專利名稱：一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種標定模及使用方法，特別是關(guān)于一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模及使用方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)手術(shù)中，病灶不能直接用肉眼觀察，例如不開刀的微創(chuàng)手術(shù)或者無創(chuàng)手術(shù)， 或者不方便用肉眼觀察，例如腦部神經(jīng)外科手術(shù)，醫(yī)生只能憑借肉眼觀察病灶的圖像，憑經(jīng)驗將手術(shù)器械放置到目標位置，這種方式造成的手術(shù)器件和病灶部位定位之間的誤差，會拖延手術(shù)的時間，影響手術(shù)的質(zhì)量，特別是這種誤差有時會給患者帶來不必要的痛苦和損傷。手術(shù)導航系統(tǒng)是在醫(yī)學影像設(shè)備，包括磁共振成像設(shè)備、計算機斷層掃描設(shè)備(CT)、C 型臂、X線設(shè)備、超聲波成像系統(tǒng)等，所成圖像的引導下，利用跟蹤系統(tǒng)測量手術(shù)器械的位置，從而可以把病灶的圖像和虛擬手術(shù)器械融合并顯示在屏幕上，幫助醫(yī)生精確定位病灶和手術(shù)器械的位置，并觀察病灶周圍的器官和組織，幫助醫(yī)生避開重要的器官和組織，將手術(shù)器械安全地放置到預定地點，以便完成治療。手術(shù)導航設(shè)備進入外科并用計算機改進或完善了外科醫(yī)師的能力以進行各項操作，在一定程度上降低了外科治療所造成的損傷，縮短了手術(shù)時間。最新的導航技術(shù)是將病灶圖片和虛擬的手術(shù)器械放到同一個坐標系下觀測，即顯示在同一個工作屏幕上(如液晶屏幕、投影屏幕或者其它形式的顯示器材)，并且屏幕上兩者的相對位置和實際的病灶與手術(shù)器械的相對位置相同，從而醫(yī)生可以通過觀察屏幕既能看到病灶，也能看到手術(shù)器械，進而準確而快速地將手術(shù)器械放置到目標位置。圖像導航手術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于建立固定成像設(shè)備坐標系與手術(shù)器械坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為實現(xiàn)這一坐標轉(zhuǎn)換，需要借助一個標定裝置，建立轉(zhuǎn)換關(guān)系的過程被稱為導航系統(tǒng)的標定。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模及使用方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模，其特征在于它包括標定模本體，設(shè)置在所述標定模本體內(nèi)部的掃描標志，設(shè)置在所述標定模本體內(nèi)部或表面的導航標志；所述掃描標志的數(shù)量為三個以上，且各掃描標志位于不在同一條直線上的同一平面內(nèi)；各所述掃描標志的圖像灰度與所述標定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；各所述掃描標志均具有一選定的特征點。各所述掃描標志均為一圓片，所述圓片的特征點為圓片的圓心。各所述掃描標志均為一三角片，所述三角片的特征點為三角片的其中一頂點或三角片的重心。各所述掃描標志均為一球體，所述球體的特征點為球體的球心。各所述掃描標志為圓片、三角片、球體中的任意兩種或兩種以上的組合，所述圓片的特征點為圓片的圓心，所述三角片的特征點為三角片的其中一頂點或三角片的重心，所述球體的特征點為球體的球心。上述一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模的使用方法，其包括以下步驟1)設(shè)置一具有掃描標志和導航標志的標定模，所述掃描標志的數(shù)量為三個以上，且各掃描標志位于不在同一直線上的同一平面內(nèi)，各所述掃描標志的圖像灰度與所述標定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；幻通過導航設(shè)備讀取標定模上導航標志在導航設(shè)備下的坐標C:=;根據(jù)= C= * C^er = (CtX)-1 * C^er，得到各掃描標志作為整體在導航標志下的坐標 C=L，其中，C!,表示各掃描標志作為整體在導航設(shè)備下的坐標；3)通過固定成像設(shè)備對標定模進行掃描，獲取標定模的圖像序列，進而獲取標定模上各掃描標志作為整體在固定
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成像設(shè)備下的坐標胃4)根據(jù)公式^^二 = ct ,, 廣，最終獲得固定
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成像設(shè)備在導航設(shè)備下的坐標C:=，完成標定。所述步驟2)中，得到各掃描標志作為整體在導航標志下的坐標Gtto的步驟如下①開啟導航設(shè)備，在一探針的針尖上綁定另一導航標志，從導航設(shè)備中能夠直接獲取探針針尖在導航設(shè)備下的坐標②將探針針尖和各個掃描標志的特征點進行接觸，得到各個掃描標志的特征點在導航設(shè)備下的坐標(Xi，Ii, Z1) (l^i^n)；③根據(jù)各個掃描標志的特征點在導航設(shè)備下的坐標(Xi，Yi, Zi) (1 ^ i ^ η)，計算各掃描標志作為整體在導航設(shè)備下的坐標C!,；④從導航設(shè)備中讀取導航標志在導航設(shè)備下的坐標C:=；⑤根據(jù) CtLr = C;: * C: = C * c:，得到各掃描標志作為整體在導航標志下的坐標
