一種脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，通過(guò)X光片對(duì)脊柱的每一節(jié)段進(jìn)行分割，與CT構(gòu)建的3D模型的相應(yīng)每一節(jié)段進(jìn)行匹配，并估計(jì)剛體變換，從而得到配準(zhǔn)結(jié)果；在此基礎(chǔ)上，對(duì)脊柱整體進(jìn)行拼合，重建出病人在手術(shù)臺(tái)上的實(shí)時(shí)三維脊柱形態(tài)，對(duì)手術(shù)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，及時(shí)校正置釘方位，對(duì)術(shù)中錯(cuò)誤置釘進(jìn)行補(bǔ)救，減小了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了手術(shù)成功率。本發(fā)明利用脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個(gè)脊柱屬于非剛體，非剛體關(guān)節(jié)目標(biāo)的2D/3D影像配準(zhǔn)；通過(guò)2D影像估計(jì)椎弓根螺釘?shù)?D位置，并重構(gòu)手術(shù)置釘后病人脊柱的3D形態(tài)；解決了現(xiàn)有的脊柱后路手術(shù)術(shù)中缺少可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)控與校正，沒(méi)有對(duì)手術(shù)中存在的危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于臨床醫(yī)學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]腰部疾病其病因多源 于脊柱病變，美國(guó)NIH統(tǒng)計(jì):美國(guó)每年脊柱手術(shù)量超過(guò)100萬(wàn)例，其中腰椎手術(shù)超過(guò)25萬(wàn)例，治療費(fèi)用近60億美元，我國(guó)脊柱病變患者數(shù)量比歐美國(guó)家更多，施行脊柱手術(shù)是他們中大多數(shù)患者的首選治療方案。
[0003]在所有脊椎節(jié)段中，樞椎被認(rèn)為是較難實(shí)施椎弓根螺釘置入的節(jié)段之一，主要與下列因素有關(guān)系:
[0004]①樞椎椎弓根的寬度和高度均較小，置釘難度大；
[0005]②樞椎椎弓根周?chē)匾Y(jié)構(gòu)多，一旦損傷，后果嚴(yán)重；
[0006]③由于椎動(dòng)脈孔解剖變異的存在，樞椎椎弓根的解剖結(jié)構(gòu)不同于普通頸椎，存在一定的特殊性；
[0007]以上三種原因中，尤其是最后一種，可能是導(dǎo)致樞椎椎弓根置釘較難掌握的重要原因。
[0008]手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)起源于神經(jīng)外科，目前已廣泛應(yīng)用于脊柱外科、耳鼻喉科、整形外科等領(lǐng)域，由于脊柱外科手術(shù)中病例較多且風(fēng)險(xiǎn)較大，因此導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用最為迫切與廣泛，目前國(guó)內(nèi)外脊柱后路導(dǎo)航的方法有以下幾種:1.傳統(tǒng)透視方法，現(xiàn)應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn):定位精確性不高，2.1s0-C臂術(shù)中三維導(dǎo)航，影像數(shù)據(jù)由C型臂X線機(jī)在術(shù)中即時(shí)影像三維重建獲取，3.將術(shù)前螺旋CT檢查所獲得數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，在導(dǎo)航系統(tǒng)三維影像引導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)，4.目標(biāo)跟蹤的三維圖像導(dǎo)航系統(tǒng)，5.在手術(shù)室安裝專(zhuān)用的CT設(shè)備導(dǎo)航，其缺點(diǎn)是需要在手術(shù)室專(zhuān)門(mén)配備CT設(shè)備，需要特制的手術(shù)床，花費(fèi)大等問(wèn)題，6.首先獲得三維旋轉(zhuǎn)X線圖像，再將獲得MRI，將前者注冊(cè)于后者，進(jìn)行圖像處理及導(dǎo)航，是既適于骨又適于軟組織的手術(shù)導(dǎo)航，然而，設(shè)備的昂貴嚴(yán)重影響本法的普及和推廣，7.機(jī)器人輔助導(dǎo)航，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，旨在解決現(xiàn)有的脊柱后路手術(shù)術(shù)中缺少實(shí)時(shí)的導(dǎo)航指導(dǎo)，沒(méi)有對(duì)手術(shù)中存在的危險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警方法的問(wèn)題。
[0010]本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，該脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法包括:脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，包括:
[0011]步驟一，系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)C臂X射線機(jī)與CT設(shè)備坐標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過(guò)兩者成像后的結(jié)果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標(biāo)系中；
