结构的3d结构光体表点云，获得卡位膜片的旋转平移矩阵；a6.通过cloudcompare软件进行第二次配准：根据卡位膜片的旋转平移矩阵将ct骨骼三维模型配准至人体结构的3d结构光体表点云，形成ct骨骼三维模型与人体结构的3d结构光体表点云组成的异源性复合结构；a7.通过cloudcompare软件检测配准精度，计算卡位膜片与3d结构光体表点云的平均距离及标准差。
8.进一步，所述逆行配准的步骤如下：b1. 使用mimics软件三维重建ct骨骼及体表三维模型；b2. 将配准对象的ct骨骼三维模型、ct人体结构体表点云及s2中获取的人体结构的3d结构光体表点云数据输入至cloudcompare软件；b3. 通过cloudcompare软件将ct骨骼三维模型、ct人体结构体表三维模型拖动至靠近人体结构的3d结构光体表点云，进行快速粗配准；b4. 通过cloudcompare软件，复制人体结构的3d结构光体表点云，并将复制体进行裁剪，裁剪后剩余部分为卡位膜片；b5. 通过cloudcompare软件进行第一次配准：将卡位膜片配准至ct人体结构体表三维模型后，可获得卡位膜片的旋转平移矩阵，并复制该卡位膜片的旋转平移矩阵；b6.通过cloudcompare软件进行第二次配准：在apply transformation弹窗中粘贴步骤b5中的卡位膜片的旋转平移矩阵，选择应用逆矩阵inverse matrix，将ct骨骼三维模型移动至人体结构的3d结构光体表点云坐标系中；b7.检测配准精度：在cloudcompare软件中计算卡位膜片与ct人体结构体表三维模型的平均距离及标准差。
9.本发明的优点在于：本骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法是通过顺行配准的方式对人体的躯干、盆骨进行配准；通过逆行配准的方式对人体的四肢进行配准；构建虚拟穿刺通道，实现可视化三维动态穿刺导航，其具有高度的灵活性。将其应用到骨科穿刺过程中，在人体内部结构可视化的前提下，可以随心所欲地移动刺穿器械的位置，以获取最合适的穿刺点。本发明使得医师可实时观测穿刺器械与需要穿刺固定骨骼之间的位置关系，协助医师更快速精准的确定穿刺位置，减少不必要的损伤，降低手术难度，提高手术成功率。
具体实施方式
10.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：本骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法， 包括以下步骤，s1.使用ct扫描设备对人体结构进行扫描，获得ct骨骼三维模型和ct人体结构体表点云；s2.使用结构光3d相机对人体结构进行扫描，获得3d结构光人体结构的3d结构光体表点云；s3.根据所扫描的人体结构选用顺行配准或逆行配准的方式对人体结构的体表与骨骼进行配准。
11.本方法所采用的硬件软件包括：（1）sizector
®
结构光3d相机s028800，上海盛相
工业检测科技有限公司；（2）结构光3d相机自带应用软件mpsizectors sdk v2.15，医学三维重建软件mimics 19.0，配准软件cloudcompare v2.11.3。亦可使用具有相同功能的其他软硬件。
12.本方法的目的是将ct骨骼三维模型精确配准至3d结构光体表点云的世界坐标系中，重构二者位置关系。其中，3d结构光体表点云是参考体（reference），在配准过程中不动，其坐标系是世界体系，而ct骨骼三维模型则是拟配准目标（aligned），在配准过程中需主动移动至reference。ct骨骼三维模型和人体结构的3d结构光体表点云之间的中介物是ct体表三维模型或者点云，实质是用ct和结构光3d相机对同一人体结构进行扫描。