prefer marker °所述步驟③中，根據(jù)各個掃描標志的特征點在導航設(shè)備下的坐標，計算各掃描標志作為整體在導航設(shè)備下的坐標C=,的步驟如下i選擇第一個掃描標志的特征點(Xl， Y1, Z1)作為原點ο ；ii計算從第一個掃描標志的特征點指向第二個掃描標志的特征點的向量作為χ軸，x = ;iii求其余各掃描標志特征點坐標值的平均值，得到P'點，計算第一個掃描標志的特征點指向ρ'點的向量作為參考y軸，;> = ； iv將和；進行向量叉乘，得到的向量作為Z軸，Z = XX;'; V將進行向量叉乘，得到的向量作為最終的y軸， P = ZXχ ; Vi通過原點ο、χ軸、y軸、ζ軸，形成坐標系，得到各掃描標志作為整體在導航設(shè)備下的坐標C!,。所述步驟3)中，獲取標定模上各掃描標志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標的步驟如下①根據(jù)掃描標志所用材料在固定成像設(shè)備下的成像特征，得到各個掃
描標志對應的圖像灰度值區(qū)間(Pixell，Pixel2)；通過對固定成像設(shè)備分層掃描間隔的設(shè)置，獲得包含K張圖像的標定模圖像序列，每張圖像包含I X J個像素，總共有I X JXK個像素，進而得到每個像素對應的灰度值和空間坐標(X，1，ζ)；根據(jù)各掃描標志在標定模上的位置，得到任意掃描標志a到任意掃描標志b之間的距離Dab ；②針對標定模圖像序列，利用各個掃描標志對應的圖像灰度值區(qū)間(Pixell，Pixel2)進行灰度分割，將區(qū)間外的像素的灰度值全部置為0，將區(qū)間內(nèi)的像素的灰度值全部置為某一非零的固定值；在I X JXK個像
素中進行遍歷，查找空間連續(xù)像素塊，得到n+m個連續(xù)像素塊，其中，η表示有η個掃描標志，
m表示有m個噪聲塊；③根據(jù)步驟①中得到的每個像素對應的空間坐標(x，y，z)，計算空間
第i個連續(xù)像素塊的空間坐標(Xi，Yi, Zi)
權(quán)利要求
1.一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模，其特征在于它包括標定模本體，設(shè)置在所述標定模本體內(nèi)部的掃描標志，設(shè)置在所述標定模本體內(nèi)部或表面的導航標志；所述掃描標志的數(shù)量為三個以上，且各掃描標志位于不在同一條直線上的同一平面內(nèi)；各所述掃描標志的圖像灰度與所述標定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；各所述掃描標志均具有一選定的特征點。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模，其特征在于各所述掃描標志均為一圓片，所述圓片的特征點為圓片的圓心。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模，其特征在于各所述掃描標志均為一三角片，所述三角片的特征點為三角片的其中一頂點或三角片的重心。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模，其特征在于各所述掃描標志均為一球體，所述球體的特征點為球體的球心。
5.如權(quán)利要求1所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模，其特征在于各所述掃描標志為圓片、三角片、球體中的任意兩種或兩種以上的組合，所述圓片的特征點為圓片的圓心，所述三角片的特征點為三角片的其中一頂點或三角片的重心，所述球體的特征點為球體的球心。
6.一種如權(quán)利要求1 5任一項所述的用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模的使用方法， 其包括以下步驟1)設(shè)置一具有掃描標志和導航標志的標定模，所述掃描標志的數(shù)量為三個以上，且各掃描標志位于不在同一直線上的同一平面內(nèi)，各所述掃描標志的圖像灰度與所述標定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；2)通過導航設(shè)備讀取標定模上導航標志在導航設(shè)備下的坐標C:=;根據(jù) C:- = C= * C^er = (C::)Λ * C^er，得到各掃描標志作為整體在導航標志下的坐標 C^ker，其中， =,表示各掃描標志作為整體在導航設(shè)備下的坐標；3)通過固定成像設(shè)備對標定模進行掃描，獲取標定模的圖像序列，進而獲取標定模上各掃描標志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標Cr/Lr ； 4)根據(jù)公式