[0012]步驟二，獲取的術(shù)中正側(cè)位X片與術(shù)前CT序列片，分別把它們轉(zhuǎn)換至各自相應(yīng)的立體坐標(biāo)系下，最后通過(guò)歐拉轉(zhuǎn)換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下；
[0013]步驟三，術(shù)前CT的脊柱三維重建及椎節(jié)標(biāo)定；通過(guò)對(duì)CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號(hào)進(jìn)行提取，分割獲取脊柱斷層圖片，進(jìn)行三維重建，獲取脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格面片的構(gòu)建，而后進(jìn)行三維模型重構(gòu)與渲染，獲得脊柱二維模型；
[0014]步驟四，二維X片脊柱與3D脊柱模型的椎節(jié)對(duì)應(yīng)；根據(jù)術(shù)中置釘后正側(cè)位X片脊椎與3D脊柱模型的的圖像特征與醫(yī)學(xué)特征共同確定椎節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0015]步驟五，術(shù)中脊柱的實(shí)時(shí)三維重構(gòu)；根據(jù)術(shù)中置釘后正側(cè)位X片脊椎與3D脊柱模型的圖像特征，通過(guò)每一單個(gè)椎體階段的2D-3D配準(zhǔn)，實(shí)時(shí)的三維重構(gòu)病人術(shù)中三維脊柱形態(tài)；
[0016]步驟六，術(shù)中錐弓根螺釘定位與三維重構(gòu)；
[0017]步驟七，給出可視化的置釘指導(dǎo)置釘后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于錯(cuò)誤以及具有風(fēng)險(xiǎn)的置位螺釘，給出警告及提示，及時(shí)的校正與補(bǔ)救術(shù)中的操作。
[0018]進(jìn)一步，該脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個(gè)脊柱屬于非剛體，通過(guò) 脊柱節(jié)段剛體目標(biāo)的2D/3D影像配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)非剛體關(guān)節(jié)脊柱目標(biāo)的
三維重構(gòu)。
[0019]進(jìn)一步，該脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法通過(guò)2D影像估計(jì)椎弓根螺釘?shù)?D位置，并重構(gòu)手術(shù)置釘后病人脊柱的3D形態(tài)。
[0020]進(jìn)一步，步驟三的具體方法:
[0021]第一步，對(duì)于CT斷層圖像，通過(guò)閾值法，提取高亮度骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)；
[0022]第二步，通過(guò)CT圖像序列獲取的序列骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像的像素大小、層厚與層掃間距，構(gòu)建真實(shí)的人體骨骼三維點(diǎn)云；
[0023]第三步，病人脊柱三維模型的分離與椎節(jié)的標(biāo)定，病人骨骼三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含了其脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可在前述第二步中進(jìn)行分離，但為獲得有序標(biāo)識(shí)椎體節(jié)段的脊柱模型，把脊柱三維模型的分離與椎節(jié)標(biāo)定同時(shí)進(jìn)行；首先，通過(guò)CT圖像序列中的骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)人體醫(yī)學(xué)盆骨、肋骨及肩鎖骨特征，在病人骨質(zhì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取盆骨與肋骨位置；下一步，根據(jù)盆骨與腰椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷腰椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離盆骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)肋骨與胸椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷胸椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離肋骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再后，根據(jù)肩鎖骨與頸椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷頸椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離肩鎖骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后，建立有序標(biāo)識(shí)椎體節(jié)段的脊柱三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0024]第四步，提取三維點(diǎn)云的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)球網(wǎng)格重構(gòu)法對(duì)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格面片重構(gòu)，并渲染獲取病人骨骼三維模型。
