一种医学图像标记点自动识别方法、电子设备及存储介质与流程

1.本发明涉及医学图像标记点识别技术领域，特别是涉及一种医学图像标记点自动识别方法、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.在手术导航定位系统中存在多个坐标系，在进行手术时需要将多个坐标系统一到同一坐标系下，此过程称之为配准。在导航手术流程中，配准是必不可少的重要组成部分，现有技术中配准的方式有两种，第一种是基于表面，第二种是基于标记点。标记点是计算机辅助手术系统中实现定位的物体，有些标记点直接附着在人体表面，有些标记点则固定在定位工具上。因此要实现配准必须要对标记点进行识别。
3.现有专利文献cn113744328a披露了一种医学图像标记点识别方法，包括：读取三维医学图像；从三维医学图像中确定候选连通域；以候选连通域在至少一个截面的边缘进行圆形拟合，并确定拟合圆与边缘的相似程度；若相似程度小于第二预设阈值的候选连通域识别为标记点。该方法无法排除ct值处于第一预设范围的连通区域的影响，对结构材料ct值有着较为严格的限制，另外，该方法也没有考虑到由于扫描切片间距的影响导致连通域切片不经过球心的情况，且也没有考虑到圆形结构件对标记点识别的影响。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种医学图像标记点自动识别方法、电子设备及存储介质，能够准确、快速对医学图像中的标记点进行自动识别。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种医学图像标记点自动识别方法，包括以下步骤：
6.获取带有标记点的三维医学图像数据，其中，所述标记点采用半球形结构；
7.判断所述三维医学图像数据的扫描切片间距是否小于阈值；
8.当所述三维医学图像数据的扫描切片间距小于阈值时，利用连通域体积和中心位置对所述标记点进行定位；
9.当所述三维医学图像数据的扫描切片间距大于或等于阈值时，利用连通域面积与标记点球心半径半圆面积的关系对所述标记点进行定位。
10.所述判断所述三维医学图像数据的扫描切片间距是否小于阈值前，还包括：
11.对所述三维医学图像数据进行预处理，所述预处理过程包含有中值滤波、灰度化处理、阈值二值化、图像形态学运算和孔洞填充。
12.所述利用连通域体积和中心位置对所述标记点进行定位具体为：
13.对所述三维医学图像数据在xyz三个方向进行降采样处理；
14.对降采样处理后的三维医学图像数据进行三维连通域分析，提取出对应的连通域中心位置和连通域体积，根据各个连通域体积与所述标记点的半球体积的关系选择所述标记点的候选点，得到候选点集合l11；
15.将所述候选点集合l11中的点作为种子点，在降采样处理后的三维医学图像数据中进行邻域区域生长，计算每个种子点生长的连通区域所包含的像素数量和中心坐标位置，同时计算每个连通区域中心坐标之间的相对距离，若存在相对距离小于或等于标记点物理距离的另外一个连通区域，则将该两个连通区域的中心坐标作为标记点的二次候选点，得到二次候选点集合l12；
16.根据二次候选点集合l12中点的坐标位置寻找与目标点对应的标记点
17.所述根据各个连通域体积与所述标记点的半球体积的关系选择所述标记点的候选点具体为：若连通域体积*像素分辨率*降采样比例小于或等于所述标记点的半球体积，则将该连通域中心位置的坐标作为所述标记点的候选点。
18.所述利用连通域面积与标记点球心半径半圆面积的关系对所述标记点进行定位具体为：
19.对所述三维医学图像数据进行二维连通域分析，提取出对应的连通域的中心位置和连通域面积，根据各个连通域面积与所述标记点的半球最大圆面积的关系选择所述标记点的候选点，得到候选点集合l21；
20.计算候选点集合l21中每个连通域的中心位置坐标之间的相对距离，若存在相对距离小于或等于标记点物理距离的另外一个连通域，则将该两个连通域的中心坐标作为标记点的二次候选点，得到二次候选点集合l22；
21.对所述二次候选点集合l22中的连通域的中心位置坐标点求z方向的偏差，采用所述z方向的偏差对所述二次候选点集合l22中的连通域的中心位置坐标点进行修正，得到三次候选点集合l23；
22.根据所述三次候选点集合l23的点的坐标位置寻找目标点对应的标记点。
23.所述根据各个连通域面积与所述标记点的半球最大圆面积的关系选择所述标记点的候选点具体为：若连通域面积*像素分辨率小于或等于所述标记点的半球最大圆面积，则将该连通域的中心坐标作为所述标记点的候选点。
24.所述对所述二次候选点集合l22中的连通域的中心位置坐标点求z方向的偏差时，通过计算连通域的中心位置坐标点求z方向的偏差，其中，δz为z方向的偏差，area表示标记点的半球最大圆面积，area表示连通域面积。
25.所述的医学图像标记点自动识别方法还包括：对查找出的标记点的中心坐标进行平面化过程，并将所述标记点的坐标投影到拟合平面上，并求解出投影点的坐标。
