一种用于图像导航手术系统的标定模及其使用方法转让专利
申请号 : CN200710121388.0
文献号 : CN101108140B
文献日 : 2010-10-06
发明人 : 赵磊 , 韦巍 , 代亮 , 刘华根 , 汤青
申请人 : 新奥博为技术有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于图像导航手术系统的标定模,其特征在于:它包括标定模本体,在所述本体内设置有至少三个不共线能够被成像设备识别组成标志特征点集I的特征点,在所述本体的外表面设置有至少三个不共线能够被跟踪系统跟踪组成示踪特征点集II的特征点,特征点集I与特征点集II的位置关系已知。
2.如权利要求1所述的一种用于图像导航手术系统的标定模,其特征在于:所述特征点集I的特征点为三个,其分别位于所述本体的同一平面内。
3.如权利要求1所述的一种用于图像导航手术系统的标定模,其特征在于:所述特征点集I的特征点为四个,其不对称地位于所述本体的两个侧面内,两两对角、且两侧相互交错。
4.如权利要求1或2或3所述的一种用于图像导航手术系统的标定模,其特征在于:所述特征点集I的特征点为设置在所述本体内安装孔中的特征标记物,所述标记物内设置有被成像设备识别的物质,每个所述标记物呈中心对称的立体形状;所述特征点集II的特征点为设置在所述本体一侧外表面的一平板,在所述平板上不对称地设置有三个以上示踪物。
5.如权利要求1~4任一项所述的一种用于图像导航手术系统的标定模的使用方法,其包括以下步骤:coord
(1)根据标定模上特征点集II构成的参考坐标系在测量设备内的矩阵关系Cref 以coord及标定模上特征点集I在所述测量设备内的坐标Ti,I ,得到所述特征点集I内的每个特ref征点在所述参考坐标系下的坐标Ti ,即所述特征点集I与所述特征点集II间的几何关系ref ref refT1 、T2 、…、Tn ;
(2)将所述标定模放入成像设备成像区域;
(3)设置所述成像设备的断层扫描图像的位置、扫描方向、扫描的层厚度和扫描层数;
(4)对标定模进行扫描,获取图像并校正,所述每幅图像为包含了所述特征点集I中所有标志物的断层图像;
(5)根据所述特征点集I中各特征点所对应的标志物在步骤(4)所获得各图像上位置scan scan scan关系,得到所述各特征点在成像设备内的坐标T1 、T2 、…、Tn ;
track
(6)通过跟踪系统获得所述参考坐标系矩阵Cref 和世界坐标系在所述跟踪系统下的track矩阵Cworld ;
track track ref ref ref scan scan scan(7)将 Cref 、Cworld ,T1 、T2 、 …、Tn ,T1 、T2 、 …、Tn 代 入 公 式中,得到如下方程组:解线性方程组,求得Cscanworld。
6.如权利要求5所述的一种用于图像导航手术系统的标定模的使用方法,其特征在于:断层扫描序列参数设定遵循如下原则:图像扫描中心和层厚的设定保证能够将所述标定模内所有标志物体包含在一幅扫描图像中;至少扫描2次,且任意两次扫描方向互不平行。
7.如权利要求5所述的一种用于图像导航手术系统的标定模的使用方法,其特征在于:由所述特征点集II构成所述参考坐标系:从所述特征点集II中表示特征点的各示踪物中任意选择三个不共线的示踪物,从中任取一个所述示踪物并以其中心作为原点,以所述原点指向另外一个所述示踪物的射线为X轴,以垂直X轴并指向第三个所述示踪物的射线为Y轴,以垂直所述特征点集II所在平面并指向纸外的方向为Z轴方向。
8.如权利要求6所述的一种用于图像导航手术系统的标定模的使用方法,其特征在于:由所述特征点集II构成所述参考坐标系:从所述特征点集II中表示特征点的各示踪物中任意选择三个不共线的示踪物,选取其中任意一个所述示踪物的中心为原点,以所述原点指向另外一个所述示踪物的射线为X轴,以垂直X轴并指向第三个所述示踪物的射线为Y轴,以垂直所述特征点集II所在平面并指向纸外的方向为Z轴方向。
