一种手术导航图像自动注册设备以及方法与流程
本发明涉及医学图像处理技术领域，特别涉及一种手术导航图像自动注册设备及方法。
背景技术：
随着社会科学的发展，医疗技术也在不断的创新和突破。现在的临床诊断和治疗中对精准性要求越来越高。过去的疾病的诊断往往依靠临床医生丰富的个人经验，诊断和手术治疗的准确性和成功率往往不高，而结合医学影像的手术导航的出现能够最大程度的辅助医生完成高难度的手术。目前手术导航广泛应用于外科手术和介入治疗术中，也被普遍认为是最佳的解决方案。在脑立体定向手术、神经外科手术、放射介入诊疗手术等复杂手术中均采用手术导航进行精准治疗。
手术导航系统的原理是将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。手术导航系统主要以ct，mri和超声等图像为基础，在电脑导航系统中显示图像和器械的运动。
然而在电磁手术导航中注册(registration：将物体在真实空间/物理空间中的特征点，与该物体在虚拟空间/图像空间中的特征点进行精确匹配，找出不同空间坐标系的匹配关系，从而建立不同空间坐标系的统一，并将真实空间下物体间的相对位置信息真实反应到虚拟空间中，这一过程称之为注册。)的准确性是手术准确和成功最重要的直接因素，高精度的注册才能保证定位的准确性，在这个过程中，需要在物理空间和图像空间中选取特定的位置作为注册的两组坐标集合，目前实践上的一般做法是：
1、对贴有标记物的人体进行医学图像采集，获得图像后，将人体从医学成像设备中推出，在保持贴着标记物的状态下，将人体推送至磁导航仪旁边，等待下一步处理；
2、手动对图像进行多次局部的放大，通过观察，寻找并识别出图像中的某个标记物(landmark或fiducialmarker)，并选取该标记物的某个位置(如顶点)作为特征点，读出图像中特征点的坐标；
3、寻找到人体身上贴着的该对应的标记物实体，手持装有位置传感器(位置传感器连接磁导航仪)的设备，将位置传感器贴近该标记物的顶点，以获得该标记物的特征点在物理空间的大致坐标；
4、对特征点在物理空间坐标系下的大致坐标，与在图像坐标系下的坐标进行注册。
5、对这一对坐标进行注册完成，然后再执行同样的操作，选取图像中的下一个标记物，找出图像中的特征点坐标，然后在物理空间上准确找到该标记物，用位置传感器读取该特征点在物理空间上的大致坐标，再进行注册。
上述方法过于依赖人工手动操作，效率低(需要先选取一个图像中的标记物，然后人为在物理空间的人体身上找到对应的该标记物，然后将位置传感器靠近标记物；完成一个标记物特征点注册后，再执行相同动作寻找下一个标记物)、容易出错(若物理空间找到的标记物并非图像中显示的该对应的标记物，则之前执行的注册流程都将失去意义)，而且精度低(由于是手动的、一次次地将位置传感器贴近标记物，误差极大)。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：如何通过改进现有的设备以及方法，以更好地实现图像的自动注册，提高手术导航的精准度和效率。
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种手术导航图像自动注册设备及方法，本发明的技术方案是这样实施的：
一种手术导航图像自动注册设备，包括：
多个可拆卸地附于人体表面的标记物，所述标记物与人体表面局部区域保持一定值间距或保持贴靠于人体；
多个位置传感器，当每个位置传感器与每个标记物绑定后，位置传感器与标记物保持一定值间距以及保持固定的位置对应关系；
磁导航仪，用于检测所述位置传感器的物理空间坐标；
医学成像设备，用于获取附带有标记物的人体的图像；
计算机，该计算机安装有图像注册系统，所述计算机用于采集所述磁导航仪的位置数据，以及获取所述医学成像设备的图像信息。
