[发明专利]一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法

说明书

本发明的目的是提出一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法，以提高配准精度，具体如下：分别获取待配准骨的骨表面样本点在影像坐标系下的第一骨表面点集S1和在世界坐标系下的第二骨表面点集S2；然后使用位置传感器获取待配准骨的辅助样本点在世界坐标系下的软骨表面点云S3；再配准第一骨表面点集S1与软骨表面点云S3，得到初始旋转矩阵R₁和初始平移向量T₁；并配准第二骨表面点集S2与软骨表面点云S3，得到修正旋转矩阵R₂和修正平移向量T₂；最后根据初始旋转矩阵R₁、初始平移向量T₁、修正旋转矩阵R₂和修正平移向量T₂，得到影像坐标系到世界坐标系的映射关系如下：旋转矩阵R＝R₂R₁，平移向量T＝R₂T₁+T₂。

技术领域

本发明属于医疗技术领域，具体涉及到一种骨科手术中，针对覆盖软骨的骨表面配准方法。

背景技术

配准技术是寻找最优空间变换的过程。手术导航系统广泛使用配准技术获得点集、线、面或者体之间的空间映射关系。配准主体则通常根据应用场景而变化，包括但不限于点集之间、点集与曲面、高维特征之间、图像与图像等等。手术导航过程中，通常需要借助位置传感器(光学、电磁定位系统)获取目标(器官、骨骼、肌肉组织等)在世界坐标系中的坐标，借助医学成像(CT、MRI、超声)和重构技术获取目标在影像坐标系下的坐标。

传统骨表面配准的方法如下：采集若干点在两个欧式空间的坐标，进行如下计算操作，即可获两个空间映射关系。计算过程表示如下：首先定义两个点集Q＝(q₁，q₂，...，q_N)^T和P＝(p₁，p₂，...，p_N)^T，分别表示N个点在尺度相同的两个坐标系的对应点集，再定义旋转矩阵R和平移向量T，表示两个欧式空间的变换关系，那么Q＝RP+T；

定义能量函数E，有其中，和分别表示为Q和P的样本平均；

通过奇异值分解(SVD)，有

旋转矩阵R和平移向量T分别表示为R＝VU^T，

上述方法在多数情况下能够获得精准的配准结果，但是并不适用于股骨这类覆盖软骨的场景。一方面，在医学影像中，骨头边缘灰度特征明显，但软骨及骨膜厚度小且灰度与软组织类似，因此，骨头边缘点易于获取，而骨膜与软骨边缘难以界定。借助CT/MRI等医学影像往往可以提取骨表面坐标，对应地，借助位置传感器获取的则是软骨/骨膜表面坐标。不难看出，两组点集所表示的并非同一目标，而是空间位置接近的两个实体，这种差别会为精准配准引入误差；另一方面，从局部骨表面来看，缺乏特征明显且能够精准定位的标记点，样本点的选择天然就带有误差，仅选取少量所谓样本点对进行计算，是难以精确的。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对覆盖软骨的骨表面配准方法，以提高配准精度。

本发明的针对覆盖软骨的骨表面配准方法包括如下步骤：

A、从待配准骨的医疗影像中提取骨表面的若干样本点在影像坐标系下的坐标，形成第一骨表面点集S1；

B、使用位置传感器探针获取待配准骨的骨表面的所述样本点在世界坐标系下的坐标，形成第二骨表面点集S2；

C、使用位置传感器获取待配准骨的辅助样本点在世界坐标系下的坐标，形成软骨表面点云S3；所述辅助样本点为待配准骨的软骨表面在所述样本点附近的预定数量的点；

D、配准第一骨表面点集S1与软骨表面点云S3，得到初始旋转矩阵R₁和初始平移向量T₁；