9.如权利要求5或6或7或8所述的一种用于图像导航手术系统的标定模的使用方法,其特征在于:所述参考坐标系的X、Y、Z轴采用测量设备坐标系的归一化向量Vx、Vy、Vz表示:Vy=Vz×Vx
coord
其中,norm表示向量的归一化,Ti,II 表示所述特征点集II中第i个特征点在所述测量设备内的坐标;所述参考坐标系在所述测量设备内的矩阵为:求得
10.如权利要求5或6或7或8所述的一种用于图像导航手术系统的标定模的使用方法,其特征在于:所述标定模的一个标志物体在所述成像设备空间内平面A上所成图像为I(x,y),则所述标志物体在所述平面A的投影a的几何中心Oa(xc,yc)在图像坐标系下的坐标由如下公式表示:所述图像I(x,y)的每个象素之间的距离在所述成像设备坐标系下表示为p,则所述图像坐标系在所述成像设备坐标系下的表示为 所述Oa在所述成像设备坐标系下的坐标为 通过所述标志物的几何中心和
所述标志物的投影中心的直线方程表示为:
scan
Ti 为所述直线上一点,则
设置互不平行的扫描平面m个,且m≥2,任意一个所述标志物都获得m条通过所述标志物体几何中心的直线方程,所述m个直线方程构成的线性方程组的解即为所述标志物在所述成像设备内的坐标,其中,Vo表示所述图像坐标系原点在所述成像设备内的坐标,threshold为所述图像进行二值化的阈值,V为所述直线上任意一点的坐标;采用上述方scan法,求得所述特征点集I中所有特征点在所述成像设备内的坐标Ti 。
11.如权利要求9所述的一种用于图像导航手术系统的标定模的使用方法,其特征在于:所述标定模的一个标志物体在所述成像设备空间内平面A上所成图像为I(x,y),则所述标志物体在所述平面A的投影a的几何中心Oa(xc,yc)在图像坐标系下的坐标由如下公式表示:所述图像I(x,y)的每个象素之间的距离在所述成像设备坐标系下表示为p,则所述图像坐标系在所述成像设备坐标系下的表示为 所述Oa在所述成像设备坐标系下的坐标为 通过所述标志物的几何中心和
所述标志物的投影中心的直线方程表示为:
scan
Ti 为所述直线上一点,则
设置互不平行的扫描平面m个,且m≥2,任意一个所述标志物都获得m条通过所述标志物体几何中心的直线方程,所述m个直线方程构成的线性方程组的解即为所述标志物在所述成像设备内的坐标,其中,Vo表示所述图像坐标系原点在所述成像设备内的坐标,threshold为所述图像进行二值化的阈值,V为所述直线上任意一点的坐标;采用上述方scan法,求得所述特征点集I中所有特征点在所述成像设备内的坐标Ti 。
说明书 :
一种用于图像导航手术系统的标定模及其使用方法
技术领域
背景技术
像,凭经验将手术器械放置到目标位置,这种方式造成的手术器件和病灶部位定位之间的
误差,会拖延手术的时间,影响手术的质量,特别是这种误差有时会给患者带来不必要的痛
苦和损伤。手术导航系统是在医学影像设备,包括磁共振成像设备、计算机断层扫描设备
(CT)、C型臂、X线设备、超声波成像系统等,所成图像的引导下,利用跟踪系统测量手术器
械的位置,从而可以把病灶的图像和虚拟手术器械融合并显示在屏幕上,帮助医生精确定
位病灶和手术器械的位置,并观察病灶周围的器官和组织,帮助医生避开重要的器官和组
织,将手术器械安全地放置到预定地点,以便完成治疗。手术导航设备进入外科并用计算机
改进或完善了外科医师的能力以进行各项操作,在一定程度上降低了外科治疗所造成的损
伤,缩短了手术时间。最新的导航技术是将病灶图片和虚拟的手术器械放到同一个坐标系
下观测,即显示在同一个工作屏幕上(如液晶屏幕、投影屏幕或者其它形式的显示器材),
并且屏幕上两者的相对位置和实际的病灶与手术器械的相对位置相同,从而医生可以通过
观察屏幕既能看到病灶,也能看到手术器械,进而准确而快速地将手术器械放置到目标位
置。图像导航手术实现的关键在于:建立固定成像设备坐标系与手术器械坐标系之间的转
换关系,为实现这一坐标转换,需要借助一个标定装置,建立转换关系的过程被称为导航系
统的标定。
发明内容
识别组成标志特征点集I的特征点,在所述本体的外表面设置有至少三个不共线能够被跟