[0025]進(jìn)一步，步驟四的具體方法:
[0026]第一步，通過(guò)canny邊緣提取方法，提取正側(cè)位X片中脊柱椎體階段及盆骨邊緣；
[0027]第二步，根據(jù)盆骨與脊柱較大差異的圓弧與尺寸特征，獲取盆骨位置，從而確定腰椎節(jié)段，建立并標(biāo)記脊柱椎體序列；
[0028]第三步，為進(jìn)一步確認(rèn)椎體階段的正確性，根據(jù)X片圖像中椎體節(jié)段的彎曲程度和椎體尺寸，與3D模型對(duì)應(yīng)角度的椎體節(jié)段投影成像，進(jìn)行匹配與對(duì)應(yīng)，復(fù)合二維椎體與三維椎體的對(duì)應(yīng)性。
[0029]進(jìn)一步，步驟五的具體方法:
[0030]第一步，提取正側(cè)位X片中高亮度椎弓根螺釘圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)進(jìn)行分割，獲取螺釘邊緣；
[0031]第二步,通過(guò)canny邊緣提取算法,提取椎體節(jié)段正側(cè)位X片邊緣特征點(diǎn)；
[0032]第三步，根據(jù)第一步獲取的螺釘邊緣，去除邊緣特征點(diǎn)中的螺釘邊緣點(diǎn)；
[0033]第四步，選擇固定3D脊柱模型姿態(tài)的某一橫滾角，通過(guò)canny邊緣提取算法，提取3D脊柱模型正側(cè)位投影圖像邊緣特征點(diǎn)；
[0034]第五步，利用ICP算法，分別對(duì)此時(shí)固定橫滾角的3D脊柱模型節(jié)段正側(cè)位投影邊緣點(diǎn)與正側(cè)位X片節(jié)段邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而估計(jì)X片中脊柱姿態(tài)的方位角及俯仰角，并計(jì)
算誤差;
[0035]第六步，重復(fù)第四步和第五步，直到誤差滿(mǎn)足實(shí)際手術(shù)精度；
[0036]第七步，根據(jù)脊柱椎體每一節(jié)段的配準(zhǔn)結(jié)果，調(diào)整病人3D脊柱每一階段模型，從而準(zhǔn)實(shí)時(shí)重構(gòu)，病人術(shù)中三維脊柱模型，并記錄每一節(jié)段相應(yīng)的配準(zhǔn)參數(shù)。
[0037]進(jìn)一步，步驟六術(shù)中錐弓根螺釘定位與三維重構(gòu)的具體方法:
[0038]第一步，術(shù)前獲取相應(yīng)型號(hào)的錐弓根螺釘3D模型；
[0039]第二步，對(duì)每一脊柱椎體每一節(jié)段上螺釘，根據(jù)螺釘中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在正位X片中，確定螺釘姿態(tài)橫滾角；
[0040]第三步，利用ICP算法，對(duì)正位X片中螺釘邊緣點(diǎn)與螺釘3D模型在對(duì)應(yīng)橫滾角下的正位投影邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定螺釘?shù)姆轿唤?；同時(shí)提取螺釘中心位置，確定螺釘?shù)脑谡籜片中XZ平面位置；
[0041]第四步，利用ICP算法，對(duì)側(cè)位X片中螺釘邊緣點(diǎn)與螺釘3D模型在對(duì)應(yīng)橫滾角下的側(cè)位投影邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定螺釘?shù)母┭鼋?；同時(shí)提取螺釘中心位置，確定螺釘?shù)脑趥?cè)位X片中YZ平面位置；
[0042]第五步，根據(jù)計(jì)算獲得的正側(cè)位配準(zhǔn)參數(shù)，以及估計(jì)的橫滾角與第C、D步中估計(jì)的方位角、俯仰角、XZ平面位置、YZ平面位置，計(jì)算重構(gòu)病人實(shí)際三維脊柱模型中，置釘后螺釘?shù)臏?zhǔn)確位置；
[0043]第六步，重復(fù)第二步-第五步，直至完成所有螺釘?shù)臏?zhǔn)確三維重構(gòu)。
[0044]本發(fā)明提供的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，通過(guò)X光片對(duì)脊柱的每一節(jié)段進(jìn)行分割，與CT構(gòu)建的3D模型的相應(yīng)每一節(jié)段進(jìn)行匹配，并估計(jì)剛體變換，從而得到配準(zhǔn)結(jié)果；在此基礎(chǔ)上，對(duì)脊柱整體進(jìn)行拼合，重建出病人在手術(shù)臺(tái)上的實(shí)時(shí)三維脊柱形態(tài)，對(duì)手術(shù)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，及時(shí)校正置釘方位，對(duì)術(shù)中錯(cuò)誤置釘進(jìn)行補(bǔ)救，減小了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了手術(shù)成功率。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，利用脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個(gè)脊柱屬于非剛體，非剛體關(guān)節(jié)目標(biāo)的2D/3D影像配準(zhǔn)；通過(guò)2D影像估計(jì)椎弓根螺釘?shù)?D位置，并重構(gòu)手術(shù)置釘后病人脊柱的3D形態(tài)；較好地解決了現(xiàn)有的脊柱后路手術(shù)術(shù)中缺少實(shí)時(shí)的導(dǎo)航指導(dǎo)，沒(méi)有對(duì)手術(shù)中存在的危險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警方法的問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0046]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0047]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0048]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法包括以下步驟:
