CN109512512A - 基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法和装置，所述方法包括以下步骤：获取待手术部位的医学图像；根据医学图像重建出待手术部位的虚拟三维模型，并在虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，其中，机体组织包括头部皮肤、脑功能区、脑皮层和周围血管神经组织；根据虚拟三维模型设计手术治疗路径，避开周围血管神经组织；采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，实现待手术部位的增强现实定位。本发明能够方便有效地实现待手术部位的增强现实定位，辅助术中避免伤害神经、血管、脑功能区等重要部位，大大提高了手术的安全性。

Description

基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法和装置
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法和一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置。
背景技术
神经外科手术的难度较大，因其主要针对中枢神经***，而中枢神经***的解剖结构复杂，加上人脑的机能认识不是很清楚，因此对手术的精细化程度要求很高。颅内病变往往位置较深，手术暴露困难，操作空间狭小，而且病变部位周边解剖结构关系比较复杂，对脑部功能区和血管保护要求较高。目前的影像学手段，如功能磁共振成像、CT、PET-CT等，能提供脑部病灶部位的二维平面信息，周围的脑部神经和主要血管主要依赖与医生对脑部解剖结构的深刻了解和术中各种变异情况的熟知。
发明内容
本发明为解决目前神经外科手术中难以对脑部结构进行熟知，从而导致手术操作困难和可能带来伤害的技术问题，提供了一种基于定位导板的手术增强现实定位的方法和装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，包括以下步骤：获取待手术部位的医学图像；根据所述医学图像重建出所述待手术部位的虚拟三维模型，并在所述虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，其中，所述机体组织包括头部皮肤、脑功能区、脑皮层和周围血管神经组织；根据所述虚拟三维模型设计手术治疗路径，避开所述周围血管神经组织；采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，实现所述待手术部位的增强现实定位。
所述医学图像包括CT图像和MRI图像。
所述医学图像的格式为DICOM格式。
利用不同的颜色标记出不同的机体组织。
采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，具体包括：获取头部皮肤的基准点在所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集；求取所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系之间的旋转和平移变换矩阵，使得来自所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集的同源点间距离最小。
一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，包括：图像获取模块，所述图像获取模块用于获取待手术部位的医学图像；计算机模块，所述计算机模块根据所述医学图像重建出所述待手术部位的虚拟三维模型，并在所述虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，其中，所述机体组织包括头部皮肤、脑功能区、脑皮层和周围血管神经组织，所述计算机模块还根据所述虚拟三维模型设计手术治疗路径，避开所述周围血管神经组织，并采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，实现所述待手术部位的增强现实定位。
所述医学图像包括CT图像和MRI图像。
所述医学图像的格式为DICOM格式。
所述计算机模块利用不同的颜色标记出不同的机体组织。
所述计算机模块具体用于获取头部皮肤的基准点在所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集，并求取所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系之间的旋转和平移变换矩阵，使得来自所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集的同源点间距离最小，以实现实时的头部皮肤位置匹配。
本发明的有益效果：
本发明通过根据医学图像重建出待手术部位的虚拟三维模型，并在虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，以及根据虚拟三维模型设计手术治疗路径，并采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，由此，能够方便有效地实现待手术部位的增强现实定位，辅助术中避免伤害神经、血管、脑功能区等重要部位，大大提高了手术的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法的流程图；
图2为本发明一个具体实施例的手术路径示意图；
图3为本发明实施例的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置的方框示意图。
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做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。
如图1所示，本发明实施例的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，包括以下步骤：
S1，获取待手术部位的医学图像。
其中，待手术部位包括病灶部位和病灶部位附近可能在手术中操作到的部位。
在本发明的一个实施例中，医学图像包括CT图像和MRI图像，医学图像的格式为DICOM格式。