优选地，所述标记物以及所述位置传感器通过扣接组件实现相互绑定；
所述扣接组件包括用于容纳所述位置传感器的上扣部。
优选地，所述上扣部设置有开口，供所述磁导航仪通过数据线与所述位置传感器电性连接；所述扣接组件为子母扣；所述上扣部为母扣；所述标记物为子扣。
优选地，所述医学成像设备为ct或者核磁共振成像设备，用于对附着有标记物的人体特定区域进行扫描，并将扫描后所得的图像传输给所述计算机；所述标记物在图像中的亮度值大于人体组织器官。
一种应用所述注册设备的手术导航图像自动注册方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
s1：假设人体物理空间坐标系下的点集为a＝{ai|i＝1,2,...,n}，计算机获取多个位置传感器在物理空间坐标系下的点集p＝{pi|i＝1,2,...,n}，
s2：对所述图像进行灰度信息分割处理，利用标记物在图像中的亮度特征，自动识别出图像内标记物所在的区域；
s3：假设图像的图像坐标系的点集为b＝{bi|i＝1,2,...,n}，自动获得图像中每个标记物的特定部位在所述图像坐标系下的坐标点集q＝{qi|i＝1,2,...,n}，
s4：a、b点集中的元素满足双射关系，于是a和b存在变换的对应关系t，使得bi＝tai；而已知的点集p和点集q也存在变换的对应关系t，即qi＝tpi；据此获得对应关系t；
s5：将该对应关系t应用于bi＝tai，图像注册系统自动完成物理空间坐标系与图像空间坐标系的注册。
优选地，在执行步骤s1前，先依次执行以下步骤：
s0.1：通过医学成像设备对附有多个标记物的人体进行图像采集；
s0.2：将多个位置传感器与所述标记物随机地一一绑定；
s0.3：磁导航仪收集多个位置传感器的坐标信息并将坐标信息送至计算机。
优选地，在步骤s4中，通过以下步骤找到pi和qi变换的对应关系t：
s4.1：通过p、q点集中元素的空间坐标拓扑结构关系建立描述每个点的描述算子
s4.2：利用点的描述算子作为搜索条件在另一个点集中找到最佳匹配点，即计算两个描述算子的最小差
s4.3：对应点对直接通过注册方法得到p、q点集的对应关系t，使得qi＝tpi。
优选地，还包括以下可提高注册精度的步骤：
s6：通过公式计算出注册误差值fre：
其中dist(qi,tpi)计算图像空间中标记物的特定部位qi和物理空间中pi点经过空间变换t后的欧氏距离；
s7：设定误差允许阈值l，当注册误差fre≥l时，重新执行步骤s1～s7，直到fre＜l。
优选地，步骤s3中，获得每个标记物的特定部位在所述图像坐标系下的坐标点集q的步骤包括：
s3.1：获得某一标记物的在图像坐标系下的区域点集r＝{ri|i＝1,2,...,n}；
s3.2：算出该标记物在图像坐标下的中心点坐标c，即
s3.3：再计算该标记物中轴线上另一个点，
s3.4：遍历区域点集r，以离中轴线越近，且离中心坐标点c越远的点，作为选定的标记物的特定部位，获得该特定部位的坐标点qi；
s3.5：遍历所有所述图像，对图像坐标下的每一个标记物执行步骤s3.1～s3.4的操作，获得完整的坐标点集q。
实施本发明的有益效果是：
1、在对附有标记物的人体进行图像采集后，将多个位置传感器与所述多个标记物实行随机的绑定，通过执行自动注册方法，实现物理空间坐标系与图像坐标系的自动注册，相比于现有技术，省去了后续图像注册中人工匹配的流程；
2、当发明标记物和位置传感器绑定的方式采取扣接时，相比于粘贴或者旋接等其他方式，确保每一对标记物和位置传感器具有相同的连接方式和确定的接触位置，使得二者具有固定的空间距离；
3、通过算法，可自动获取标记物的特定部位的坐标点，相较于人工操作，提高了精度和效率；
4、通过阈值l对注册误差进行控制，确保了手术导航的精度；