[0049]SlOl:系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)C臂X射線機(jī)與CT設(shè)備坐標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過(guò)兩者成像后的結(jié)果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標(biāo)系中；
[0050]S102:獲取的術(shù)中正側(cè)位X片與術(shù)前CT序列片，分別把它們轉(zhuǎn)換至各自相應(yīng)的立體坐標(biāo)系下，最后通過(guò)歐拉轉(zhuǎn)換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下；
[0051]S103:通過(guò)對(duì)CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號(hào)進(jìn)行提取，分割獲取脊柱斷層圖片，進(jìn)行三維重建，獲取脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0052]S104:通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格面片的構(gòu)建，而后進(jìn)行三維模型重構(gòu)與渲染，獲得脊柱三維模型；
[0053]S105:根據(jù)X片中與3D模型中的圖像特征確定對(duì)應(yīng)，通過(guò)彎曲程度和椎體尺寸；對(duì)應(yīng)X片椎體與模型椎體的空間變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)術(shù)中的病人脊柱實(shí)時(shí)的三維重構(gòu)；
[0054]S106:利用攝像頭拍攝的器械及螺釘圖像，提取相應(yīng)目標(biāo)的視覺(jué)特征，識(shí)別器械；對(duì)器械及螺釘人工進(jìn)行給予明顯的標(biāo)識(shí)，在圖像中提取相應(yīng)目標(biāo)的標(biāo)識(shí)，識(shí)別器械；
[0055]S107:利用兩個(gè)以上設(shè)置在手術(shù)室不同位置的攝像頭，在不同角度產(chǎn)生具有視差的目標(biāo)圖像，通過(guò)已知攝像頭的位置以及目標(biāo)圖像之間存在的視差，計(jì)算得到目標(biāo)的精確位置；
[0056]S108:通過(guò)攝像頭在術(shù)中的實(shí)時(shí)定位及跟蹤手術(shù)器械，醫(yī)生的器械操作過(guò)程將實(shí)時(shí)顯示，給出可視化的置釘指導(dǎo)置釘后給出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)的校正與補(bǔ)救術(shù)中的操作。
[0057]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0058]第一步，系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定:
[0059]系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定主要是實(shí)現(xiàn)C臂X射線機(jī)與CT設(shè)備坐標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過(guò)兩者成像后的結(jié)果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標(biāo)系中。從而在較大程度上減小尺度、仿射等形變，為后續(xù)2D/3D配準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)；
[0060]第二步，獲取的術(shù)中正側(cè)位X片與術(shù)前CT序列片，分別把它們轉(zhuǎn)換至各自相應(yīng)的立體坐標(biāo)系下(XlYlZl)與(X2Y2Z2);最后通過(guò)歐拉轉(zhuǎn)換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系O-XYZ 下；
[0061]第三步，通過(guò)對(duì)CT斷層圖像中脊柱特征(及CT片中高亮度信號(hào))進(jìn)行提取，分割獲取脊柱斷層圖片(圖片中只包含脊柱)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維重建，獲取脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0062]第四步，通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格面片的構(gòu)建，而后進(jìn)行三維模型重構(gòu)與渲染，獲得脊柱三維模型；
[0063] 第五步，根據(jù)X片中與3D模型中的圖像特征確定對(duì)應(yīng)，通過(guò)彎曲程度和椎體尺寸；對(duì)應(yīng)X片椎體與模型椎體的空間變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)術(shù)中的病人脊柱實(shí)時(shí)的三維重構(gòu)；
