[發(fā)明專(zhuān)利]一種結(jié)合光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的三維可視化頭皮開(kāi)顱定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811283970.1
• 申請(qǐng)日: 2018-10-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109493943B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊榮騫;戴知宇;杭飛;莊建
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G16H20/40
• 分類(lèi)號(hào): G16H20/40;G06T7/13;G06T7/73;G06T17/00
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

1.一種結(jié)合光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的三維可視化頭皮開(kāi)顱定位方法，其特征在于：該方法是以病灶與頭皮的三維模型為基礎(chǔ)，根據(jù)手術(shù)損傷最小原則，將病灶模型的輪廓正交投影至頭皮模型上，生成自適應(yīng)的開(kāi)顱輪廓，其后結(jié)合光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航，將虛擬開(kāi)顱輪廓勾畫(huà)至真實(shí)顱腦表面，進(jìn)而憑借指標(biāo)評(píng)估開(kāi)顱輪廓定位的精度，方法過(guò)程如下：

1)根據(jù)病灶與頭皮的CT圖像進(jìn)行三維重建，在虛擬空間下渲染成三維模型，經(jīng)旋轉(zhuǎn)模型以選取手術(shù)損傷小的視角后，將病灶模型正交映射至頭皮設(shè)計(jì)出自適應(yīng)的開(kāi)顱輪廓；

2)結(jié)合光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀，完成手術(shù)工具注冊(cè)以及病人空間與虛擬空間的注冊(cè)后，實(shí)時(shí)追蹤手術(shù)工具，沿著虛擬的開(kāi)顱輪廓，在真實(shí)的顱腦頭皮上勾畫(huà)出實(shí)際開(kāi)顱輪廓；

3)采用可視化的方法實(shí)時(shí)記錄并顯示手術(shù)工具針尖的移動(dòng)路徑；

4)在虛擬空間下，求解實(shí)際輪廓與設(shè)計(jì)輪廓之間的距離評(píng)估開(kāi)顱定位的精度，包括以下步驟：

4.1)對(duì)兩條虛擬輪廓線進(jìn)行采樣，得到實(shí)際的輪廓點(diǎn)集C_A＝{p_i|i＝1,…,n}與設(shè)計(jì)的輪廓點(diǎn)集C_D＝{q_j|j＝1,…,m},之后分別對(duì)其進(jìn)行遍歷，求出p_i在C_D中的最臨近點(diǎn)q_k，q_k連接q_k-1和q_k+1得到線段l_k-1,k和l_k,k+1，接著求解p_i到這兩條線段中最短的距離d_i，進(jìn)而組成最短距離集合D_AD＝{d_i|i＝1,…,n}，同理，求出q_j到達(dá)C_A的最短距離集合D_DA＝{g_j|j＝1,…,m}；

4.2)通過(guò)以下公式(1)求得兩組最短距離集的平均值d_mean，作為勾畫(huà)結(jié)果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，從而標(biāo)準(zhǔn)化地評(píng)估輪廓勾畫(huà)的精度；

式中，d_i為距離集合D_AD中的距離元素，n為距離集合D_AD元素的個(gè)數(shù)，g_j為距離集合D_DA中的距離元素，m為距離集合D_DA元素的個(gè)數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的三維可視化頭皮開(kāi)顱定位方法，其特征在于：在步驟1)中，所述的將病灶模型正交映射至頭皮設(shè)計(jì)出自適應(yīng)的開(kāi)顱輪廓，包括以下步驟：

1.1)構(gòu)建與病灶適形的二值掩膜圖像

在對(duì)CT圖像中的病灶與頭皮進(jìn)行分割和三維重建后，遍歷虛擬病灶模型的空間點(diǎn)云，通過(guò)正交映射將其由世界坐標(biāo)系變換至屏幕坐標(biāo)系下，構(gòu)建與病灶適形的二值掩膜圖像，并采用填洞算法填充掩膜圖像中因點(diǎn)云不連續(xù)造成的細(xì)小孔洞，進(jìn)而完善掩膜圖像；

1.2)基于八叉樹(shù)分解算法快速開(kāi)顱定位

針對(duì)頭皮模型采用八叉樹(shù)分解算法，頭皮沿最小包圍盒分解成八份立方體，每個(gè)立方體包含相應(yīng)的點(diǎn)云，且按層級(jí)遞增依次迭代分解；之后根據(jù)顱腦的解剖信息，調(diào)整合適的映射視角；接著立方體的八個(gè)頂點(diǎn)經(jīng)正交映射至屏幕坐標(biāo)系，并判斷是否在掩膜圖像內(nèi)，若在則保留點(diǎn)云，不在則剔除，若部分在內(nèi)部，則取其高層級(jí)的子節(jié)點(diǎn)繼續(xù)迭代運(yùn)算；最終快速生成一條與掩膜圖像相同的虛擬輪廓；

1.3)結(jié)合圖像形態(tài)學(xué)的輪廓修正算法以適應(yīng)臨床需求

通過(guò)設(shè)置算法中算子的半徑，算子對(duì)掩膜圖像邊緣進(jìn)行腐蝕或膨脹，并重復(fù)步驟1.2)，重新生成符合手術(shù)需求的開(kāi)顱輪廓。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的三維可視化頭皮開(kāi)顱定位方法，其特征在于：在步驟2)中，所述的在真實(shí)的顱腦頭皮上勾畫(huà)出實(shí)際開(kāi)顱輪廓，具體為：

經(jīng)過(guò)注冊(cè)的手術(shù)工具在光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀的拍攝下，它在病人空間下的位姿實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反饋至虛擬空間中，并顯示出工具與病灶之間的相對(duì)位置與偏轉(zhuǎn)角度，提供工具調(diào)整的輔助信息，降低因操作不當(dāng)造成的勾畫(huà)誤差，勾畫(huà)結(jié)束時(shí)，頭皮上生成一條大小與設(shè)計(jì)的開(kāi)顱輪廓相符的閉合輪廓。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的三維可視化頭皮開(kāi)顱定位方法，其特征在于：在步驟3)中，所述的采用可視化的方法實(shí)時(shí)記錄并顯示手術(shù)工具針尖的移動(dòng)路徑是指：手術(shù)工具在移動(dòng)時(shí)，其針尖位置會(huì)被記錄，經(jīng)坐標(biāo)變換后，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至虛擬空間中，并以空間點(diǎn)集的形式顯示，當(dāng)勾畫(huà)完畢時(shí)，即工具針尖回歸至起點(diǎn)，將所有的點(diǎn)依次按順序連接形成閉合輪廓作為實(shí)際輪廓的副本。