5、采取子母扣的连接方式，当标记物为子扣形态时，结合算法，更容易算出它的特定部位的坐标点，提高了运算的速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为利用特征点在物理空间坐标系和图像坐标系注册的原理示意图；
图2为一个实施例中，位置传感器和标记物的固定方式示意图；
图3为一个实施例中，扣接组件的应用示意图；
图4为一个实施例中，上扣部为母扣时的底面结构示意图；
图5为图4中的a-a视角的截面结构示意图；
图6为一个实施例中，标记物为子扣时的结构示意图。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
1-扣接组件，11-上扣部，12-下扣部，2-人体表面区域，3-数据线，4-磁导航仪，5-薄片，6-位置传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种手术导航图像自动注册设备，包括：
多个可拆卸地附于人体表面的标记物，所述标记物与人体表面局部区域保持一定值间距或保持贴靠于人体；
多个位置传感器，当每个位置传感器与每个标记物绑定后，位置传感器与标记物保持一定值间距以及保持固定的位置对应关系；
磁导航仪，用于检测所述位置传感器的物理空间坐标；
医学成像设备，用于获取附带有标记物的人体的图像；
计算机，该计算机安装有图像注册系统，所述计算机用于采集所述磁导航仪的位置数据，以及获取所述医学成像设备的图像信息。
本领域技术人员可根据不同原理(超声成像技术、x射线成像技术、核磁共振成像技术和核医学成像技术)的医学成像设备在现有技术中选取相应材质的标记物，该标记物应具有在医学成像中可被高亮显影的特点。在一些实施例中，如ct成像，所述标记物一般情况下采取薄片，材质可以采取钛合金，钛合金对x光散射小，可以在ct图像中清晰显示；当然，这仅是标记物的一个实施例，在其他成像场合中，可根据该领域内的现有技术来选取标记物的材质，设计其形状。
标记物可以直接贴附在人体表面，也可以依附在其他绑定装置(如申请号为201620566755.2的文献公开的约束带)上，从而实现和人体表面的间接绑定，无论何种连接/绑定方式，只要能使得标记物与人体表面的局部区域在图像注册过程中保持着固定距离即可，这样在物理空间坐标下，标记物将于人体表面的对应区域具有位置对应关系，使得图像坐标系下，图像中的标记物也和人体表面的对应区域具有相同的距离关系。
同理，标记物和位置传感器也可以借鉴现有技术，采取多种方式进行连接/绑定，只要能使得每组标记物和位置传感器的相对位置、距离保持不变即可；图2示出了一种实施例：将标记物和位置传感器直接进行粘结，以绑定二者；在另外的应用场合，标记物可以包裹位置传感器，或者标记物和位置传感器同时被另外的固定组件所包裹，在此不作赘述。
因此，标记物和人体表面对应区域的位置、距离是固定的，位置传感器和对应的标记物的位置、距离也是固定的；只要通过磁导航仪得到物理空间坐标系下位置传感器的坐标信息，通过图像处理得到图像坐标下技术标记物的坐标信息，即可实现图像的注册，从而在图像坐标系下，获知位置传感器和人体的位置关系。
关于图像注册系统，可以应用现有的技术设备和算法，如公开号为cn102629376a、cn102005047a、cn103957832a、cn104008269a等文献均有相关记载。
下面通过举例，进一步说明本发明所述设备的运用：
1.患者贴上作为标记点的标记物(见附图3)，标记物至少4个，位置不共面，各标记物间距离保持差异，拍ct图像；
2.打开电磁导航设备(含磁导航仪)，将位置传感器和标记物随机绑定，打开电磁跟踪设备，将电磁跟踪设备置于能够定位到位置传感器的合适位置；
3.执行标记物自动识别功能，获取标记物特定区域在图像空间中的坐标(下文将进行详细说明)；
4.初始化各个位置传感器设备，获取位置传感器位置坐标；
