[发明专利]基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法及装置

说明书

基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法及装置，更加易于操作且成本更低，配准精度与基于基准点配准得到的结果相近。这种基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法包括以下步骤：(1)利用一个通用的人面部模板，通过模板匹配方法以剔除图像空间中冗余的表面数据；(2)使用光学跟踪探针在真实人面部取点，并提出一个约束指标，以重建均匀的人面部轮廓；(3)通过粗到精的增量点云配准方法以及配准约束指标，约束所采集点云的完整性和配准结果的正确性，最终将图像空间与真实空间精确对齐。

技术领域

本发明涉及医学图像处理的技术领域，尤其涉及一种基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法，以及基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准装置。

背景技术

作为手术导航系统的关键步骤，不准确的图像配准将会导致时间损失、不良事件或手术失败，例如切除位置错误或不完整的治疗。往往需要选择一个坐标系统作为世界坐标系，然后将系统中的所有坐标系统匹配到我们所选择的世界坐标系统中。

传统的图像配准都是通过基于基准点的配准方法实现的。在基于基准点的配准方法中，需要在图像空间和人物理空间中分别找到至少3个不共线的点对。图像空间中的点通过在屏幕上用鼠标点击来获取，人物理空间中的点通过使用被跟踪的探针接触它们来获取。这样，就可以通过最小化所有对应点之间距离的平均值来计算两个空间之间的转换关系。然而，由于基于基准点的配准方法存在操作过程复杂、成本高、花费时间长、有创伤等固有问题，已经不再是这个方向的研究热点，研究者们致力于寻找一种快速、无标、无创的手术导航空间配准方法。近年来，陆续出现了一系列基于表面的图像配准方法，这种方法因其无标、无创、节约时间等优点成为研究的热点，逐渐被应用于颅底外科、神经外科、肝胆外科、口腔科及骨关节科等多个导航领域。以往的多项研究表明，当前手术导航中基于表面配准方法大多采用粗到精的配准策略，在粗配准过程中通过手动选择等方式为随后的精配准提供良好的初始姿态。已经提出了用于图像空间中点云自动配准的各种方法，并进行了临床测试。Fan等人提出了一种提取标识点的算法，可以自动将扫描的真实空间中的点云配准到图像空间中重建的表面，但需要扫描较为完整的头部点云，这无疑增加了临床使用难度。Hakje等人提出一种基于探针取点的自动图像配准算法，利用最小二乘投影和ICP算法来筛选探针所拾取的点，但忽略了初始配准姿态和ICP易于陷入局部最优的问题。Liu等人提出了一种基于3D曲面特征描述的自动配准算法，并使用ICP算法得到最优化的结果。

目前常见的点云获取设备主要有被跟踪的激光测距仪、被跟踪的探针以及被跟踪的三维扫描仪三种。被跟踪的激光测距仪和被跟踪的三维扫描仪这两种方法的基本原理是：将跟踪标志物附着在激光测距仪(或三维扫描仪)上，然后利用特定的方法(如手眼标定)对其进行标定，获取其成像数据与跟踪标志物之间的固定转换关系，这样即可对其进行实时跟踪，并将扫描的点云数据变换到跟踪设备坐标系下，完成配准过程。然而，由于临床环境复杂，3D扫描仪所扫描的数据往往包含大量无效点云需要手动去除，这无疑大大增加了配准任务的难度。且价格高昂的3D扫描仪也对其广泛应用于临床环境产生了阻碍。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法，其更加易于操作且成本更低，配准精度与基于基准点配准得到的结果相近。

本发明的技术方案是：这种基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法，其包括以下步骤：

(1)利用一个通用的人面部模板，通过模板匹配方法以剔除图像空间中冗余的表面数据；

(2)使用光学跟踪探针在真实人面部取点，并提出一个约束指标，以重建均匀的人面部轮廓；

(3)通过粗到精的增量点云配准方法以及配准约束指标，约束所采集点云的完整性和配准结果的正确性，最终将图像空间与真实空间精确对齐。