S2，根据医学图像重建出待手术部位的虚拟三维模型，并在虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，其中，机体组织包括头部皮肤、脑功能区、脑皮层和周围血管神经组织。
在本发明的一个实施例中，可通过计算机软件，如VTK等重建待手术部位的虚拟三维模型。
在本发明的一个实施例中，可利用不同的颜色标记出不同的机体组织。
S3，根据虚拟三维模型设计手术治疗路径，避开周围血管神经组织。
也就是说，在虚拟三维模型中所选择的手术治疗路径，以能够避开周围血管神经组织为准。举例而言，脑部浅表肿瘤块切除的手术路径可如图2所示。
S4，采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，实现待手术部位的增强现实定位。
在神经外科术中医生可带上MR眼镜，对虚拟三维模型和真实术中病人头部皮肤实时匹配并显示。
头部皮肤位置匹配可采用三维点云匹配的方法，具体地，可获取头部皮肤的基准点在虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集，然后求取虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系之间的旋转和平移变换矩阵，使得来自虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集的同源点间距离最小。
点云配准是通过计算得到完美的坐标变换，将处于不同视角下的点云数据经过旋转平移等刚性变换统一整合到指定坐标系之下的过程。在本发明的一个具体实施例中，基准点在CT图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集P＝{Pi,i＝0,1,2,…,k}及Q＝{Qi,i＝0,1,2,…,n}。其中，Q与P元素间不必存在一一对应关系，元素数目亦不必相同，设k≥n。配准过程就是求取两个坐标系间的旋转和平移变换矩阵，使得来自Q与P的同源点间距离最小。
假设用Qi,i＝1,2,3,…表示第一个点集，Pi,i＝1,2,3,…表示第二个点集。两个点集的对齐配准转换为使下列目标函数最小：
其中，旋转矩阵R和平移矩阵T，就是找到的待配准点云数据与参考点云数据之间的旋转参数和平移参数，使得两点集数据之间满足某种度量准则下的最优匹配。
本发明实施例应用的ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点)配准过程如下：
1.计算P中的每一个点在Q点集中的对应最近点。
2.求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移参数和旋转参数。
3.对P使用上一步求得的平移和旋转参数，得到新的变换点集P′。
4.如果新的变换点集与参考点集满足上面目标函数要求，即两点集的平均距离小于某一给定阈值，则停止迭代计算，否则新的变换点集P′作为新的P继续迭代，直到达到目标函数的要求。
当头部皮肤位置配准后，医生可实时、准确判断病灶的边界和形态，判断病灶和神经纤维束、脑功能区、脑皮层之间的毗邻关系。
根据本发明实施例的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，通过根据医学图像重建出待手术部位的虚拟三维模型，并在虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，以及根据虚拟三维模型设计手术治疗路径，并采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，由此，能够方便有效地实现待手术部位的增强现实定位，辅助术中避免伤害神经、血管、脑功能区等重要部位，大大提高了手术的安全性。
对应上述实施例的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，本发明还提出一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置。
如图3所示，本发明实施例的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，包括图像获取模块10和计算机模块20，其中，图像获取模块10用于获取待手术部位的医学图像；计算机模块20根据医学图像重建出待手术部位的虚拟三维模型，并在虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，其中，机体组织包括头部皮肤、脑功能区、脑皮层和周围血管神经组织，计算机模块20还根据虚拟三维模型设计手术治疗路径，避开周围血管神经组织，并采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，实现待手术部位的增强现实定位。
其中，待手术部位包括病灶部位和病灶部位附近可能在手术中操作到的部位。
在本发明的一个实施例中，医学图像包括CT图像和MRI图像，医学图像的格式为DICOM格式。
在本发明的一个实施例中，计算机模块20可通过运行计算机软件，如VTK等重建待手术部位的虚拟三维模型。
在本发明的一个实施例中，计算机模块20可利用不同的颜色标记出不同的机体组织。
对于手术治疗路径，以能够避开周围血管神经组织为准。举例而言，脑部浅表肿瘤块切除的手术路径可如图2所示。
在本发明的一个具体实施例中，图像获取模块10可为CT机或MRI机，或具备CT机或MRI机中核心部件从而能够获取待手术部位的CT图像或MRI图像的功能模块。计算机模块20可为个人计算机，或具备个人计算机核心部件从而能够运行相关软件以实现虚拟三维模型重建和处理的功能模块。
在神经外科术中，医生除利用上述装置外，还可戴上MR眼镜，对虚拟三维模型和真实术中病人头部皮肤实时匹配并显示。
头部皮肤位置匹配可采用三维点云匹配的方法，具体地，计算机模块20可获取头部皮肤的基准点在虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集，并求取虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系之间的旋转和平移变换矩阵，使得来自虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集的同源点间距离最小，以实现实时的头部皮肤位置匹配。