[0064]第六步，利用攝像頭拍攝的器械及螺釘圖像，提取相應(yīng)目標(biāo)的視覺(jué)特征，識(shí)別器械；對(duì)器械及螺釘人工進(jìn)行給予明顯的標(biāo)識(shí)，在圖像中提取相應(yīng)目標(biāo)的標(biāo)識(shí)，識(shí)別器械；
[0065]第七步，利用兩個(gè)以上設(shè)置在手術(shù)室不同位置的攝像頭，在不同角度產(chǎn)生具有視差的目標(biāo)圖像，通過(guò)已知攝像頭的位置以及目標(biāo)圖像之間存在的視差，計(jì)算得到目標(biāo)的精確位置；
[0066]第八步，通過(guò)攝像頭在術(shù)中的實(shí)時(shí)定位及跟蹤手術(shù)器械，醫(yī)生的器械操作過(guò)程將實(shí)時(shí)的在系統(tǒng)中顯示；提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航，給出可視化的置釘指導(dǎo)置釘后給出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，為術(shù)中校正與補(bǔ)救提供依據(jù)。
[0067]結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的效果做進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0068]實(shí)施例1:
[0069]步驟一，系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)C臂X射線機(jī)與CT設(shè)備坐標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過(guò)兩者成像后的結(jié)果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標(biāo)系中；
[0070]步驟二，獲取的術(shù)中正側(cè)位X片與術(shù)前CT序列片，分別把它們轉(zhuǎn)換至各自相應(yīng)的立體坐標(biāo)系下，最后通過(guò)歐拉轉(zhuǎn)換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下；
[0071]步驟三，術(shù)前CT的脊柱三維重建及椎節(jié)標(biāo)定。通過(guò)對(duì)CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號(hào)進(jìn) 行提取，分割獲取脊柱斷層圖片，進(jìn)行三維重建，獲取脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格面片的構(gòu)建，而后進(jìn)行三維模型重構(gòu)與渲染，獲得脊柱三維模型；具體方法:
[0072]A、對(duì)于CT斷層圖像，通過(guò)閾值法，提取高亮度骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)；
[0073]B、通過(guò)CT圖像序列獲取的序列骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像的像素大小、層厚與層掃間距，構(gòu)建真實(shí)的人體骨骼三維點(diǎn)云；
[0074]C、病人脊柱三維模型的分離與椎節(jié)的標(biāo)定。病人骨骼三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含了其脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可在前述第B步中進(jìn)行分離。但為獲得有序標(biāo)識(shí)椎體節(jié)段的脊柱模型，把脊柱三維模型的分離與椎節(jié)標(biāo)定同時(shí)進(jìn)行。首先，通過(guò)CT圖像序列中的骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)人體醫(yī)學(xué)盆骨、肋骨及肩鎖骨特征，在病人骨質(zhì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取盆骨與肋骨位置；下一步，根據(jù)盆骨與腰椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷腰椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離盆骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)肋骨與胸椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷胸椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離肋骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再后，根據(jù)肩鎖骨與頸椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷頸椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離肩鎖骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后，建立有序標(biāo)識(shí)椎體節(jié)段的脊柱三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0075]D、提取三維點(diǎn)云的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)球網(wǎng)格重構(gòu)法對(duì)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格面片重構(gòu)，并渲染獲取病人骨骼三維模型；
