[發明專利]一種結合光學手術導航的三維可視化頭皮開顱定位方法

有效

• 申請號: 201811283970.1
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109493943B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 楊榮騫;戴知宇;杭飛;莊建
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G16H20/40
• 分類號: G16H20/40;G06T7/13;G06T7/73;G06T17/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本發明公開了一種結合光學手術導航的三維可視化開顱定位方法，包括步驟：1)導入病人顱腦CT圖像序列進行分割，獲取顱內病灶與頭皮的二維圖像數據；2)根據病灶與頭皮的二維圖像進行三維重建，在虛擬空間下渲染成三維模型，將病灶模型正交映射至頭皮設計出自適應的開顱輪廓；3)結合光學手術導航儀，完成手術工具注冊以及病人空間與虛擬空間的注冊后，實時追蹤手術工具，沿著虛擬的開顱輪廓，在真實的顱腦頭皮上勾畫出實際開顱輪廓；4)采用可視化的方法實時記錄并顯示手術工具針尖的移動路徑；5)在虛擬空間下，求解實際輪廓與設計輪廓之間的距離評估開顱定位的精度。本發明為醫生提供勾畫的參考，突破傳統方法中需肉眼緊盯病灶設計開顱輪廓的缺點。

技術領域

本發明涉及醫學圖像處理與手術應用的技術領域，尤其是指一種結合光學手術導航的三維可視化頭皮開顱定位方法。

背景技術

顱腦外科手術具有高風險、高難度等特點，根據病灶位置定位開顱切口是開顱手術的重要步驟，定位的精度會直接影響手術質量，以及病人術后康復。神經外科醫生通常利用CT、MRI等醫學影像顯示的腫瘤信息，憑借臨床經驗來設計開顱手術切口，繼而移除病灶。術前規劃時僅憑二維影像數據難以精準定位腫瘤的位置，往往造成切口設計偏大，或是定位不準確，導致術中可能需要重新定位切口，給病人造成更大的創傷。

當前，光學手術導航系統可以顯示病灶與頭皮的三維模型，并精確定位顱內病灶，醫生需要盯緊屏幕，利用手術工具沿著病灶輪廓在病人頭部設計開顱切口。但是從單一的三維視角下觀察病灶輪廓，會導致手術工具與頭皮的夾角偏大，容易因操作不當造成切口設計的不準確；同時，主流的手術導航系統并沒有針對輪廓勾畫過程進行反饋，所以無法對勾畫結果進行修正。此外，目前沒有一套標準化的輪廓勾畫評估方法，無法對切口的設計結果進行量化。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提出了一種結合光學手術導航的三維可視化頭皮開顱定位方法，結合光學手術導航系統實現開顱輪廓定位與設計，并提出了一套標準化的輪廓勾畫評估方法量化勾畫精度。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種結合光學手術導航的三維可視化頭皮開顱定位方法，該方法是以病灶與頭皮的三維模型為基礎，根據手術損傷最小原則，將病灶模型的輪廓正交投影至頭皮模型上，生成自適應的開顱輪廓，其后結合光學手術導航，將虛擬開顱輪廓勾畫至真實顱腦表面，進而憑借指標評估開顱輪廓定位的精度，方法過程如下：

1)根據病灶與頭皮的CT圖像進行三維重建，在虛擬空間下渲染成三維模型，經旋轉模型以選取手術損傷小的視角后，將病灶模型正交映射至頭皮設計出自適應的開顱輪廓；

2)結合光學手術導航儀，完成手術工具注冊以及病人空間與虛擬空間的注冊后，實時追蹤手術工具，沿著虛擬的開顱輪廓，在真實的顱腦頭皮上勾畫出實際開顱輪廓；

3)采用可視化的方法實時記錄并顯示手術工具針尖的移動路徑；

4)在虛擬空間下，求解實際輪廓與設計輪廓之間的距離評估開顱定位的精度。

在步驟1)中，所述的將病灶模型正交映射至頭皮設計出自適應的開顱輪廓，包括以下步驟：

1.1)構建與病灶適形的二值掩膜圖像

在對CT圖像中的病灶與頭皮進行分割和三維重建后，遍歷虛擬病灶模型的空間點云，通過正交映射將其由世界坐標系變換至屏幕坐標系下，構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云不連續造成的細小孔洞，進而完善掩膜圖像；

1.2)基于八叉樹分解算法快速開顱定位