專利名稱：一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種標(biāo)定模及使用方法，特別是關(guān)于一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)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(yàn)將手術(shù)器械放置到目標(biāo)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(huì)拖延手術(shù)的時(shí)間，影響手術(shù)的質(zhì)量，特別是這種誤差有時(shí)會(huì)給患者帶來不必要的痛苦和損傷。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，包括磁共振成像設(shè)備、計(jì)算機(jī)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(dǎo)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(yù)定地點(diǎn)，以便完成治療。手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)入外科并用計(jì)算機(jī)改進(jìn)或完善了外科醫(yī)師的能力以進(jìn)行各項(xiàng)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(shí)間。最新的導(dǎo)航技術(shù)是將病灶圖片和虛擬的手術(shù)器械放到同一個(gè)坐標(biāo)系下觀測，即顯示在同一個(gè)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(shí)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(jìn)而準(zhǔn)確而快速地將手術(shù)器械放置到目標(biāo)位置。圖像導(dǎo)航手術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于建立固定成像設(shè)備坐標(biāo)系與手術(shù)器械坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)這一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，需要借助一個(gè)標(biāo)定裝置，建立轉(zhuǎn)換關(guān)系的過程被稱為導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)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(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模及使用方法。為實(shí)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(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于它包括標(biāo)定模本體，設(shè)置在所述標(biāo)定模本體內(nèi)部的掃描標(biāo)志，設(shè)置在所述標(biāo)定模本體內(nèi)部或表面的導(dǎo)航標(biāo)志；所述掃描標(biāo)志的數(shù)量為三個(gè)以上，且各掃描標(biāo)志位于不在同一條直線上的同一平面內(nèi)；各所述掃描標(biāo)志的圖像灰度與所述標(biāo)定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；各所述掃描標(biāo)志均具有一選定的特征點(diǎn)。各所述掃描標(biāo)志均為一圓片，所述圓片的特征點(diǎn)為圓片的圓心。各所述掃描標(biāo)志均為一三角片，所述三角片的特征點(diǎn)為三角片的其中一頂點(diǎn)或三角片的重心。各所述掃描標(biāo)志均為一球體，所述球體的特征點(diǎn)為球體的球心。各所述掃描標(biāo)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(diǎn)為圓片的圓心，所述三角片的特征點(diǎn)為三角片的其中一頂點(diǎn)或三角片的重心，所述球體的特征點(diǎn)為球體的球心。上述一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模的使用方法，其包括以下步驟1)設(shè)置一具有掃描標(biāo)志和導(dǎo)航標(biāo)志的標(biāo)定模，所述掃描標(biāo)志的數(shù)量為三個(gè)以上，且各掃描標(biāo)志位于不在同一直線上的同一平面內(nèi)，各所述掃描標(biāo)志的圖像灰度與所述標(biāo)定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；幻通過導(dǎo)航設(shè)備讀取標(biāo)定模上導(dǎo)航標(biāo)志在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C:=;根據(jù)= C= * C^er = (CtX)-1 * C^er，得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航標(biāo)志下的坐標(biāo) C=L，其中，C!,表示各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)；3)通過固定成像設(shè)備對標(biāo)定模進(jìn)行掃描，獲取標(biāo)定模的圖像序列，進(jìn)而獲取標(biāo)定模上各掃描標(biāo)志作為整體在固定
^track — ^track * prefer * ^marker
成像設(shè)備下的坐標(biāo)胃4)根據(jù)公式^^二 = ct ,, 廣，最終獲得固定
Cmarker ；scanrefermarker ‘ marker 乂
成像設(shè)備在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C:=，完成標(biāo)定。所述步驟2)中，得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航標(biāo)志下的坐標(biāo)Gtto的步驟如下①開啟導(dǎo)航設(shè)備，在一探針的針尖上綁定另一導(dǎo)航標(biāo)志，從導(dǎo)航設(shè)備中能夠直接獲取探針針尖在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)②將探針針尖和各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)進(jìn)行接觸，得到各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)(Xi，Ii, Z1) (l^i^n)；③根據(jù)各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)(Xi，Yi, Zi) (1 ^ i ^ η)，計(jì)算各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C!,；④從導(dǎo)航設(shè)備中讀取導(dǎo)航標(biāo)志在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C:=；⑤根據(jù) CtLr = C;: * C: = C * c:，得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航標(biāo)志下的坐標(biāo)
prefer marker °所述步驟③中，根據(jù)各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)，計(jì)算各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C=,的步驟如下i選擇第一個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)(Xl， Y1, Z1)作為原點(diǎn)ο ；ii計(jì)算從第一個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)指向第二個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)的向量作為χ軸，x = ;iii求其余各掃描標(biāo)志特征點(diǎn)坐標(biāo)值的平均值，得到P'點(diǎn)，計(jì)算第一個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)指向ρ'點(diǎn)的向量作為參考y軸，;> = ； iv將和；進(jìn)行向量叉乘，得到的向量作為Z軸，Z = XX;'; V將進(jìn)行向量叉乘，得到的向量作為最終的y軸， P = ZXχ ; Vi通過原點(diǎn)ο、χ軸、y軸、ζ軸，形成坐標(biāo)系，得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C!,。所述步驟3)中，獲取標(biāo)定模上各掃描標(biāo)志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標(biāo)的步驟如下①根據(jù)掃描標(biāo)志所用材料在固定成像設(shè)備下的成像特征，得到各個(gè)掃