踪系统跟踪组成示踪特征点集II的特征点,特征点集I与特征点集II的位置关系已知。
II的特征点为在所述本体一侧外表面不对称设置的三个或四个示踪物。
定模上特征点集II构成的参考坐标系在测量设备内的矩阵关系Cref 以及标定模上特征
coord
点集I在所述测量设备内的坐标Ti,I ,得到所述特征点集I内的每个特征点在所述参考
ref ref ref
坐标系下的坐标Ti ,即所述特征点集I与所述特征点集II间的几何关系T1 、T2 、…、
ref
Tn ;(2)将所述标定模放入成像设备成像区域;(3)设置所述成像设备的断层扫描图像的
位置、扫描方向、扫描的层厚度和扫描层数;(4)对标定模进行扫描,获取图像并校正,所述
每幅图像为包含了所述特征点集I中所有标志物的断层图像;(5)根据所述特征点集I中
各特征点所对应的标志物在步骤(4)所获得各图像上位置关系,得到所述各特征点在成
scan sacn scan
像设备内的坐标T1 、T2 、…、Tn ;(6)通过所述跟踪系统获得所述参考坐标系矩阵
track track track track ref
Cref 和所述世界坐标系在所述跟踪系统下的矩阵Cworld ;(7)将Cref 、Cworld ,T1 、
ref ref scan scan scan
T2 、…、Tn ,T1 、T2 、…、Tn 代入公式 中,得到
向互不平行。
以所述原点指向另外一个所述示踪物的射线为X轴,以垂直X轴并指向第三个所述示踪物
的射线为Y轴,以垂直所述特征点集II所在平面并指向纸外的方向为Z轴方向。
下公式表示:
成像设备坐标系下的坐标为 通过所述标志物的几何中
心和所述标志物的投影中心的直线方程可以表示为:
何中心的直线方程,所述m个直线方程构成的线性方程组的解即为所述标志物在所述成像
设备内的坐标,其中,Vo表示所述图像坐标系原点在所述成像设备内的坐标,threshold为
所述图像进行二值化的阈值,V为所述直线上任意一点的坐标;采用上述方法,求得所述特
scan
征点集I中所有特征点在所述成像设备内的坐标Ti 。
示踪器系统识别测量得到特征点集II,同时由于特征点集I与特征点集II之间的关系确
定,因此只要知道其中一个特征点集中特征点的坐标,就能推算出另一特征点集中特征点
的坐标,通过它们之间的关系便可以建立成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关
系,实现本发明进行标定和坐标系变换的目的。2、本发明通过增大扫描层厚使一幅图像包
含了全部标志物体,因此可以减少扫描次数,同时也避免了定位标志物体的麻烦。本发明可
广泛应用于外科手术系统。
附图说明
具体实施方式
12,即在本体11的一个侧面对角地设置两个安装孔12,在本体11另一个侧面对角地设置
另两个安装孔12,四个安装孔12不对称地设置在四个角上。在每一个安装孔12中通过粘
接或其它方式连接一个特征标记物13。四个特征标记物13的四个中心构成标志特征点集
I的四个特征点I1、I2、I3、I4。在本体11的设置安装孔2以外的一个侧面通过螺钉14固
定一平板15,在平板15的四个角上不对称地设置有四个特征示踪物16,四个特征示踪物16
的四个中心构成示踪特征点集II的四个的特征点II1、II2、II3、II4。
分别充入固定成像设备1可识别的物质,该物质可以是植物油、硫酸铜溶液等。特征点集II
的四个特征示踪物16可以是示踪球,或其它示踪结构,例如有源的发光装置或电磁导航系
统中的传感器。
别投影在一个平面上时,特征标记物13的投影形状彼此均没有重合。充入物质的特征标记
物13和特征示踪物16的相对位置关系可以用精密的坐标测量仪器(例如三维扫描仪或三
坐标测量机)测量得到,也可以通过机械加工保证其符合设计的相对位置关系。本发明一
旦加工完成,各特征点集I、II的各特征点之间的相互位置便是确定的。
11所示),又比如,组成特征点集I特征点的数量为不对称设置的五个、六个等,但至少要有
不共线的三个。当特征点为三个以上时,特征点可以不在同一平面内。特征点集II各特征