点云配准是通过计算得到完美的坐标变换，将处于不同视角下的点云数据经过旋转平移等刚性变换统一整合到指定坐标系之下的过程。在本发明的一个具体实施例中，基准点在CT图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集P＝{Pi,i＝0,1,2,…,k}及Q＝{Qi,i＝0,1,2,…,n}。其中，Q与P元素间不必存在一一对应关系，元素数目亦不必相同，设k≥n。配准过程就是求取两个坐标系间的旋转和平移变换矩阵，使得来自Q与P的同源点间距离最小。
假设用Qi,i＝1,2,3,…表示第一个点集，Pi,i＝1,2,3,…表示第二个点集。两个点集的对齐配准转换为使下列目标函数最小：
其中，旋转矩阵R和平移矩阵T，就是找到的待配准点云数据与参考点云数据之间的旋转参数和平移参数，使得两点集数据之间满足某种度量准则下的最优匹配。
本发明实施例应用的ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点)配准过程如下：
1.计算P中的每一个点在Q点集中的对应最近点。
2.求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移参数和旋转参数。
3.对P使用上一步求得的平移和旋转参数，得到新的变换点集P′。
4.如果新的变换点集与参考点集满足上面目标函数要求，即两点集的平均距离小于某一给定阈值，则停止迭代计算，否则新的变换点集P′作为新的P继续迭代，直到达到目标函数的要求。
当头部皮肤位置配准后，医生可实时、准确判断病灶的边界和形态，判断病灶和神经纤维束、脑功能区、脑皮层之间的毗邻关系。
根据本发明实施例的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，通过计算机模块根据医学图像重建出待手术部位的虚拟三维模型，并在虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，以及根据虚拟三维模型设计手术治疗路径，并采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，由此，能够方便有效地实现待手术部位的增强现实定位，辅助术中避免伤害神经、血管、脑功能区等重要部位，大大提高了手术的安全性。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待手术部位的医学图像；
根据所述医学图像重建出所述待手术部位的虚拟三维模型，并在所述虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，其中，所述机体组织包括头部皮肤、脑功能区、脑皮层和周围血管神经组织；
根据所述虚拟三维模型设计手术治疗路径，避开所述周围血管神经组织；
采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，实现所述待手术部位的增强现实定位。
2.根据权利要求1所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，其特征在于，所述医学图像包括CT图像和MRI图像。
3.根据权利要求2所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，其特征在于，所述医学图像的格式为DICOM格式。
4.根据权利要求3所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，其特征在于，利用不同的颜色标记出不同的机体组织。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的方法，采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，具体包括：
获取头部皮肤的基准点在所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集；
求取所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系之间的旋转和平移变换矩阵，使得来自所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集的同源点间距离最小。
6.一种基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，其特征在于，包括：
图像获取模块，所述图像获取模块用于获取待手术部位的医学图像；
计算机模块，所述计算机模块根据所述医学图像重建出所述待手术部位的虚拟三维模型，并在所述虚拟三维模型中标记出不同的机体组织，其中，所述机体组织包括头部皮肤、脑功能区、脑皮层和周围血管神经组织，所述计算机模块还根据所述虚拟三维模型设计手术治疗路径，避开所述周围血管神经组织，并采用点云匹配的方法进行实时的头部皮肤位置匹配，实现所述待手术部位的增强现实定位。
7.根据权利要求6所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，其特征在于，所述医学图像包括CT图像和MRI图像。
8.根据权利要求7所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，其特征在于，所述医学图像的格式为DICOM格式。
9.根据权利要求8所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，其特征在于，所述计算机模块利用不同的颜色标记出不同的机体组织。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的基于点云匹配的神经外科术中增强现实定位的装置，其特征在于，所述计算机模块具体用于获取头部皮肤的基准点在所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集，并求取所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系之间的旋转和平移变换矩阵，使得来自所述虚拟三维模型图像坐标系及世界坐标系下的坐标点集的同源点间距离最小，以实现实时的头部皮肤位置匹配。
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