[发明专利]一种标记点配准方法、装置及外科手术导航系统

说明书

技术领域

本发明属于医学图像处理及应用技术领域，尤其涉及一种标记点配准方法、装置及外科手术导航系统。

背景技术

外科手术导航是医生进行微创外科手术的必要辅助技术，它可以结合术前和术中图像，为外科医生提供更加丰富的病人解剖信息。手术过程中，医生可以通过该外科手术导航实时监测手术器械与病人手术区域的空间位置。光学定位系统，如，加拿大NDI公司生产的Polaris系统，由于定位设备自身无法克服的定位误差，即光学定位相机与所跟踪对象的连线所在轴的方向上产生的误差是其他两个正交方向的三到五倍。换言之，通过光学定位系统所获取的手术器械的空间位置信息具有各向异性的性质。光学定位系统所获取的空间位置信息参与手术导航的配准过程时，空间位置信息自身的误差会累积到手术导航配准结果中，导致最终的外科手术导航系统误差加大。

配准是外科手术导航系统中至关紧要的一个步骤，它实现病人物理空间和图像空间坐标系的统一。目前所用的外科手术导航系统，术前采集的图像在术中必须通过配准，计算病人物理空间到图像空间的变换矩阵。一般的做法是在病人体表上粘贴有限数目的标记点（或通过识别具有一定特征的解剖标志点），然后利用光学定位系统来获取这些标记点的物理空间坐标，利用最小二乘法，求解图像空间对应部位的标记点与光学定位系统所获取的物理空间坐标之间的变换矩阵，最终实现图像空间和病人物理空间的统一。

现有技术也提到了外科手术导航中的三种误差，分别为标记点定位误差(Fiducial Localization Error,FLE)、标记点配准误差(Fiducial Registration Error,FRE)以及目标点配准误差(Target Registration Error,TRE)。标记点定位误差是指在图像空间或者病人物理空间选取用于配准的标记点时，标记点的真实位置与选取所得的坐标之间的距离；标记点配准误差是指在执行配准过程以后，图像空间与物理空间对齐的基础上，用于配准的两个空间坐标系对应标记点距离的均方根值；目标配准误差是指执行配准过程以后，图像空间与物理空间对齐的基础上，两个空间坐标系对应的非配准标记点距离的均方根值。因此，通过光学定位系统获取到的标记点空间坐标值，是计算手术导航配准变换矩阵的基础，估算出标记点定位误差，并考虑光学定位系统定位误差的各向异性性质，有利于提高整个手术导航系统的导航精度。

发明内容

本发明实施例提供了一种标记点配准的方法、装置及外科手术导航系统，旨在解决现有技术由于光学定位系统自身的定位误差的各向异性性质，导致外科手术导航系统的导航精度不高的问题。

一方面，提供一种标记点配准方法，所述方法包括：

分别多次获取各个物理空间标记点的物理坐标值和各个图像空间标记点的图像坐标值；

分别计算各个物理空间标记点的物理坐标值的平均值和各个图像空间标记点的图像坐标值的平均值；

根据多次获取的各个物理空间标记点的物理坐标值和所述物理坐标值的平均值计算出各个物理空间标记点的空间定位误差；

根据所述空间定位误差计算出各个物理空间标记点的权重矩阵；

根据各个物理空间标记点的物理坐标值的平均值和各个图像空间标记点的图像坐标值的平均值，结合所述权重矩阵，在保证标记点配准误差FRE最小的前提下，用迭代法求解平移向量t和旋转矩阵R。

另一方面，提供一种标记点配准装置，所述装置包括：

第一坐标获取单元，用于分别多次获取各个物理空间标记点的物理坐标值和各个图像空间标记点的图像坐标值；

第二坐标计算单元，用于分别计算各个物理空间标记点的物理坐标值的平均值和各个图像空间标记点的图像坐标值的平均值；

空间定位误差计算单元，用于根据多次获取的各个物理空间标记点的物理坐标值和所述物理坐标值的平均值计算出各个物理空间标记点的空间定位误差；

权重矩阵计算单元，用于根据所述空间定位误差计算出各个物理空间标记点的权重矩阵；

配准单元，用于根据各个物理空间标记点的物理坐标值的平均值和各个图像空间标记点的图像坐标值的平均值，结合所述权重矩阵，在保证标记点配准误差FRE最小的前提下，用迭代法求解平移向量t和旋转矩阵R。

再一方面，提供一种外科手术导航系统，所述外科手术导航系统包括如上所述的标记点配准装置。