13.配准要遵循的一般原则是：（1）100%的覆盖率（overlap）。因此aligned范围必须要小于reference范围，aligned可配准至reference，反之不能配准；（2）ct的fov不宜过大。由于ct扫描fov分辨率仅为512*512像素，如果fov太大，那么感兴趣目标区域roi所能分配到的像素必然很少，则成像质量也随之降低。因此，为保证三维成像质量，不能盲目扩大fov，而应优先保证roi的扫描，使之获得更高的扫描质量；（3）适当区别四肢与躯干部ct扫描的fov。由于四肢比躯干部要小，所以ct扫描时fov应完整涵括四肢在内，而躯干部则应根据扫描目的而确定扫描fov；（4）扫描长度与辐射量正相关，在达到扫描目的的前提下，不宜增加扫描长度，这个原则在四肢和躯干部都适用；（5）可以扩大结构光3d相机体表点云扫描的范围。这是因为3d结构光相机并无辐射，且拥有数百万至千万级别的点云分辨率，适当扩大扫描范围有利于完整覆盖ct扫描区域，同时能保证极高的点云分辨率。
14.为获得更快的配准速度、更简易的配准操作、更高的配准成功率和更精准的配准效果，一般可根据扫描目标是四肢或者是躯干部，将配准分为顺行和逆行配准两种方式，对于躯干和盆骨部位采用顺行配准的方式进行，对于四肢则采用逆行配准的方式进行。不管是顺行还是逆行配准，其目的和最终结果都是将ct骨骼配准至人体结构的3d结构光体表点云世界坐标系，其过程都包含卡位膜片配准和骨骼配准这两步操作。
15.针对人体躯干结构进行顺行配准时，具体步骤如下：a1.使用mimics软件重建ct骨骼及体表三维模型：将螺旋ct扫描得到的二位断层影像以dicom格式输入mimics软件，实施阈值分割后，分别对骨骼及体表进行三维重建，为保证目标区域胸腰椎的高质量三维重建，在ct扫描时，可适当缩小腰背部扫描位置的fov，无需把腰背部完整的涵括在内。
16.a2.输出配准对象的ct骨骼三维模型、ct人体结构体表点云及人体结构的3d结构光体表点云数据至cloudcompare软件：从mimics中输出stl格式的ct骨骼三维模型和ct人体结构体表点云，从mpsizectors中输出静态人体结构的3d结构光体表点云，再将此上述3个对象输入至配准软件cloudcompare。
17.a3.通过cloudcompare软件将ct骨骼三维模型、ct人体结构体表点云拖动至靠近人体结构的3d结构光体表点云，进行快速粗配准：在cloudcompare中以ctrl多选ct骨骼三维模型和ct体表点云，以translate/rotate功能将二者同时拖动至与人体结构的3d结构光体表点云毗邻，并使ct体表点云置于人体结构的3d结构光体表点云的外侧，二者大致保持平行；也可使用cloudcompare提供的点点粗配准功能align（point pairs picking），选择aligned和reference的4对配准点，也
能够实现快速粗配准。
18.a4. 通过cloudcompare软件裁剪ct人体结构体表点云多余部分，裁剪后剩余部分为卡位膜片：以cloudcompare的segment功能剪裁ct体表点云多余部分，如体表之外的、体内的、环境杂物的点云及噪点等，只保留体表部分，剪裁后重命名为“虚拟卡位膜片”，简称卡位膜片；剪裁卡位膜片遵循如下原则：（1）必须能被人体结构的3d结构光体表点云完全覆盖；（2）尽可能保留更大范围、更多细节的ct体表点云，以利于精确配准；（3）直接在ct体表点云上剪裁，并无必要保留原件。如需对比，可以再次加载ct体表点云；（4）及时重命名，以免发生错乱。
19.a5. 通过cloudcompare软件进行第一次配准：将步骤a4中的卡位膜片配准至人体结构的3d结构光体表点云，获得卡位膜片的旋转平移矩阵：以cloudcompare的fine registration（icp）功能将卡位膜片配准至3d结构光体表点云，并获得卡位膜片的旋转平移矩阵（可在console栏中可直接复制该矩阵）。
20.a6.通过cloudcompare软件进行第二次配准：根据卡位膜片的旋转平移矩阵将ct骨骼三维模型配准至人体结构的3d结构光体表点云，形成ct骨骼三维模型与人体结构的3d结构光体表点云组成的异源性复合结构；以cloudcompare的apply transformation功能，根据卡位膜片的旋转平移矩阵将ct骨骼三维模型配准至人体结构的3d结构光体表点云，具体操作是将所复制的卡位膜片的旋转平移矩阵粘贴在apply transformation弹窗中，即可将ct骨骼移动至3d结构光体表点云坐标系中。第二次配准后，即可形成人体结构的ct骨骼与3d结构光体表点云组成的异源性复合结构，即其体表的数据信息来源于结构光3d相机所扫描的体表点云，而内部骨骼则来源于ct扫描，为不同影像学设备数据信息的综合结果。