5.执行本发明的自动注册算法(下文将进行详细说明)，得到电磁物理空间到图像空间坐标转换关系；
6.将需要跟踪的设备的物理空间位置通过转换关系呈现在图像空间中，完成手术器械设备(该设备中设置有连接到磁导航仪的磁定位传感器，因此可以获知物理空间坐标系下手术器械设备的坐标信息，从而将该坐标信息转换到图像空间中)的准确定位；
7.进行电磁手术导航操作，通过可视化病人身体病变部位和手术器械设备而进行手术。
在一个优选实施例中，所述标记物以及所述位置传感器通过扣接组件实现相互绑定；所述扣接组件包括可容纳所述位置传感器的上扣部。标记物和位置传感器绑定的方式采取扣接，除了前述的好处外，也便于解绑的操作。标记物与上扣部可以直接相连，体现在标记物本身就可以和上扣部进行扣接。标记物、上扣部可以设计为常见的扣接物的形态，在此不作展开。标记物与上扣部可以间接相连，体现在一些应用场合下，扣接组件还包括下扣部，上扣部与下扣部进行扣接，上扣部中设有位置传感器(起到保护位置传感器的作用，避免位置传感器受直接碰撞)，下扣部内设置有标记物(起到保护标记物的作用，避免标记物被磨损)。
磁导航仪与位置传感器的连接方式可以是有线的也以是无线的，本领域技术人员可根据实际需要灵活运用现有技术。在一个优选实施例中，所述上扣部设置有开口，供所述磁导航仪通过数据线与所述位置传感器电性连接；所述扣接组件为子母扣；所述上扣部为母扣；所述标记物为子扣。
图3～图6以一种结构体现了上述实施例：扣接组件1包括上扣部11和下扣部12，上扣部11内有腔体，腔体内放置有位置传感器6，位置传感器6通过数据线3连接到磁导航仪4，下扣部12本身就是标记物，作为子扣的标记物固定在面积较大的方形薄片5上面，方形薄片5下面可拆卸地贴在人体表面2，这样便于标记物保持与人体表面2的相对固定。
在一个优选实施例中，所述医学成像设备为ct或者核磁共振成像设备，用于对附着有标记物的人体特定区域进行扫描，并将扫描后所得的图像传输给所述计算机；所述标记物在图像中的亮度值大于人体组织器官。本领域技术人员可根据现有技术自由选择合适材质的标记物而应用于本实施例，主要须满足该种材质的标记物经医学成像后，图像中的标记物相比于图像中的人体组织器官，具有更高的亮度值的条件。
与手术导航图像自动注册设备相匹配地，本发明还披露了一种应用所述自动注册设备的手术导航图像自动注册方法，包括以下步骤：
s1：假设人体物理空间坐标系下的点集为a＝{ai|i＝1,2,...,n}，计算机获取多个位置传感器在物理空间坐标系下的点集p＝{pi|i＝1,2,...,n}，
s2：对所述图像进行灰度信息分割处理，利用标记物在图像中的亮度特征，自动识别出图像内标记物所在的区域；
s3：假设图像的图像坐标系的点集为b＝{bi|i＝1,2,...,n}，自动获得图像中每个标记物的特定部位(即特征点)在所述图像坐标系下的坐标点集q＝{qi|i＝1,2,...,n}，
s4：a、b点集中的元素满足双射关系，于是a和b存在变换的对应关系t，使得bi＝tai；而已知的点集p和点集q也存在变换的对应关系t，即qi＝tpi；据此获得对应关系t；
s5：将该对应关系t应用于bi＝tai，图像注册系统自动完成物理空间坐标系与图像空间坐标系的注册。
该注册方法中，对图像进行灰度信息分割处理所涉及的算法，识别出图像内标记物所在的区域(相对于背景具有高亮值的区域)所涉及的算法，可以采用现有技术，在此不作展开。
在一个优选实施例中，在执行步骤s1前，先依次执行以下步骤：
s0.1：通过医学成像设备对附有多个标记物的人体进行图像采集；
s0.2：将多个位置传感器与所述标记物随机地一一绑定；
s0.3：磁导航仪收集多个位置传感器的坐标信息并将坐标信息送至计算机。
