[發(fā)明專利]一種基于光學(xué)掃描自動化輪廓分割匹配的無輻射經(jīng)皮脊柱定位方法

有效

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• 申請日: 2019-10-11
• 公開（公告）號: CN110731817B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 江曉航;朱永堅(jiān)
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發(fā)明公開了一種基于光學(xué)掃描自動化輪廓分割匹配的無輻射經(jīng)皮脊柱定位方法，通過臨床影像資料處理系統(tǒng)導(dǎo)入臨床影像數(shù)據(jù)(CT)分割并重建出人體背部輪廓和脊柱的三維模型，通過結(jié)構(gòu)光/TOF(Time of flight)光學(xué)掃描設(shè)備掃查并重建人體背部輪廓三維模型，最后經(jīng)過三維圖像處理系統(tǒng)匹配計(jì)算，顯示輸出脊柱模型和光學(xué)掃描的人體背部輪廓模型的三維坐標(biāo)關(guān)系。本發(fā)明方法基于光學(xué)掃描設(shè)備，實(shí)現(xiàn)脊柱模型和光學(xué)掃描的人體背部輪廓模型的匹配和定位，具有無輻射，占用空間少，掃描速度快，顯示結(jié)果直觀，可重復(fù)性高等優(yōu)勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及醫(yī)療技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域，是一種基于光學(xué)掃描自動化輪廓分割匹配的無輻射經(jīng)皮脊柱定位方法。

背景技術(shù)

目前，經(jīng)皮微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于椎間盤切除、椎板切除減壓、椎間孔切開術(shù)以及囊腫、腫瘤切除等，其優(yōu)勢在于創(chuàng)傷小，能最大程度地保護(hù)脊柱及其周圍的解剖結(jié)構(gòu)。

經(jīng)皮內(nèi)鏡手術(shù)是經(jīng)皮微創(chuàng)脊柱外科的代表，其創(chuàng)傷小且直觀，顯示系統(tǒng)與其他手術(shù)內(nèi)鏡平臺通用，經(jīng)濟(jì)投入不高，具有良好的臨床應(yīng)用前景；但其技術(shù)掌握不易，尤其對術(shù)中定位穿刺要求較高。通常脊柱外科醫(yī)生需要待患者麻醉固定體位后，通過術(shù)中C臂機(jī)透視獲得的二維影像圖像來判斷手術(shù)區(qū)皮膚下方所對應(yīng)的脊柱節(jié)段是否正確，這種基于臨床經(jīng)驗(yàn)的判斷方法不直觀且準(zhǔn)確率不高，多次嘗試對患者和醫(yī)護(hù)人員都會造成額外輻射暴露。

現(xiàn)有的精度較高的脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備均需要在切開皮膚后，注冊皮膚下方固定的骨性標(biāo)志物來達(dá)到手術(shù)導(dǎo)航的目的。這種方式的導(dǎo)航設(shè)備均基于X線，通常需要配合輻射量較大的三維C臂或術(shù)中CT；體積龐大，容易造成手術(shù)和麻醉器械之間的互相干擾；準(zhǔn)備步驟繁瑣，學(xué)習(xí)周期長，術(shù)中準(zhǔn)備和注冊導(dǎo)航設(shè)備往往需要20至30分鐘，如注冊不滿意或參考弧被手術(shù)中的器械影響，則須耗費(fèi)較長的重新注冊時(shí)間，不僅影響了術(shù)者的手術(shù)操作，也增加了麻醉風(fēng)險(xiǎn)。這種創(chuàng)傷較大的導(dǎo)航方式不符合微創(chuàng)手術(shù)的原則，也不能判定手術(shù)切口與下方脊柱的骨性結(jié)構(gòu)關(guān)系，故無法應(yīng)用于經(jīng)皮微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)。

光學(xué)掃描技術(shù)(結(jié)構(gòu)光/TOF)具有高速，高分辨率，可重復(fù)性高的特點(diǎn)，其設(shè)備體積小，可移動性強(qiáng)；無輻射，不產(chǎn)生磁場，不影響手術(shù)和麻醉器械；術(shù)中準(zhǔn)備和注冊時(shí)間短，一次掃描大約只需要1分鐘，重復(fù)注冊也不會影響術(shù)者的手術(shù)操作流程，適合應(yīng)用于涉及復(fù)雜解剖和需配合眾多監(jiān)控輔助設(shè)備的脊柱外科手術(shù)。

現(xiàn)今光學(xué)掃描技術(shù)可運(yùn)用的領(lǐng)域很多，較為成熟的有手機(jī)上的面部識別，3D打印以及地形地貌的勘測等等。但是在醫(yī)療領(lǐng)域，因其圖像較為復(fù)雜，內(nèi)含有的信號較多，且人體輪廓內(nèi)部的信息才是臨床治療所關(guān)注的，只能單獨(dú)的識別人體輪廓的光學(xué)掃描技術(shù)并不能夠?qū)崿F(xiàn)透視，故難以運(yùn)用于臨床治療。近幾年來，隨著圖像融合技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了不少嘗試把光學(xué)掃描圖像和醫(yī)學(xué)掃描圖像融合的技術(shù)，但是這些技術(shù)往往難以達(dá)到自動化匹配，它們只能通過手動尋找特征點(diǎn)較為固定和突出的部位(如人體的鼻子和耳朵)作為靶點(diǎn)進(jìn)行輪廓的匹配，原因就在于人體醫(yī)學(xué)圖像信號的復(fù)雜性和密度不均一性，基于醫(yī)學(xué)圖像所生成的三維點(diǎn)云，其無法達(dá)到均勻等大，難以匹配基于光學(xué)掃描所生成的均一化三維點(diǎn)云。并且，人體醫(yī)學(xué)圖像和光學(xué)掃描的圖像三維坐標(biāo)比例的不一致性，坐標(biāo)起點(diǎn)的不一致，也會造成匹配的圖像出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，嵌插，移位等錯(cuò)位。

人體背部皮膚可移動性強(qiáng)，沒有固定的表面形態(tài)，也沒有特征性的解剖標(biāo)志，其外表可隨著人體的高矮胖瘦而改變，亦可隨著體位改變而產(chǎn)生變化，故難以將光學(xué)掃描圖像和臨床醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行匹配。基于輪廓分割匹配的方法，采取大輪廓匹配的思路，以最大化地減少誤差，通過匹配術(shù)前基于醫(yī)學(xué)影像分割提取的和術(shù)中基于光學(xué)掃描獲得到的人體背部輪廓薄層三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立起術(shù)前和術(shù)中人體背部輪廓三維模型的統(tǒng)一坐標(biāo)系；同時(shí)利用人體脊柱的剛性特點(diǎn)，最終可建立出術(shù)中人體背部輪廓和其下方脊柱的三維解剖關(guān)系，再配合經(jīng)皮微創(chuàng)脊柱手術(shù)技術(shù)，特別是經(jīng)皮內(nèi)鏡手術(shù)的直觀顯示，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的X線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)術(shù)中定位透視的效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于光學(xué)掃描自動化輪廓分割匹配的無輻射經(jīng)皮脊柱定位方法。