26.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述医学图像标记点自动识别方法的步骤。
27.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述医学图像标记点自动识别方法的步骤。
28.有益效果
29.由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明根据扫描切片间距采用不同的方式对标记点进行定位，在扫描切片间距较小时，利用连通域体积和中心位置信息对标记点进行定位，整个过程无需进行球拟合和球判定，
更为方便快捷，本发明还利用降采样过程求取种子点，基于种子点进行区域生长，如此可以减小数据运算量，提高标记点自动识别的速度；在扫描切片间距较大时，利用连通域面积与球心半径半圆面积的关系对标记点进行定位，能够保证标记点质心定位的准确性。另外，本发明采用半球形结构的标记点可以使得标记点执行定位更精细化。
附图说明
30.图1是本发明第一实施方式的流程图；
31.图2是本发明第一实施方式中预处理的流程图；
32.图3是本发明第一实施方式中精细化定位示意图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
34.本发明的第一实施方式涉及一种医学图像标记点自动识别方法，如图1所示，包括以下步骤：获取带有标记点的三维医学图像数据，其中，所述标记点采用半球形结构；判断所述三维医学图像数据的扫描切片间距是否小于阈值；当所述三维医学图像数据的扫描切片间距小于阈值时，利用连通域体积和中心位置对所述标记点进行定位；当所述三维医学图像数据的扫描切片间距大于或等于阈值时，利用连通域面积与标记点球心半径半圆面积的关系对所述标记点进行定位。具体包括以下内容：
35.步骤1，读取带有标记点的三维医学dicom图像，并记为data1；本步骤中，标记点采用半球形结构，半球形结构的标记点设计安装方便，且更容易实现标记点质心的精细化定位。
36.步骤2，对data1进行数据预处理，预处理过程如图2所示，包含有中值滤波、灰度化处理、阈值二值化、图像形态学运算、孔洞填充过程，处理之后的数据记为data2。
37.步骤3，当data2的扫描切片间距很小(即小于阈值)时，按照步骤4-步骤7进行标记点自动识别过程；当扫描切片间距较大(即大于或等于阈值)时，此时只存在一个切片数据包含有标记点数据，按照步骤8-步骤11进行标记点的自动识别过程。本步骤中的阈值可以自行设置，本实施方式中阈值＝标记点直径*0.8，也就是说，当扫描切片间距＜标记点直径*0.8时，表示扫描切片间距很小，当扫描切片间距≥标记点直径*0.8时，表示扫描切片间距较大。
38.步骤4，对data2的xyz三个方向进行降采样处理，降采样比例记为r1，将降采样后的三维数据记为data3。
39.步骤5，对data3进行三维连通域分析，提取出对应的连通域中心位置(center_x,center_y,center_z)、连通域体积volumn，通过比较连通域体积与标记点半球实际尺寸体积的关系，实现标记点的初定位。若连通域体积*像素分辨率*r1≤标记点的半球体积，则将该连通域的中心坐标作为标记点的候选点，候选点的集合记为l11。
40.步骤6，将候选点集合l11中的点作为种子点，在data2中进行26邻域区域生长，计
算每个种子点生长的连通区域所包含的像素数量和中心坐标位置，同时计算每个连通区域中心坐标之间的相对距离，若存在相对距离≤标记点物理距离的另外一个连通区域，则将该两个连通区域的中心坐标作为标记点的二次候选点，二次候选点的集合记为l12。
41.步骤7，根据二次候选点集合l12中点的坐标位置寻找与目标点对应的图像标记点。
42.步骤8，对data2进行二维连通域分析，提取初对应连通域的中心位置(center_x,center_y)、连通域面积area，通过比较连通域面积area与标记点半球最大面积area之间的关系，实现标记点的初定位。若连通域面积*像素分辨率≤标记点的半球最大面积，则将连通域的中心坐标作为标记点的候选点，候选点的集合记为l21。
43.步骤9，计算候选点集合l21中每个连通域中心坐标之间的相对距离，若存在相对距离≤标记点物理距离的另外一个连通域，则将两个连通域的中心坐标作为标记点的二次候选点，二次候选点的集合记为l22。
44.步骤10，对二次候选点的集合l22中的中心坐标点求出z方向偏差δz，并根据z方向偏差δz实现标记点中心位置的精细化定位，即采用z方向偏差δz对二次候选点的集合l22中的中心坐标点进行修正，得到三次候选点的集合，并记为l23，其中，本实施方式中修正时是将集合l22中候选点的坐标z方向增加δz(x、y方向坐标不变)得到三次候选点集合l23，由于扫描切片只能扫描到半球的一张切片，该切片无法保证是过球心的切面，因此通过计算实时切片圆心与球心之间的距离进行修正，由于只有一张切片，因此该距离δz肯定小于扫描数据z方向的分辨率。