点的数量也是可以变化的(如图12所示),但至少也要有三个不共线的特征点II1、II2、
II3。
别测量得到,并且特征点集I与特征点集II之间的关系已知(称为标定模的几何信息),
只要知道其中特征点集I中特征点或者特征点集II中特征点的坐标,就能推算出特征点集
II中特征点或特征点集I中特征点的坐标,通过它们之间的关系便可以建立固定成像设备
坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。
完成对设备、器械以及世界坐标系3的位姿(位置和姿态)跟踪。世界坐标系3是选定的
观察坐标系,将手术器械和成像设备扫描的图像均放在这世界坐标系3内观察。观察坐标
系也可以是成像设备坐标系或者跟踪系统坐标系,但由于本发明所定义的世界坐标系3与
成像设备坐标系存在固定的转换关系,同时世界坐标系3可以被跟踪系统2跟踪,所以选择
世界坐标系3作为观察坐标系。世界坐标系3一般是固定的,包括一套或者多套示踪器,每
套示踪器由若干个(大于3个)最小示踪单位组成。标定模10提供了标志特征点集I、示
踪特征点集II以及特征点集I和特征点集II之间的几何关系。
1 Cscanworld 成像设备坐标系矩阵 成像设备坐标系在世界坐标
系里的矩阵,大小为4*4。
R
2 T 某一点的在R坐标系下 4*1向量:T=(Tx Ty Tz 1)
的坐标 R为任意一个坐标系。
3 标定模10上参考 标定模10上固定的可以被跟
track
Cref
(Reference)坐标系 踪系统2识别的特征点集II
矩阵 构成坐标系,该坐标系在跟踪
系统坐标系下的矩阵
track
4 Cworld 世界坐标系在跟踪系 世界坐标系在跟踪系统坐标
统坐标系下的矩阵 系下的矩阵
线为Y轴,保证球II2的Y坐标大于零。以垂直特征点集II所在平面并指向纸外的方向为
Z轴方向。该坐标系右手坐标系,其定义具有任意性,由特征点集II中选择任意三个不共
线的标识特征点的示踪物来确定坐标系,从所选取的这三个示踪物中任取一个作为坐标原
点,以原点指向另外一个示踪物的射线为X轴,以垂直X轴并在特征点集II所在平面内的
射线为Y轴,保证第三个球的Y坐标大于零。以垂直所述特征点集II所在平面并选择与X
轴Y轴构成右手坐标系的射线方向的射线为Z轴。
Ti 和点集I在成像设备坐标系下的坐标Ti 存在以下关系:
供,通过上式可得到n个线性方程,求解该线性方程组即得到Cscan 矩阵。
i在由参考坐标系内的坐标Ti 。标定模10安装完成后,特征点集I与特征点集II之间的
几何关系确定,但尚未知。使用测量设备,如三坐标测量机,测量特征点集II内的每一个示
coord
踪物的坐标,记为Ti,II ,同样使用该测量设备测量特征点集I内每一个点的坐标,记为Ti,
coord
I 。
部分的图像平面内的投影。本实施例中所使用的断层扫描序列的参数并非唯一,但参数设
定遵循如下原则:图像扫描中心和层厚的设定保证能够将标定模内所有标志物体包含在一
幅扫描图像中;至少扫描2次,且任意两次扫描方向互不平行。
心。如图15所示,假设平面A、B为非平行平面,图形a、b分别为标志物体T在平面A和B
内的投影,Oa和Ob为a和b的几何对称中心,O为标志物体T的几何中心,L1和L2分别为
过Oa和Ob且垂直于平面A和B的直线,L1和L2相交于O。
m≥2)条通过标志物体几何中心的直线方程,物体几何中心Ti 即为m个直线方程构成的
线性方程组的解,采用最小二乘法可得到其最优解。采用该方法,求得特征点集I中所有特
scan
征点在成像设备坐标系下的坐标Ti 。
线性方程组得到Cscan 。
分别为Axial(横轴位)、coronal(冠状位)和Sagital矢状位,扫描层厚度为200mm,扫描
层数为1;
系统2下的矩阵Cworld ;
的精神和范围内,各种替换、变化和修改都是可能的。因此,本发明不应局限于最佳实施例
和附图所公开的内容,要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。