[0076]步驟四，二維X片脊柱與3D脊柱模型的椎節(jié)對(duì)應(yīng)。根據(jù)術(shù)中置釘后正側(cè)位X片脊椎與3D脊柱模型的的圖像特征與醫(yī)學(xué)特征共同確定椎節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體方法:
[0077]A、通過(guò)canny邊緣提取方法，提取正側(cè)位X片中脊柱椎體階段及盆骨邊緣；
[0078]B、根據(jù)盆骨與脊柱較大差異的圓弧與尺寸特征，獲取盆骨位置，從而確定腰椎節(jié)段，建立并標(biāo)記脊柱椎體序列；
[0079]C、為進(jìn)一步確認(rèn)椎體階段的正確性，根據(jù)X片圖像中椎體節(jié)段的彎曲程度和椎體尺寸，與3D模型對(duì)應(yīng)角度的椎體節(jié)段投影成像，進(jìn)行匹配與對(duì)應(yīng)，復(fù)合二維椎體與三維椎體的對(duì)應(yīng)性；
[0080]步驟五，術(shù)中脊柱的準(zhǔn)實(shí)時(shí)三維重構(gòu)。根據(jù)術(shù)中置釘后正側(cè)位X片脊椎與3D脊柱模型的圖像特征，通過(guò)每一單個(gè)椎體階段的2D-3D配準(zhǔn)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)的三維重構(gòu)病人術(shù)中三維脊柱形態(tài)，具體方法:
[0081] A、提取正側(cè)位X片中高亮度椎弓根螺釘圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分割，獲取螺釘邊緣；
[0082]B、通過(guò)canny邊緣提取算法,提取椎體節(jié)段正側(cè)位X片邊緣特征點(diǎn)；
[0083]C、根據(jù)第一步獲取的螺釘邊緣，去除邊緣特征點(diǎn)中的螺釘邊緣點(diǎn)；
[0084]D、選擇固定3D脊柱模型姿態(tài)的某一橫滾角，通過(guò)canny邊緣提取算法，提取3D脊柱模型正側(cè)位投影圖像邊緣特征點(diǎn)；
[0085]E、利用ICP算法，分別對(duì)此時(shí)固定橫滾角的3D脊柱模型節(jié)段正側(cè)位投影邊緣點(diǎn)與正側(cè)位X片節(jié)段邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而估計(jì)X片中(實(shí)際病人)脊柱姿態(tài)的方位角及俯仰角，并計(jì)算誤差；
[0086]F、重復(fù)步驟五中D、E，直到誤差滿(mǎn)足實(shí)際手術(shù)精度；
[0087]G、根據(jù)脊柱椎體每一節(jié)段的配準(zhǔn)結(jié)果，調(diào)整病人3D脊柱每一階段模型，從而準(zhǔn)實(shí)時(shí)重構(gòu)，病人術(shù)中三維脊柱模型，并記錄每一節(jié)段相應(yīng)的配準(zhǔn)參數(shù)。
[0088]步驟六，術(shù)中錐弓根螺釘定位與三維重構(gòu)。具體方法:
[0089]A、術(shù)前獲取相應(yīng)型號(hào)的錐弓根螺釘3D模型；
[0090]B、對(duì)每一脊柱椎體每一節(jié)段上螺釘，根據(jù)螺釘中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在正位X片中，確定螺釘姿態(tài)橫滾角；
[0091 ] C、利用ICP算法，對(duì)正位X片中螺釘邊緣點(diǎn)與螺釘3D模型在對(duì)應(yīng)橫滾角下的正位投影邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定螺釘?shù)姆轿唤牵煌瑫r(shí)提取螺釘中心位置，確定螺釘?shù)脑谡籜片中XZ平面位置；
[0092]D、利用ICP算法，對(duì)側(cè)位X片中螺釘邊緣點(diǎn)與螺釘3D模型在對(duì)應(yīng)橫滾角下的側(cè)位投影邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定螺釘?shù)母┭鼋牵煌瑫r(shí)提取螺釘中心位置，確定螺釘?shù)脑趥?cè)位X片中YZ平面位置；
[0093]E、根據(jù)步驟五中計(jì)算獲得的正側(cè)位配準(zhǔn)參數(shù)，以及步驟六第B步中估計(jì)的橫滾角與第C、D步中估計(jì)的方位角、俯仰角、XZ平面位置、YZ平面位置，計(jì)算重構(gòu)病人實(shí)際三維脊柱模型中，置釘后螺釘?shù)臏?zhǔn)確位置；
[0094]F、重復(fù)步驟六中B、C、D、E,直至完成所有螺釘?shù)臏?zhǔn)確三維重構(gòu)；
[0095]步驟七，給出可視化的置釘指導(dǎo)置釘后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于錯(cuò)誤以及具有風(fēng)險(xiǎn)的置位螺釘，給出警告及提示，及時(shí)的校正與補(bǔ)救術(shù)中的操作。
[0096]本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，利用脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個(gè)脊柱屬于非剛體，非剛體關(guān)節(jié)目標(biāo)的2D/3D影像配準(zhǔn)；通過(guò)2D影像估計(jì)椎弓根螺釘?shù)?D位置，并重構(gòu)手術(shù)置釘后病人脊柱的3D形態(tài)；較好地解決了現(xiàn)有的脊柱后路手術(shù)術(shù)中缺少實(shí)時(shí)的導(dǎo)航指導(dǎo)，沒(méi)有對(duì)手術(shù)中存在的危險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警方法的問(wèn)題。
