[發明專利]一種基于雙平面X光追蹤的植入物自動配準定位方法

在審

• 申請號: 202010836044.3
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN111968164A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 蔡宗遠;鄭楠;王聰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T7/73
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 王晶;胡晶

1.一種基于雙平面X光追蹤的植入物自動配準定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：構建虛擬雙平面X光系統，包括：

S11：準備兩臺X光機：1號X光機、2號X光機，并拍攝患者體中植入物的X光圖像；

S12：在計算機系統中，確定兩臺X光機的相對位置；

S13：在計算機系統中兩臺X光機投射公共區域擺放植入物模型；

S2：對前述植入物的X光圖像中的植入物邊緣進行提取，并進行加權膨脹；

S3：對植入物模型進行快速投影和邊緣提?。?/p>

S4：基于步驟S2和S3獲得的邊緣特征進行虛擬雙平面自動配準。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述S11進一步包括：

在實驗室空間中擺放兩臺X光機：1號X光機、2號X光機，使完成植入物植入的患者在操作者引導下進行功能運動，同時兩臺X光機拍攝植入物植入關節，分別得到X圖像。

3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S12進一步包括：

S121：在兩臺X光機投射公共區域擺放一個定位器，定位器中間有4個鉛點，其分布構成一個正方形，鉛點具有X光吸收性，在X光圖片中會以低灰度圓點表示；

S122：將1號X光機記為F1，以F1拍攝的X光圖像空間為基準建立剛體正交空間坐標系(R₁，V₁)，其中R₁為3×3大小矩陣，每一列表示F1拍攝的X光圖像坐標系的坐標軸單位向量；V₁為3×1大小列向量，表示F1圖像坐標系原點位置，以圖像中心為F1圖像坐標系原點位置；以F1圖像空間為系統坐標系時，可知：

S123：將2號X光機記為F2，以F2拍攝的X光圖像空間為基準建立剛體正交空間坐標系(R₂，V₂)，其中R₂為3×3大小矩陣，每一列表示F2拍攝的X光圖像坐標系的坐標軸單位向量；V₂為3×1大小列向量，表示F2圖像坐標系原點位置，以圖像中心為F2圖像坐標系原點位置；

S124：以定位器上任意一個鉛點位置為原點，建立剛體正交空間坐標系(R₀，V₀)，其中R₀為3×3大小矩陣，每一列表示定位器坐標系的坐標軸單位向量；V₀為3×1大小列向量，表示定位器坐標系原點位置；

S125：定位器上每一個鉛點的位置可以用列向量表示，定位器上構成正方形的4個鉛點相對于定位器坐標系的位置可以用矩陣P₀表示，P₀為3×4大小矩陣，每一列表示1個鉛點坐標；

相對于F1、F2的位置，P₀₁和P₀₂可以由定位器坐標系(R₀，V₀)到F1坐標系(R₁，V₁)和F2坐標系(R₂，V₂)之間的坐標系變換表示，如下式所示：

P₀₁＝R₁^-1(R₀P₀+V₀-V₁)＝R₀₁P₀+V₀₁；

P₀₂＝R₂^-1(R₀P₀+V₀-V₂)＝R₀₂P₀+V₀₂；

其中，P₀₁為表示鉛點相對于F1的位置的矩陣，P₀₂為表示鉛點相對于F2的位置的矩陣；

S126：在F1圖像坐標系內，基于F1放射源和F1投影平面相對位置有投影矩陣T₁，T₁為3×4大小矩陣，P₀₁可以投影到F1平面上得到F1平面坐標P_{01_im}，P_{01_im}為2×4大小矩陣，每一列表示1個鉛點在F1平面上的坐標，如下式所示：

提取F1圖像中的鉛點坐標P_im1，使用擬牛頓法，計算鉛點在F1的投影坐標P_{01_im}和P_im1之間偏差達到最小時的定位器-F1坐標系變換(R₀₁，V₀₁)，如下式所示：

S127：同理，在F2圖像坐標系內，基于F2放射源和F2投影平面相對位置有投影矩陣T₂，T₂為3×4大小矩陣，P₀₂可以投影到F2平面上得到F2平面坐標P_{02_im}，P_{02_im}為2×4大小矩陣，每一列表示1個鉛點在F2平面上的坐標，如下式所示：

提取F2圖像中的鉛點坐標P_im2，使用擬牛頓法，計算鉛點在F2的投影坐標P_{02_im}和真實F2中鉛點坐標P_im2之間偏差達到最小時的定位器-F2坐標系變換(R₀₂，V₀₂)，如下式所示：

F1-F2坐標系變換(R₂₁，V₂₁)可以由下式表示：

R₂₁＝R₀₁R₀₂^-1，V₂₁＝V₀₁-R₀₁R₀₂^-1V₀₂；

S128：兩臺X光機圖像平面之間的空間位置關系可以用(R₂₁，V₂₁)表示，基于每臺X光機放射源與圖像平面的相對位置，以及兩臺X光機的相對位置關系(R₂₁，V₂₁)，可以在計算機系統中構建用于自動配準的虛擬雙平面X光系統；

在虛擬雙平面X光系統中，為了表示方便將F1圖像坐標系記為全局坐標系，則F1圖像坐標系(R₁，V₁)和F2圖像坐標系(R₂，V₂)有：

R₂＝R₂₁，V₂＝V₂₁。