[發明專利]一種標記點配準方法、裝置及外科手術導航系統

有效

• 申請號: 201210538735.0
• 申請日: 2012-12-13
• 公開（公告）號: CN103860268B
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 羅火靈;賈富倉;方馳華;范應方;項楠;胡慶茂
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所44237
• 代理人: 張全文

技術領域

本發明屬于醫學圖像處理及應用技術領域，尤其涉及一種標記點配準方法、裝置及外科手術導航系統。

背景技術

外科手術導航是醫生進行微創外科手術的必要輔助技術，它可以結合術前和術中圖像，為外科醫生提供更加豐富的病人解剖信息。手術過程中，醫生可以通過該外科手術導航實時監測手術器械與病人手術區域的空間位置。光學定位系統，如，加拿大NDI公司生產的Polaris系統，由于定位設備自身無法克服的定位誤差，即光學定位相機與所跟蹤對象的連線所在軸的方向上產生的誤差是其他兩個正交方向的三到五倍。換言之，通過光學定位系統所獲取的手術器械的空間位置信息具有各向異性的性質。光學定位系統所獲取的空間位置信息參與手術導航的配準過程時，空間位置信息自身的誤差會累積到手術導航配準結果中，導致最終的外科手術導航系統誤差加大。

配準是外科手術導航系統中至關緊要的一個步驟，它實現病人物理空間和圖像空間坐標系的統一。目前所用的外科手術導航系統，術前采集的圖像在術中必須通過配準，計算病人物理空間到圖像空間的變換矩陣。一般的做法是在病人體表上粘貼有限數目的標記點（或通過識別具有一定特征的解剖標志點），然后利用光學定位系統來獲取這些標記點的物理空間坐標，利用最小二乘法，求解圖像空間對應部位的標記點與光學定位系統所獲取的物理空間坐標之間的變換矩陣，最終實現圖像空間和病人物理空間的統一。

現有技術也提到了外科手術導航中的三種誤差，分別為標記點定位誤差(Fiducial Localization Error,FLE)、標記點配準誤差(Fiducial Registration Error,FRE)以及目標點配準誤差(Target Registration Error,TRE)。標記點定位誤差是指在圖像空間或者病人物理空間選取用于配準的標記點時，標記點的真實位置與選取所得的坐標之間的距離；標記點配準誤差是指在執行配準過程以后，圖像空間與物理空間對齊的基礎上，用于配準的兩個空間坐標系對應標記點距離的均方根值；目標配準誤差是指執行配準過程以后，圖像空間與物理空間對齊的基礎上，兩個空間坐標系對應的非配準標記點距離的均方根值。因此，通過光學定位系統獲取到的標記點空間坐標值，是計算手術導航配準變換矩陣的基礎，估算出標記點定位誤差，并考慮光學定位系統定位誤差的各向異性性質，有利于提高整個手術導航系統的導航精度。

發明內容

本發明實施例提供了一種標記點配準的方法、裝置及外科手術導航系統，旨在解決現有技術由于光學定位系統自身的定位誤差的各向異性性質，導致外科手術導航系統的導航精度不高的問題。

一方面，提供一種標記點配準方法，所述方法包括：

分別多次獲取各個物理空間標記點的物理坐標值和各個圖像空間標記點的圖像坐標值；

分別計算各個物理空間標記點的物理坐標值的平均值和各個圖像空間標記點的圖像坐標值的平均值；

根據多次獲取的各個物理空間標記點的物理坐標值和所述物理坐標值的平均值計算出各個物理空間標記點的空間定位誤差；

根據所述空間定位誤差計算出各個物理空間標記點的權重矩陣；

根據各個物理空間標記點的物理坐標值的平均值和各個圖像空間標記點的圖像坐標值的平均值，結合所述權重矩陣，在保證標記點配準誤差FRE最小的前提下，用迭代法求解平移向量t和旋轉矩陣R。

另一方面，提供一種標記點配準裝置，所述裝置包括：

第一坐標獲取單元，用于分別多次獲取各個物理空間標記點的物理坐標值和各個圖像空間標記點的圖像坐標值；

第二坐標計算單元，用于分別計算各個物理空間標記點的物理坐標值的平均值和各個圖像空間標記點的圖像坐標值的平均值；

空間定位誤差計算單元，用于根據多次獲取的各個物理空間標記點的物理坐標值和所述物理坐標值的平均值計算出各個物理空間標記點的空間定位誤差；

權重矩陣計算單元，用于根據所述空間定位誤差計算出各個物理空間標記點的權重矩陣；

配準單元，用于根據各個物理空間標記點的物理坐標值的平均值和各個圖像空間標記點的圖像坐標值的平均值，結合所述權重矩陣，在保證標記點配準誤差FRE最小的前提下，用迭代法求解平移向量t和旋轉矩陣R。

再一方面，提供一種外科手術導航系統，所述外科手術導航系統包括如上所述的標記點配準裝置。