7.如權(quán)利要求6所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模的使用方法，其特征在于所述步驟2)中，得到各掃描標志作為整體在導航標志下的坐標C^tto的步驟如下①開啟導航設(shè)備，在一探針的針尖上綁定另一導航標志，從導航設(shè)備中能夠直接獲取探針針尖在導航設(shè)備下的坐標^=；②將探針針尖和各個掃描標志的特征點進行接觸，得到各個掃描標志的特征點在導航設(shè)備下的坐標(Xi, Ii, Zi) (1 ^ i ^ η)；③根據(jù)各個掃描標志的特征點在導航設(shè)備下的坐標(Xyyi^i)(1 ^ i Sn)，計算各掃描標志作為整體在導航設(shè)備下的坐標C!,；④從導航設(shè)備中讀取導航標志在導航設(shè)備下的坐標C:=；⑤根據(jù)C!: = C;二 * C二 = (C:r * C二，得到各掃描標志作為整體在導航標志下的坐標C=L。
8.如權(quán)利要求7所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模的使用方法，其特征在于所述步驟③中，根據(jù)各個掃描標志的特征點在導航設(shè)備下的坐標，計算各掃描標志作為整體在導航設(shè)備下的坐標的步驟如下i選擇第一個掃描標志的特征點(Xl，Y1, Z1)作為原點ο ；ii計算從第一個掃描標志的特征點指向第二個掃描標志的特征點的向量作為X軸，iii求其余各掃描標志特征點坐標值的平均值，得到P'點，計算第一個掃描標志的特征點指向P'點的向量作為參考y軸，P =;':;；i ν將；^和；進行向量叉乘，得到的向量作為ζ軸，
9.如權(quán)利要求6所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模的使用方法，其特征在于所述步驟3)中，獲取標定模上各掃描標志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標CrUA 步驟如下①根據(jù)掃描標志所用材料在固定成像設(shè)備下的成像特征，得到各個掃描標志對應的圖像灰度值區(qū)間(PiXell，PiXel2)；通過對固定成像設(shè)備分層掃描間隔的設(shè)置，獲得包含K張圖像的標定模圖像序列，每張圖像包含IX J個像素，總共有IX JXK個像素，進而得到每個像素對應的灰度值和空間坐標(X，1，ζ)；根據(jù)各掃描標志在標定模上的位置，得到任意掃描標志a到任意掃描標志b之間的距離Dab ；②針對標定模圖像序列，利用各個掃描標志對應的圖像灰度值區(qū)間(Pixell，Pixel2) 進行灰度分割，將區(qū)間外的像素的灰度值全部置為0，將區(qū)間內(nèi)的像素的灰度值全部置為某一非零的固定值；在I X JXK個像素中進行遍歷，查找空間連續(xù)像素塊，得到n+m個連續(xù)像素塊，其中，η表示有η個掃描標志，m表示有m個噪聲塊；③根據(jù)步驟①中得到的每個像素對應的空間坐標U，1，z)，計算空間第i個連續(xù)像素塊的空間坐標(Xpyi^i)其中，f表示連續(xù)像素塊中包含f個像素，(Xij，Yij, Zij)表示第i個連續(xù)像素塊中第j 個像素的空間坐標；④根據(jù)空間第i個連續(xù)像素塊的空間坐標(Xi，Ii, Zi)，計算任意兩個連續(xù)像素塊間的距離
10.如權(quán)利要求9所述的一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模的使用方法，其特征在于所述步驟⑦中，掃描標志為圓片，則從平面圖形中，使用圖像分割技術(shù)得到η個近似圓的邊界，對η個近似圓的邊界進行圓擬合，得到η個圓心，即為圓片的特征點，根據(jù)獲取的η 個圓片的圓心坐標，計算各掃描標志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標的步驟如下i選擇第一個圓片圓心(X1, Y1, Z1)作為原點ο ；ii計算從第一個圓片圓心指向第二個圓片圓心的向量作為χ軸，χ = ；iii將其余各圓片圓心點的坐標值，求平均值，得到P'點，計算第一個圓片圓心指向 P'點的向量作為參考y軸，/ = p'-p,；i ν將；^和；進行向量叉乘，得到的向量作為ζ軸，ζ = χ χ ;ν將1和2進行向量叉乘，得到的向量作為最終的y軸，;=ζ χ χ ;Vi通過原點o、x軸、y軸、Z軸，形成坐標系，得到各掃描標志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定模及使用方法，其特征在于它包括標定模本體，與標定模本體固定的掃描標志和導航標志；掃描標志的數(shù)量為三個以上，且各掃描標志位于不在同一條直線上的同一平面內(nèi)；各掃描標志的圖像灰度與標定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；各掃描標志均具有一選定的特征點。本發(fā)明通過導航設(shè)備讀取標定模上導航標志在導航設(shè)備下的坐標進而得到各掃描標志作為整體在導航標志下的坐標再通過固定成像設(shè)備對標定模進行掃描，獲取標定模的圖像序列，進而獲取標定模上各掃描標志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標最終獲得固定成像設(shè)備在導航設(shè)備下的坐標完成標定。本發(fā)明可廣泛用于醫(yī)學圖像導航系統(tǒng)的標定過程中。
文檔編號A61B19/00GK102429730SQ20111030612
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者寧隨軍, 徐進, 解煥南, 趙磊 申請人:新博醫(yī)療技術(shù)有限公司