[發明專利]一種術前三維影像與術中透視圖像的無標定物配準方法

在審

• 申請號: 202011490366.3
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112509022A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 劉勇;武利成;李亮;邵言亮
• 申請（專利權）人: 安徽?？怂麽t療機器人有限公司
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T7/38;G06T7/13
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種術前三維影像與術中透視圖像的無標定物配準方法，包括以下步驟：1)建立一個模擬現實的解剖學和頻率相關的系統噪聲模型M；2)將CT/MRI數據渲染生成三維體數據，通過為DRR圖像添加解剖噪聲和頻率噪聲，生成比較逼真的類似于X光片的影像數據，提取骨骼輪廓；3)手術中，X射線機獲取不同角度的兩張X?Ray透視圖像；4)根據手術需求生成N個DRR圖像，得到每個圖像的位姿坐標P；5)將DRR算法生成的影像數據進行處理，然后選擇沒有骨折部位的感興趣區域，提取輪廓；6)按同樣方法提取真實X?Ray的輪廓線；7)基于輪廓線和特征點相關的性質為術前三維影像和X?Ray透視圖像精確配準，輸出精確配準后的圖像。本方法能提高配準精度，使手術導航操作更直觀。

技術領域

本發明涉及一種術前三維影像與術中透視圖像的無標定物配準方法，特別是醫療機器人輔助進行手術導航過程的醫學圖像配準方法。

背景技術

目前，在常見醫療機器人輔助手術導航定位過程中，如在股骨頸骨折手術中，傳統方法是在股骨或骨盆上植入標定物，以建立機器人坐標系與手術空間坐標系之間的映射關系，并在此基礎上進行手術路徑規劃和定位。該方法能夠大大增加股骨骨折復位的精確度，但同樣會給患者增加創傷及感染的風險。

一種方法是利用2D/3D圖像配準算法的圖像導航的放射手術方法和系統，其利用了分層和迭代的2D/3D配準算法求出內層面和外層面的變換參數。此配準算法的缺點是準確度較低，速度較慢。另一種方法是使用DRR技術對MRI和X-Ray圖像配準的算法和系統，其特點在于先對MRI圖像做提取分割，由分割后的圖像生成DRR用于配準，缺點是算法需要事先訓練，從而獲取特征用于分割，受限于訓練的集合大小及范圍，而且成本較大。

形狀描述子已經廣泛應用于現在的形狀匹配算法中，輪廓段的角度信息和弧長弦長的關系表示其邊界信息，采樣點和質心點之間的距離關系表示其區域信息，所以能夠對輪廓段的形狀有完全定量的描述，更全面地描述輪廓的形狀，顯著提高描述能力。

本發明將形狀描述子方法應用于術前三維影像與術中透視圖像的無標定物配準過程中，可提高配準精度和速度。

發明內容

本發明提供了一種術前三維影像與術中透視圖像的無標定物配準方法，可應用于外科手術導航系統，使其操作簡單，速度快，準確度高。

為實現上述目的，本發明中術前三維影像與術中透視圖像的無標定物配準方法包括以下步驟：

1)首先利用人體模型，設計出一個模擬現實的解剖學和頻率相關的系統噪聲(包括量子噪聲)模型M：

2)在手術開始前，由CT或MRI獲取一系列三維圖像，根據手術需求，在冠狀位、矢狀位或橫斷位的視角方向上，從0°開始每間隔預設度數根據CT或MRI提供的三維圖像生成N張DRR圖像，獲取對應的位姿參數P；其中，P＝(θx,θy,θz,X,Y,Z)，θx、θy、θz表示旋轉方向， X、Y、Z表示坐標系下各個方向下的平移量；

3)在手術過程中，C型臂上的X射線機獲取不同角度的X-Ray透視圖像；

4)對DRR圖像i應用模型M，添加解剖學噪聲和頻率相關噪聲，透視圖像上的每一個像素均做二維高斯加權歸一化處理，每一個像素原始灰度值減去高斯加權均值，然后除以高斯加權均方差從而獲取歸一化后的像素灰度值；

5)采用線性直方圖匹配算法，校正DRR圖像i與X-Ray透射圖像的灰度差異，選擇灰度值大于投影圖像灰度均值的區域進行直方圖匹配，消除背景像素對直方圖的影響；

6)對DRR圖像i與X-Ray用OpenCV3.4.0中的canny算子進行邊緣檢測，再用findContours() 分別進行輪廓提取，透射圖像進行輪廓和直方圖相似度比較，如果兩組圖像匹配，獲取X-Ray 透射圖像位姿參數，并進入下一步；否則提取DRR圖像i+1信息，并返回步驟4)；

7)進行輪廓相關性和點配準為術前三維影像和X-Ray透視圖像精確配準，輸出精確配準后的圖像，完成術前三維影像與術中透視圖像的無標定物配準；