一种术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法

摘要

本发明涉及一种术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法，包括以下步骤：1)设置一配准系统，其包括定位器、数据计算模块和互信息图像配准模块；2)术前配置阶段，定位器获取术前三维图像的位置；3)判断定位器是否记录了基准图像及其位置；4)数据计算模块计算定位器与C型臂中心的误差，并将计算出误差的1.5‑2倍作为搜索边界，获取手术中三维图像并保存至搜索边界；5)判断手术中定位器获取三维图像位置是否成功；6)数据计算模块计算手术中三维图像位置与基准图像位置的偏移距离；7)由互信息配准模块对手术中三维图像和基准图像进行互信息精准配准，然后输出精准配准后的图像。本发明配准成本低、配准速度快。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无标志物配准方法，特别是关于一种医学领域中使用的术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法。

背景技术

目前，随着CBCT、o-Arm等手术室三维影像设备的普及，术中获取三维影像成为可能，但此类设备多是移动布置的，移动前后的图像不在同一个坐标系下，如需同时观察就需要对其进行配准。一般配准方法主要按照有无患者标志物分为两大类，患者标志物通常是固定在患者被扫描部分的一个或多个标志，可以在图像上清楚识别，但在手术环境中通常难以安装患者标识物。常规的无标志物三维配准方法多是基于互信息或是基于高精度定位设备的。

基于互信息的配准方法，是利用多组图之间的自然特征进行搜索的，配准成功与否及配准速度受两幅图的初始位置影响，一旦初始位置不良进行互信息搜索时就会占用很长世间甚至无法配准。这个方法一般用于CT工作站上进行术前术后图像的分析比对，对时间效率要求不严格且操作医生多会人工调整图像的初始位置使其近似配准。但手术过程中时间紧，且由于消毒的原因医生不方便精细的操作来手工调整图像初始位置。

基于高精度定位设备是利用成像设备成的三维影像的空间位置与成像设备位置存在固定关系，使用光电或电磁定位设备跟踪成像设备的位置，进而计算出图像的位置的，此方法方便快捷，但配准精度受定位器本身精度限制，高精度定位器价格不菲且一般是光电原理的。光电定位器精度与定位标尺尺寸正相关，维持必要精度的标尺大小一般较大，导致较难被定位器有效范围覆盖，实际上缩小了成像设备可以配准的范围。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法，其配准成本低、配准速度快。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法，其特征在于它包括以下步骤：1)设置一配准系统，其包括定位器、数据计算模块和互信息图像配准模块；2)术前配置阶段，将定位器固定在CBCT的C型臂可旋转部，启动配准系统，获取一个系列的三维图像，定位器获取术前三维图像的位置；3)判断定位器是否记录了基准图像及其位置，如果 记录了基准图像及其位置则进行下一步，否则，记录术前三维图像及其位置作为基准图像和基准图像位置并且输出基准图像，进入下一步；4)数据计算模块计算定位器与C型臂中心的误差，并将计算出误差的1.5-2倍作为搜索边界，获取手术中三维图像并保存至搜索边界；5)判断手术中定位器获取三维图像位置是否成功，如果定位器定位成功则进行下一步，否则直接输出手术中的原三维图像，本次术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准结束；6)数据计算模块计算手术中三维图像位置与基准图像位置的偏移距离，并将计算结果作为初始参数传入互信息配准模块；7)由互信息配准模块对手术中三维图像和基准图像进行互信息精准配准，然后输出精准配准后的图像。

优选地，所述步骤4)中，定位器与C型臂的中心的误差，根据三角函数计算误差e：

$e=2tan\left(\frac{R}{2}\right)\times L,$

式中，L为定位器输出的坐标中心与C型臂的中心的距离，单位为mm；R为定位器最大角度误差。

优选地，所述步骤7)中，互信息配准模块的配准方法，其步骤如下：1)互信息配准模块包括图像移动器、图像评估器和图像移动优化器；2)获取基准图像和手术中三维图像，用图像移动器移动两组图像，使基准图像和手术中三维图像相同地方相互重叠；3)图像评估器对移动的两组图像效果进行评估；4)判断移动的两组图像效果是否达到了精度要求，如果达到要求的精度则直接输出配准图像，否则使用图像移动优化器对两组图像均进行优化，并返回步骤2)。

优选地，所述图像移动器采用欧拉角刚体移动器。

优选地，所述定位器是非高精度的定位器，所述定位器包括光学、电磁学和惯性定位器，所述定位器输出的结果能转化为表达位置的点(x,y,z)和相应的欧拉角(a,b,r)或转成4x4矩阵的形式。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用了术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法，有效降低了对定位器精度的要求。2、本发明采用了术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法，加快了基于互信息配准的速度。3、本发明采用了术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法，在有限的范围搜索，能有效防止基于互信息的配准陷入局部伪最优解而返回错误信息。

附图说明

图1是本发明整体流程示意图；

图2是本发明互信息配准流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准方法，其包括以下步骤：

1)设置一配准系统，其包括定位器、数据计算模块和互信息图像配准模块；

2)术前配置阶段，将定位器固定在CBCT的C型臂可旋转部，启动配准系统，获取一个系列的三维图像，定位器获取术前三维图像的位置；

3)判断定位器是否记录了基准图像及其位置，如果记录了基准图像及其位置则进行下一步，否则，记录术前三维图像及其位置作为基准图像和基准图像位置并且输出基准图像，进入下一步；

4)数据计算模块计算定位器与C型臂中心的误差，并将计算出误差的1.5-2倍作为搜索边界，获取手术中三维图像并保存至搜索边界；

5)判断手术中定位器获取三维图像位置是否成功，如果定位器定位成功则进行下一步，否则直接输出手术中的原三维图像，本次术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准结束；其中，定位器定位失败等异常处理全部静默进行，不会影响手术的正常操作；

6)数据计算模块计算手术中三维图像位置与基准图像位置的偏移距离，并将计算结果作为初始参数传入互信息配准模块；

7)由互信息配准模块对手术中三维图像和基准图像进行互信息精准配准，然后输出精准配准后的图像，完成术前三维图像与术中三维图像的无标志物配准。

上述步骤4)中，定位器与C型臂的中心的误差，根据三角函数计算误差e：

$e=2tan\left(\frac{R}{2}\right)\times L---\left(1\right)$

式中，L为定位器输出的坐标中心与C型臂的中心的距离，单位为mm；R为定位器最大角度误差。

上述步骤7)中，如图2所示，本发明还提供互信息配准模块的配准方法，其步骤如下：

1)互信息配准模块包括图像移动器、图像评估器和图像移动优化器；

2)获取基准图像和手术中三维图像，用图像移动器移动两组图像，使基准图像和手术中三维图像相同地方相互重叠；

3)图像评估器对移动的两组图像效果进行评估；

4)判断移动的两组图像效果是否达到了精度要求，如果达到要求的精度则直接输出配准图像，否则使用图像移动优化器对两组图像均进行优化，并返回步骤2)。

上述实施例中，图像移动器采用欧拉角刚体移动器。

上述各实施例中，定位器是非高精度的定位器，定位器包括但不限于光学、电磁学和惯性定位器，定位器输出的结果可以转化为表达位置的点(x,y,z)和相应的欧拉角(a,b,r)或转成4x4矩阵的形式。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。