基于手持式扫描仪的神经导航空间配准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属医学图像处理及应用领域，涉及一种基于手持式扫描仪的神经导航空间 配准方法。该方法能明显提高脑后部的配准精度，使手术导航在临床应用中更精确、实用和 方便。
【背景技术】
[0002] 现有技术公开了有关神经导航系统能够帮助医生确定病灶位置和边界，减小医源 性创伤，降低手术难度与手术风险。使用实践显示，神经导航系统对术前病人CT或MR影像 资料进行三维重建和可视化，获得虚拟模型，将手术部位与虚拟模型进行配准，使用高精度 的定位系统跟踪病人和手术器械的空间位置，使医生能在虚拟模型上看到手术器械相对于 手术部位的位置，从而指导医生对病灶进行准确切除。实践还显示，神经导航系统最重要的 指标是定位精度，而对定位精度影响最大的是空间配准过程。
[0003] 目前，神经导航系统使用的空间配准方法主要有点配准和面配准。传统的导航系 统采用点配准进行空间配准。点配准的原理是在手术区域选择6-8个标记点，并在导航图 像上人工识别出相应的标记点位置，对这些一一对应的点采用奇异值分解方法进行匹配； 这种配准方法存在有以下缺点：在手术前需要专门为导航做一次影像扫描，增加了患者受 辐射的程度和加重了患者的经济负担；粘贴在皮肤上的标记由于受皮肤偏移和膨胀的影 响，容易发生移位，从而引起较大的配准误差；标记点配准过程消耗时间较长，增加了手术 时间等等。针对这些缺点，有研究提出了面配准方法，所述的面配准方法不需要粘贴标记 点，不需要专门为导航做一次影像扫描；该面配准原理是在病人空间用激光扫描仪获取病 人面部点云，在图像空间提取一个代表病人面部轮廓的表面点云，通过迭代的方法对这两 个点云进行匹配；然而，该面配准存尚存在以下缺点：由于病人皮肤偏移、膨胀导致面配准 精度不稳定，由于面配准没有像点配准那样的理论依据，面配准的靶点配准误差较难把握， 由于面配准提取的是面部信息，所以导致脑后部配准精度不高，以及三维扫描仪操作不方 便，或者获取点云少等，由于上述缺点的存在，当前的面配准技术尚不能满足临床的需要。 面配准脑后部精度不高的主要原因还在于临床上使用的扫描仪的扫描范围有限，这是扫描 仪固定在三角架上且需要被跟踪造成的。
[0004] 因此，目前临本申请的发明人拟提供一种基于手持式扫描仪的神经导航空间配准 方法；该方法将能够获取整个头部表面的点云，使手术导航在临床应用中更精确、实用和方 便，明显提高脑后部配准精度。
[0005] 与本发明相关的现有技术有：
[0006] 1G.Eggers,J.MuhlingandR.Marmulla，Image-to-patientregistration techniquesinheadsurgery,Int.J.Oral.Max.Surg. , 2006, 35:1081-1095
[0007] 2K.S.ArunjT.S.HuangandS.D.Blostein,Least-squaresfittingoftwo3~D pointsets，IEEETrans.Pattern.Anal. 1987,PAMI-9:698-700.
[0008] 3R.R.Shamir,M.Freiman,L.Joskowicz,S.Spektorand Y.Shoshan,Surface-basedfacialscanregistrationinneuronavigation procedures:aclinicalstudy:Clinicalarticle,J.Neurosurg. 2009, 111:1201-1206.
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种基于手持式扫描仪的神经导航空间配准方法，该方法 无需标定和对扫描仪进行跟踪，能够明显提高脑后部的配准精度，以及该方法能使手术导 航在临床应用中更精确、实用和方便。
[0010] 本发明的神经导航空间配准方法中，使用手持式三维扫描仪获取扫描对象整个头 部表面的点云，使用粗配准和精配准结合的方法实现全局优化配准，即先将扫描到的点云 直接转换到病人空间，再使用点配准方法获取较好的初始位置，利用粗配准后融合的图像 和阈值分割算法去掉除头部点云以外的外点，最后使用优化的ICP算法完成配准。
[0011] 具体的，本发明的基于手持式扫描仪的神经导航空间配准方法，其特征在于，包括 步骤：
[0012] (1)使用手持式三维扫描仪获取病人（扫描对象）整个头部表面的点云，将点云从 设备空间直接转换到病人空间，无需标定和对扫描仪进行跟踪；
[0013] ⑵使用解剖标记点实现扫描仪获得的点云与影像数据分割重建而成的点云的粗 配准；
[0014] (3)利用粗配准的结果和阈值分割算法去除外点；
[0015] (4)使用优化的ICP算法进行精配准。
[0016] 本发明方法中，通过光学定位仪使病人空间（手术真实场景）与图像空间处于同 一空间，并使用手持式三维扫描仪获取病人整个头部的点云，将其从设备坐标系直接转换 到病人空间，无需标定和对扫描仪进行跟踪；本发明的实施例中，使用参考架上的五个目标 点得到一个从设备坐标系到病人坐标系的线性转换关系，利用这个转换关系将扫描得到的 点云从设备坐标系直接转换到病人空间；
[0017] 其中，所述的设备空间的五个虚拟目标点和参考架上的五个目标点，通过SVD算 法求解一种线性关系；
[0018] 本发明方法中，选取三到四个解剖标记点，使用点配准方法实现粗配准；本发明的 实施例中，使用外眦、鼻尖，鼻根等解剖标记点实现粗配准；粗配准后将扫描点云转换到图 像空间，与影像数据进行融合，利用融合后的图像和阈值分割算法去除除头部区域外的外 点；所述粗配准，外点去除，精配准是一个点配准，阈值分割，优化的ICP算法相结合的三步 配准方法，它能获得一个全局最优解。粗配准不但提供给精配准一个较好的初始位置，还能 结合阈值分割算法自动实现外点的去除。精配准通过优化的ICP算法完成最终的配准。
[0019] 本发明方法中，最后使用优化的ICP算法完成精配准；本发明的实施例中将ICP算 法的六个阶段重新组合成最适合神经导航空间配准的优化的ICP算法。
[0020] 本发明的方法进行了实验试用，结果显示，
[0021] 本方法能够完成扫描点云从设备空间直接转换到病人空间而无需标定和对扫描 仪进彳T跟踪：
[0022] 在参考架上贴五个目标点（如图1所示），该些目标点的直径为IOmm,正面白色和 黑色部分由反光材料组成，反面由不干胶构成（如图2所示），扫描仪能够自动识别所述目 标点并计算它们在设备坐标系中的坐标；
[0023] 在配准过程中，首先同时扫描参考架和病人头部部分表面（如图3所示），五个目 标点以及整个头部表面点云（如图4所示）全部被扫描到后，利用扫描点云中的五个虚拟 目标点的坐标和参考架上的五个目标点的坐标，计算设备坐标系到病人空间的转换关系， 然后利用这个转换关系将扫描点云直接转换到病人空间；
[0024] 扫描完成后，使用三步配准方法完成两个空间的配准，包括粗配准，外点去除，精 配准,具体包括：
[0025] (1)分别在病人空间和图像空间选取外眺，鼻尖，鼻根四个解剖标记点，然后使用 SVD算法求得一个空间转换关系，得到一个较好的初