[0097]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，其特征在于，該脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法包括: 步驟一，系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)C臂X射線機(jī)與CT設(shè)備坐標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過(guò)兩者成像后的結(jié)果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標(biāo)系中； 步驟二，獲取的術(shù)中正側(cè)位X片與術(shù)前CT序列片，分別把它們轉(zhuǎn)換至各自相應(yīng)的立體坐標(biāo)系下，最后通過(guò)歐拉轉(zhuǎn)換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下； 步驟三，術(shù)前CT的脊柱三維重建及椎節(jié)標(biāo)定；通過(guò)對(duì)CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號(hào)進(jìn)行提取，分 割獲取脊柱斷層圖片，進(jìn)行三維重建，獲取脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格面片的構(gòu)建，而后進(jìn)行三維模型重構(gòu)與渲染，獲得脊柱三維模型； 步驟四，二維X片脊柱與3D脊柱模型的椎節(jié)對(duì)應(yīng)；根據(jù)術(shù)中置釘后正側(cè)位X片脊椎與3D脊柱模型的的圖像特征與醫(yī)學(xué)特征共同確定椎節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系； 步驟五，術(shù)中脊柱的準(zhǔn)實(shí)時(shí)三維重構(gòu)；根據(jù)術(shù)中置釘后正側(cè)位X片脊椎與3D脊柱模型的圖像特征，通過(guò)每一單個(gè)椎體階段的2D-3D配準(zhǔn)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)的三維重構(gòu)病人術(shù)中三維脊柱形態(tài)； 步驟六，術(shù)中錐弓根螺釘定位與三維重構(gòu)； 步驟七，給出可視化的置釘指導(dǎo)置釘后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于錯(cuò)誤以及具有風(fēng)險(xiǎn)的置位螺釘，給出警告及提示，及時(shí)的校正與補(bǔ)救術(shù)中的操作。
2.如權(quán)利要求1所述的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，其特征在于，該脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個(gè)脊柱屬于非剛體，通過(guò)剛體目標(biāo)的2D/3D影像配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)非剛體關(guān)節(jié)目標(biāo)的三維重構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，其特征在于，該脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法通過(guò)2D影像估計(jì)椎弓根螺釘?shù)?D位置，并重構(gòu)手術(shù)置釘后病人脊柱的3D形態(tài)。
4.如權(quán)利要求1所述的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，其特征在于，步驟三的具體方法: 第一步，對(duì)于CT斷層圖像，通過(guò)閾值法，提取高亮度骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)； 第二步，通過(guò)CT圖像序列獲取的序列骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像的像素大小、層厚與層掃間距，構(gòu)建真實(shí)的人體骨骼三維點(diǎn)云； 第三步，病人脊柱三維模型的分離與椎節(jié)的標(biāo)定，病人骨骼三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含了其脊柱的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可在前述第二步中進(jìn)行分離，但為獲得有序標(biāo)識(shí)椎體節(jié)段的脊柱模型，把脊柱三維模型的分離與椎節(jié)標(biāo)定同時(shí)進(jìn)行；首先，通過(guò)CT圖像序列中的骨質(zhì)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)人體醫(yī)學(xué)盆骨、肋骨及肩鎖骨特征，在病人骨質(zhì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取盆骨與肋骨位置；下一步，根據(jù)盆骨與腰椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷腰椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離盆骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