21.a7.通过cloudcompare软件检测配准精度，计算卡位膜片与3d结构光体表点云的平均距离及标准差。
22.在cloudcompare中使用compute cloud/cloud distance功能计算卡位膜片与人体结构的3d结构光体表点云的平均距离及标准差，注意卡位膜片为compared（比较体），而3d结构光体表点云为reference（参考体）。
23.针对人体四肢进行逆行配准时，具体步骤如下：b1. 使用mimics软件三维重建ct骨骼及体表三维模型：将螺旋ct扫描得到的二位断层影像以dicom格式输入mimics软件，实施阈值分割后，分别对骨骼及体表进行三维重建，ct扫描时，将肢体完整涵括在fov内。
24.b2. 输出配准对象的ct骨骼三维模型、ct人体结构体表三维模型及人体结构的3d结构光体表点云数据至cloudcompare软件：从mimics中输出stl格式的ct骨骼三维模型及ct人体结构体表三维模型，从mpsizectors中输出人体结构的3d结构光体表点云，再将上述的3个对象输入至配准软件cloudcompare。
25.b3. 通过cloudcompare软件将ct骨骼三维模型、ct人体结构体表三维模型拖动至靠近人体结构的3d结构光体表点云，进行快速粗配准：同时拖动ct骨骼三维模型、ct人体结构体表三维模型，使人体结构的3d结构光体
表点云处于ct骨骼三维模型、ct人体结构体表三维模型之间，与步骤a3同理。
26.b4. 通过cloudcompare软件，复制人体结构的3d结构光体表点云，并将复制体进行裁剪，裁剪后剩余部分为卡位膜片：在cloudcompare中以clone the selected entities功能复制人体结构的3d结构光体表点云，并将复制体剪裁为卡位膜片，具体操作与步骤a4同理。
27.b5. 通过cloudcompare软件进行第一次配准：将卡位膜片配准至ct人体结构体表三维模型后，可获得卡位膜片的旋转平移矩阵，并复制该卡位膜片的旋转平移矩阵：将卡位膜片配准至ct人体结构体表三维模型，其配准方向与顺行配准的第一次配准相反，即从人体结构的3d结构光点云配向ct体表三维模型，获得卡位膜片的旋转平移矩阵并将其进行复制。
28.b6.通过cloudcompare软件进行第二次配准：在apply transformation弹窗中粘贴步骤b5中的卡位膜片的旋转平移矩阵，选择应用逆矩阵inverse matrix，将ct骨骼三维模型移动至人体结构的3d结构光体表点云坐标系中；b7.检测配准精度：在cloudcompare软件中计算卡位膜片与ct人体结构体表三维模型的平均距离及标准差。
29.本骨骼模型配准至体表点云世界坐标系的方法：（1）采用的sizector
®ꢀ
s028800为动态扫描性质的结构光3d相机，动态扫描帧频可达10fps，静态扫描分辨率可达280万像素，精度可达10μm，可采用具有相同功能的其他设备进行替换；（2）进行配准的aligned和reference均有数量巨大的点云或三角面片。（3）完成配准后可以继续通过动态扫描置穿刺器械的位置，构建虚拟穿刺通道，实现动态导航；穿刺器械位置调整的自由度极高，几乎可以做到随意自由调节，只需术中通过结构光3d相机扫描到穿刺器械的小部分点云，即可重构穿刺通道，因此具有极高的导航穿刺灵活性。（4）不改变手术医师的原有手术习惯；无需机械臂，导航穿刺操作由手术医师全程完成，操作更为简易灵活，更能适应复杂的手术，还可缩短手术时长。（5）所选用的cloudcompare是一款完全免费的、完全开源的软件，可以使用其功能模块代码进行导航专用软件的研发，加快导航穿刺软件的研发进度。
30.以上所述仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的适用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。