[发明专利]一种基于光学扫描自动化轮廓分割匹配的无辐射经皮脊柱定位方法

说明书

本发明公开了一种基于光学扫描自动化轮廓分割匹配的无辐射经皮脊柱定位方法，通过临床影像资料处理系统导入临床影像数据(CT)分割并重建出人体背部轮廓和脊柱的三维模型，通过结构光/TOF(Time of flight)光学扫描设备扫查并重建人体背部轮廓三维模型，最后经过三维图像处理系统匹配计算，显示输出脊柱模型和光学扫描的人体背部轮廓模型的三维坐标关系。本发明方法基于光学扫描设备，实现脊柱模型和光学扫描的人体背部轮廓模型的匹配和定位，具有无辐射，占用空间少，扫描速度快，显示结果直观，可重复性高等优势。

技术领域

本发明涉及医疗技术和计算机图像处理领域，是一种基于光学扫描自动化轮廓分割匹配的无辐射经皮脊柱定位方法。

背景技术

目前，经皮微创脊柱外科手术已经应用于椎间盘切除、椎板切除减压、椎间孔切开术以及囊肿、肿瘤切除等，其优势在于创伤小，能最大程度地保护脊柱及其周围的解剖结构。

经皮内镜手术是经皮微创脊柱外科的代表，其创伤小且直观，显示系统与其他手术内镜平台通用，经济投入不高，具有良好的临床应用前景；但其技术掌握不易，尤其对术中定位穿刺要求较高。通常脊柱外科医生需要待患者麻醉固定体位后，通过术中C臂机透视获得的二维影像图像来判断手术区皮肤下方所对应的脊柱节段是否正确，这种基于临床经验的判断方法不直观且准确率不高，多次尝试对患者和医护人员都会造成额外辐射暴露。

现有的精度较高的脊柱外科手术导航设备均需要在切开皮肤后，注册皮肤下方固定的骨性标志物来达到手术导航的目的。这种方式的导航设备均基于X线，通常需要配合辐射量较大的三维C臂或术中CT；体积庞大，容易造成手术和麻醉器械之间的互相干扰；准备步骤繁琐，学习周期长，术中准备和注册导航设备往往需要20至30分钟，如注册不满意或参考弧被手术中的器械影响，则须耗费较长的重新注册时间，不仅影响了术者的手术操作，也增加了麻醉风险。这种创伤较大的导航方式不符合微创手术的原则，也不能判定手术切口与下方脊柱的骨性结构关系，故无法应用于经皮微创脊柱外科手术。

光学扫描技术(结构光/TOF)具有高速，高分辨率，可重复性高的特点，其设备体积小，可移动性强；无辐射，不产生磁场，不影响手术和麻醉器械；术中准备和注册时间短，一次扫描大约只需要1分钟，重复注册也不会影响术者的手术操作流程，适合应用于涉及复杂解剖和需配合众多监控辅助设备的脊柱外科手术。

现今光学扫描技术可运用的领域很多，较为成熟的有手机上的面部识别，3D打印以及地形地貌的勘测等等。但是在医疗领域，因其图像较为复杂，内含有的信号较多，且人体轮廓内部的信息才是临床治疗所关注的，只能单独的识别人体轮廓的光学扫描技术并不能够实现透视，故难以运用于临床治疗。近几年来，随着图像融合技术的成熟，出现了不少尝试把光学扫描图像和医学扫描图像融合的技术，但是这些技术往往难以达到自动化匹配，它们只能通过手动寻找特征点较为固定和突出的部位(如人体的鼻子和耳朵)作为靶点进行轮廓的匹配，原因就在于人体医学图像信号的复杂性和密度不均一性，基于医学图像所生成的三维点云，其无法达到均匀等大，难以匹配基于光学扫描所生成的均一化三维点云。并且，人体医学图像和光学扫描的图像三维坐标比例的不一致性，坐标起点的不一致，也会造成匹配的图像出现旋转，嵌插，移位等错位。

人体背部皮肤可移动性强，没有固定的表面形态，也没有特征性的解剖标志，其外表可随着人体的高矮胖瘦而改变，亦可随着体位改变而产生变化，故难以将光学扫描图像和临床医学图像进行匹配。基于轮廓分割匹配的方法，采取大轮廓匹配的思路，以最大化地减少误差，通过匹配术前基于医学影像分割提取的和术中基于光学扫描获得到的人体背部轮廓薄层三维点云数据，建立起术前和术中人体背部轮廓三维模型的统一坐标系；同时利用人体脊柱的刚性特点，最终可建立出术中人体背部轮廓和其下方脊柱的三维解剖关系，再配合经皮微创脊柱手术技术，特别是经皮内镜手术的直观显示，可代替传统的X线设备，实现术中定位透视的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于光学扫描自动化轮廓分割匹配的无辐射经皮脊柱定位方法。