步骤s0.2的意义在于，通过随机地将位置传感器与标记物进行绑定，使得多个位置传感器与多个标记物在进行注册运算之前就同时建立起一一对应的关系，这种关系体现为唯一的、固定的距离以及固定的相对方位；现有技术的缺陷在于，操作者需要先对一对图像中和物理空间中的标记物进行运算注册，再对下一对图像中和物理空间中的标记物进行运算注册，这样的过程中当贴于人体的标记物数量庞大且距离接近的时候，操作者必须要花费很多精力识别出图像中和真实环境中相对应的标记物，同时这样的注册方式缺乏充分的自动化。
另外，将标记物和位置传感器进行绑定，其带来的精度更高，每个位置传感器可以单独获得各自的位置信息，从而同时推算出各个标记物特征点的位置信息，执行注册运算所出现的误差主要体现在系统误差上，很好地避免了人为造成的随机误差；现有技术中，操作者将同一位置传感器贴近第一个标记物，推算出第一个标记物特征点的位置信息后，再将该位置传感器贴近第二个标记物，推算出第二个标记物特征点的位置信息，再依次推算出第三、第四个标记物的位置信息…由于将位置传感器依次贴近一个个的标记物，这一行为本身就会存在角度、距离不统一而带来的误差，因此现有技术在执行注册运算时，除了受到系统误差影响外，其受到随机误差的影响会特别严重。
在一个优选实施例中，在步骤s4中，通过以下步骤找到pi和qi变换的对应关系t：
s4.1：通过p、q点集中元素的空间坐标拓扑结构关系建立描述每个点的描述算子
s4.2：利用点的描述算子作为搜索条件在另一个点集中找到最佳匹配点，即计算两个描述算子的最小差
s4.3：对应点对直接通过注册方法得到p、q点集的对应关系t，使得qi＝tpi。
在一个优选实施例中，还包括以下可提高注册精度的步骤：
s6：通过公式计算出注册误差值fre：
其中dist(qi,tpi)计算图像空间中金属标记物的特定部位qi和物理空间中pi点经过空间变换t后的欧氏距离；
s7：设定误差允许阈值l，当注册误差fre≥l时，重新执行步骤s1～s7，直到fre＜l。
在一些实施场合下，位置传感器在磁场中受突发的偶然干扰，以至于传给磁导航仪的位置信息会有偏差，通过执行步骤s6、s7，可自动排除大多数不合理干扰事件，提高了系统的精度。
在一个优选实施例中，步骤s3中，获得每个标记物的特定部位在所述图像坐标系下的坐标点集q的步骤包括：
s3.1：获得某一标记物的在图像坐标系下的区域点集r＝{ri|i＝1,2,...,n}；
s3.2：算出该标记物在图像坐标下的中心点坐标c，即
s3.3：再计算该标记物中轴线上另一个点，
s3.4：遍历区域点集r，以离中轴线越近，且离中心坐标点c越远的点，作为选定的标记物的特定部位，获得该特定部位的坐标点qi；
s3.5：遍历所有x光图像，对图像坐标下的每一个标记物执行步骤s3.1～s3.4的操作，获得完整的坐标点集q。
通过执行s3.1-s3.5，可以精确找到每个标记物的唯一特征点，同时通过自动注册设备执行算法来自动寻找标记物的坐标点集q，相比于人工识别，具有更高的效率和精准度，且可避免错误操作。
在上述实施例中，通过将无序的标记物与位置传感器进行一一绑定，绑定后二者在物理空间上便有了相对应的位置关系，且每组标记物与位置传感器都将有着相同的对应位置关系。而目前临床上注册过程相对繁琐，往往是在患者身上贴上在图像中易于识别的贴片作为标记，采集图像后需要在图像上有序地、手动地选出图像空间中的标记坐标；然后需要依据在图像上标记点坐标的顺序依次选出患者贴片在磁场中对应位置坐标，才能根据两组有序对应的坐标完成注册。由此可知，本发明所述的设备和方法，相比于目前临床上的现有技术有着本质上的区别和更好的效果。
本发明所述的注册设备和方法，适用于人体多个部位，特别是肺部。上述列举的各种实施例，在不矛盾的前提下，可以相互组合实施，本领域技术人员可结合附图和上文对实施例的解释，作为对不同实施例中的技术特征进行组合的依据。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！