[发明专利]一种用于增强现实的三维配准方法和系统

说明书

本发明提供了一种用于增强现实的三维配准方法，包括：S1、获取脊椎样本的CT影像数据，创建脊椎外表面的三维模型，计算得到脊椎外表面的统计形状模型；S2、在基准部位上放置标志物，获得基准部位的CT影像数据，创建基准部位脊椎外表面的三维模型；根据所述脊椎外表面的统计形状模型计算获得基准部位脊椎的修复数据。利用本发明，可以依据自制的标志物和NDI POLARIS高精度光学定位系统，实现了病患部位骨骼数据的虚拟修复和骨骼脊椎增强现实手术中患者所处真实坐标(实际坐标系)与基于CT影像重建的三维模型坐标间(虚坐标系)虚实坐标系的三维精确配准。

技术领域

本发明属于数字医学、精准医疗、计算机图形学领域，具体涉及一种用于增强现实的三维配准方法和系统

背景技术

“微创化”是外科手术研究的前沿技术，如何使微创手术“精准化”是目前亟待解决的问题。目前骨科微创仍依靠二维X线透视引导，其存在学习曲线长、体表穿刺点定位不准确、手术时间延误、穿刺失误导致重要结构损伤及过多X线透视伴随潜在辐射等局限。虽然临床中已有导航和机器人辅助手术技术应用，但由于其设备昂贵、操作复杂，并不利于推广。增强现实是一种将数字化虚拟信息叠加到真实场景的一种技术，是骨科“微创化”手术的一种有效途径。如何实现患者病患部位虚实三维数据的精确配准是骨科增强现实手术进入临床应用的技术难点问题之一。该技术可以实现腰椎间盘突出症的脊柱内镜治疗、股骨头坏死精准微创介入治疗与踇外翻精准微创介入治疗等临床应用。

近年来，随着计算机断层扫描和磁共振成像等医学采集设备以及数字图像处理、虚拟现实、增强现实等技术的快速发展，将增强现实技术应用于微创手术已经成为发展的趋势，国内外学者开展了大量的研究工作。日本Yuichiro Abe等人构建一个增强现实量角器系统，用于引导经皮穿刺椎体成形术。瑞典卡罗林医学大学医Elmi-Terander等人使用Philips公司提供的增强现实术中导航系统引导置入胸椎椎弓根螺钉。美国约翰斯霍普金斯医学院放射学研究所Jan Fritz等人研发了一套基于1.5TMRI设备的2D增强现实系统，用于脊柱介入治疗以及肩关节和髋关节的关节造影术中。

患者病患部位虚实三维数据的精确配准是骨科增强现实手术的基础，其目标是将虚拟的患者病患部位三维数据精确地放置在真实世界中，从而能够帮助医生进行辅助诊断和治疗。目前基于多源多模态医学影像的配准技术已成为研究的主流技术。目前虚拟三维数据的配准主要包括基于电磁跟踪和基于计算机视觉两大类方法：

(1)电磁跟踪器通常由发射器、接收器、计算模块组成，利用发射和感应信号之间的耦合关系计算相对位置。高明柯等人提出基于模糊系统BP神经网络和最小二乘支持向量机的方法，实现了基于电磁跟踪器的虚实精确配准。张等人通过电磁跟踪系统实现了手术工具的位置跟踪，引导医生进行介入式微创手术。虽然电磁跟踪器已经基于电磁原理进行过校正，但实际使用中由于使用环境、使用距离、磁场干扰等原因，以及惯性传感器内部陀螺仪和加速度器漂移误差和累积误差的影响，使得六自由度的观测值与实际值通常存在误差，并不能满足精准医疗手术的应用需求。

(2)基于视觉的配准方法主要是利用标志点或者参照物计算摄像机或者深度传感器的位置和姿态，实现摄像机或手术器械的跟踪，该方法具有运算速度快、精度高等优势。Shelten等人利用Optotrak 3020光学跟踪设备计算手术器械的位置和姿态参数，从而实现医学图像与手术器械的定位、跟踪和配准。但是该方法也存在易受到遮挡的影响，在高速运动条件下容易产生误匹配等局限。贺长宇等人提出一种将光学和惯性跟踪信息进行融合的方法，能够在部分遮挡条件下得到准确的位置和姿态信息，并将虚实融合手术导航图像准确地反馈给用户。由于头戴式光学-惯性混合跟踪系统相对复杂，需要通过较大量运算实现虚实配准，容易受到计算误差的影响。

NDI公司主要面向医疗、工业及科研领域提供三维测量技术和服务。NDI Polaris为其研发的光学定位跟踪系统，具有速度快、精度高等优势，但如何在其上完成虚实模型配准与融合方法，实现病患身体的局部坐标系、真实手术环境的空间坐标系和惯性传感器坐标系间的配准，以便实现手术过程中的实时跟踪和展示是亟待解决的问题。