)肋骨與胸椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷胸椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離肋骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再后，根據(jù)肩鎖骨與頸椎在人體骨骼醫(yī)學(xué)中關(guān)系，判斷頸椎節(jié)段，進(jìn)行標(biāo)定并分離肩鎖骨與椎體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后，建立有序標(biāo)識(shí)椎體節(jié)段的脊柱三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 第四步，提取三維點(diǎn)云的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)球網(wǎng)格重構(gòu)法對(duì)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格面片重構(gòu)，并渲染獲取病人骨骼三維模型。
5.如權(quán)利要求1所述的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，其特征在于，步驟四的具體方法: 第一步，通過(guò)canny邊緣提取方法，提取正側(cè)位X片中脊柱椎體階段及盆骨邊緣；第二步，根據(jù)盆骨與脊柱較大差異的圓弧與尺寸特征，獲取盆骨位置，從而確定腰椎節(jié)段，建立并標(biāo)記脊柱椎體序列； 第三步，為進(jìn)一步確認(rèn)椎體階段的正確性，根據(jù)X片圖像中椎體節(jié)段的彎曲程度和椎體尺寸，與3D模型對(duì)應(yīng)角度的椎體節(jié)段投影成像，進(jìn)行匹配與對(duì)應(yīng)，復(fù)合二維椎體與三維椎體的對(duì)應(yīng)性。
6.如權(quán)利要求1所述的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，其特征在于，步驟五的具體方法: 第一步，提取正側(cè)位X片中高亮度椎弓根螺釘圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)進(jìn)行分割，獲取螺釘邊緣； 第二步，通過(guò)canny邊緣提取算法,提取椎體節(jié)段正側(cè)位X片邊緣特征點(diǎn)； 第三步，根據(jù)第一步獲取的螺釘邊緣，去除邊緣特征點(diǎn)中的螺釘邊緣點(diǎn)； 第四步，選擇固定3D脊柱模型姿態(tài)的某一橫滾角，通過(guò)canny邊緣提取算法，提取3D脊柱模型正側(cè)位投影圖像邊緣特征點(diǎn)； 第五步，利用ICP算法，分別對(duì)此時(shí)固定橫滾角的3D脊柱模型節(jié)段正側(cè)位投影邊緣點(diǎn)與正側(cè)位X片節(jié)段邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而估計(jì)X片中脊柱姿態(tài)的方位角及俯仰角，并計(jì)算誤差; 第六步，重復(fù)第四步和第五步，直到誤差滿(mǎn)足實(shí)際手術(shù)精度； 第七步，根據(jù)脊柱椎體每一節(jié)段的配準(zhǔn)結(jié)果，調(diào)整病人3D脊柱每一階段模型，從而準(zhǔn)實(shí)時(shí)重構(gòu)，病人術(shù)中三維脊柱模型，并記錄每一節(jié)段相應(yīng)的配準(zhǔn)參數(shù)。
7.如權(quán)利要求1或6所述的脊柱后路手術(shù)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估與校正的方法，其特征在于，步驟六術(shù)中錐弓根螺釘定位與三維重構(gòu)的具體方法: 第一步，術(shù)前獲取相應(yīng)型號(hào)的錐弓根螺釘3D模型； 第二步，對(duì)每一脊柱椎體每一節(jié)段上螺釘，根據(jù)螺釘中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在正位X片中，確定螺釘姿態(tài)橫滾角； 第三步，利用ICP算法，對(duì)正位X片中螺釘邊緣點(diǎn)與螺釘3D模型在對(duì)應(yīng)橫滾角下的正位投影邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定螺釘?shù)姆轿唤?；同時(shí)提取螺釘中心位置，確定螺釘?shù)脑谡籜片中XZ平面位置； 第四步，利用ICP算法，對(duì)側(cè)位X片中螺釘邊緣點(diǎn)與螺釘3D模型在對(duì)應(yīng)橫滾角下的側(cè)位投影邊緣點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定螺釘?shù)母┭鼋?；同時(shí)提取螺釘中心位置，確定螺釘?shù)脑趥?cè)位X片中YZ平面位置； 第五步，根據(jù)計(jì)算獲得的正側(cè)位配準(zhǔn)參數(shù)，以及估計(jì)的橫滾角與第C、D步中估計(jì)的方位角、俯仰角、XZ平面位置、YZ平面位置，計(jì)算重構(gòu)病人實(shí)際三維脊柱模型中，置釘后螺釘?shù)臏?zhǔn)確位置； 第六步，重復(fù)第二步-第五步，直至完成所有螺釘?shù)臏?zhǔn)確三維重構(gòu)。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK103976790SQ201410214341
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】周勇, 譚志國(guó), 張朝躍, 鄒春華 申請(qǐng)人:周勇, 譚志國(guó)