45.步骤11，根据三次候选点的集合l23中的点的坐标位置寻找与目标点对应的图像标记点。
46.步骤12，对查找出标记点的中心坐标进行平面化过程，该平面化过程可以采用最小二乘法拟合平面，同时将标记点坐标投影到拟合平面上，求解出相对应的投影点，该投影点即为最终的标记点识别的结果。
47.其中，对标记点的中心坐标进行平面化过程具体如下：
48.对于得到的四个标记点数据，设拟合出的平面方程为：
49.ax+by+cz+d＝0
ꢀꢀ
(1)
50.约束条件为：
51.a2+b2+c2＝1
ꢀꢀ
(2)
52.可以得到平面参数a、b、c、d。此时，要使获得的拟合平面是最佳的，就需要使得k个临近点到平面的距离的平方和最小，即满足：
[0053][0054]
式中，di是数据中任一点pi(xi,yi,zi)到这个平面的距离。
[0055]di
＝|axi+byi+czi+d|。
[0056]
要使e
→
min，可以用svd矩阵分解得到。
[0057]
推导过程如下：
[0058]
所有点的平均坐标为则：
[0059]
[0060]
式(1)和式(4)相减得到：
[0061][0062]
假设矩阵：列矩阵：
[0063]
则式(5)等价于：
[0064]
ax＝0 (6)
[0065]
理想情况下，所有点都在平面上，式(6)成立。实际情况下，有部分点在平面外，拟合的目的为平面距离所有点的距离之和尽量小，所以目标函数为：
[0066]
min||ax||
ꢀꢀ
(7)
[0067]
约束条件为：
[0068]
||x||＝1
ꢀꢀ
(8)
[0069]
若a可做奇异值分解：
[0070]
a＝udv
t
ꢀꢀ
(9)
[0071]
则：
[0072]
||ax||＝||udv
t
x||＝||dv
t
x||
ꢀꢀ
(10)
[0073]
其中，v
t
x为列矩阵，并且：
[0074]
||v
t
x||＝||x||＝1
ꢀꢀ
(11)
[0075]
因为d的对角元素为奇异值，假设最后一个对角元素为最小奇异值，则当且仅当：
[0076][0077]
式(10)可以取得最小值，即式(7)成立。此时：
[0078][0079]
目标函数(7)在约束条件(8)下的最优解为：
[0080]
x＝(a,b,c)＝(v
n,1
,v
n,2
,v
n,3
)
ꢀꢀ
(14)
[0081]
所以，e的最小值就是矩阵a的最小特征值，对应的特征相连为平面参数a、b和c，利用质心可求得d。
[0082]
标记点在拟合平面上投影，具体如下：
[0083]
给定的平面plane的方程为：a
′
x+b
′
y+c
′
z+d
′
＝0，过标记点vi到平面plane的垂足记作vi′
(x,y,z)，则直线v
ivi
′
与平面的法向量平行，直线v
ivi
′
的参数方程为：
[0084]
将点(x,y,z)代入平面方程，求出：再将t代入直线的参数方程就可以求出投影点vi′
(x,y,z)。
[0085]
不难发现，本发明根据扫描切片间距采用不同的方式对标记点进行定位，在扫描切片间距较小时，利用连通域体积和中心位置信息对标记点进行定位，整个过程无需进行球拟合和球判定，更为方便快捷，本发明还利用降采样过程求取种子点，基于种子点进行区域生长，如此可以减小数据运算量，提高标记点自动识别的速度；在扫描切片间距较大时，利用连通域面积与球心半径半圆面积的关系对标记点进行定位，能够保证标记点质心定位的准确性。另外，本发明采用半球形结构的标记点可以使得标记点执行定位更精细化。
[0086]
本发明的第二实施方式涉及一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现医学图像标记点自动识别方法，该方法包括以下步骤：获取带有标记点的三维医学图像数据，其中，所述标记点采用半球形结构；判断所述三维医学图像数据的扫描切片间距是否小于阈值；当所述三维医学图像数据的扫描切片间距小于阈值时，利用连通域体积和中心位置对所述标记点进行定位；当所述三维医学图像数据的扫描切片间距大于或等于阈值时，利用连通域面积与标记点球心半径半圆面积的关系对所述标记点进行定位。
[0087]
另外，在本发明中的各功能可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，还可以将两个或两个以上单元集成在一个处理单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0088]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或网络设备等)执行本发明实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序代码的介质。