描標(biāo)志對應(yīng)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(biāo)定模圖像序列，每張圖像包含I X J個(gè)像素，總共有I X JXK個(gè)像素，進(jìn)而得到每個(gè)像素對應(yīng)的灰度值和空間坐標(biāo)(X，1，ζ)；根據(jù)各掃描標(biāo)志在標(biāo)定模上的位置，得到任意掃描標(biāo)志a到任意掃描標(biāo)志b之間的距離Dab ；②針對標(biāo)定模圖像序列，利用各個(gè)掃描標(biāo)志對應(yīng)的圖像灰度值區(qū)間(Pixell，Pixel2)進(jìn)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(gè)像
素中進(jìn)行遍歷，查找空間連續(xù)像素塊，得到n+m個(gè)連續(xù)像素塊，其中，η表示有η個(gè)掃描標(biāo)志，
m表示有m個(gè)噪聲塊；③根據(jù)步驟①中得到的每個(gè)像素對應(yīng)的空間坐標(biāo)(x，y，z)，計(jì)算空間
第i個(gè)連續(xù)像素塊的空間坐標(biāo)(Xi，Yi, Zi)
權(quán)利要求
1.一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于它包括標(biāo)定模本體，設(shè)置在所述標(biāo)定模本體內(nèi)部的掃描標(biāo)志，設(shè)置在所述標(biāo)定模本體內(nèi)部或表面的導(dǎo)航標(biāo)志；所述掃描標(biāo)志的數(shù)量為三個(gè)以上，且各掃描標(biāo)志位于不在同一條直線上的同一平面內(nèi)；各所述掃描標(biāo)志的圖像灰度與所述標(biāo)定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；各所述掃描標(biāo)志均具有一選定的特征點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于各所述掃描標(biāo)志均為一圓片，所述圓片的特征點(diǎn)為圓片的圓心。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于各所述掃描標(biāo)志均為一三角片，所述三角片的特征點(diǎn)為三角片的其中一頂點(diǎn)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(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于各所述掃描標(biāo)志均為一球體，所述球體的特征點(diǎn)為球體的球心。
5.如權(quán)利要求1所述的一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模，其特征在于各所述掃描標(biāo)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(diǎn)為圓片的圓心，所述三角片的特征點(diǎn)為三角片的其中一頂點(diǎn)或三角片的重心，所述球體的特征點(diǎn)為球體的球心。
6.一種如權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模的使用方法， 其包括以下步驟1)設(shè)置一具有掃描標(biāo)志和導(dǎo)航標(biāo)志的標(biāo)定模，所述掃描標(biāo)志的數(shù)量為三個(gè)以上，且各掃描標(biāo)志位于不在同一直線上的同一平面內(nèi)，各所述掃描標(biāo)志的圖像灰度與所述標(biāo)定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；2)通過導(dǎo)航設(shè)備讀取標(biāo)定模上導(dǎo)航標(biāo)志在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C:=;根據(jù) C:- = C= * C^er = (C::)Λ * C^er，得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航標(biāo)志下的坐標(biāo) C^ker，其中， =,表示各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)；3)通過固定成像設(shè)備對標(biāo)定模進(jìn)行掃描，獲取標(biāo)定模的圖像序列，進(jìn)而獲取標(biāo)定模上各掃描標(biāo)志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標(biāo)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(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模的使用方法，其特征在于所述步驟2)中，得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航標(biāo)志下的坐標(biāo)C^tto的步驟如下①開啟導(dǎo)航設(shè)備，在一探針的針尖上綁定另一導(dǎo)航標(biāo)志，從導(dǎo)航設(shè)備中能夠直接獲取探針針尖在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)^=；②將探針針尖和各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)進(jìn)行接觸，得到各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)(Xi, Ii, Zi) (1 ^ i ^ η)；③根據(jù)各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)(Xyyi^i)(1 ^ i Sn)，計(jì)算各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C!,；④從導(dǎo)航設(shè)備中讀取導(dǎo)航標(biāo)志在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)C:=；⑤根據(jù)C!: = C;二 * C二 = (C:r * C二，得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航標(biāo)志下的坐標(biāo)C=L。
8.如權(quán)利要求7所述的一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模的使用方法，其特征在于所述步驟③中，根據(jù)各個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)，計(jì)算各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)的步驟如下i選擇第一個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)(Xl，Y1, Z1)作為原點(diǎn)ο ；ii計(jì)算從第一個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)指向第二個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)的向量作為X軸，iii求其余各掃描標(biāo)志特征點(diǎn)坐標(biāo)值的平均值，得到P'點(diǎn)，計(jì)算第一個(gè)掃描標(biāo)志的特征點(diǎn)指向P'點(diǎn)的向量作為參考y軸，P =;':;；i ν將；^和；進(jìn)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(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模的使用方法，其特征在于所述步驟3)中，獲取標(biāo)定模上各掃描標(biāo)志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標(biāo)CrUA 步驟如下①根據(jù)掃描標(biāo)志所用材料在固定成像設(shè)備下的成像特征，得到各個(gè)掃描標(biāo)志對應(yīng)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(biāo)定模圖像序列，每張圖像包含IX J個(gè)像素，總共有IX JXK個(gè)像素，進(jìn)而得到每個(gè)像素對應(yīng)的灰度值和空間坐標(biāo)(X，1，ζ)；根據(jù)各掃描標(biāo)志在標(biāo)定模上的位置，得到任意掃描標(biāo)志a到任意掃描標(biāo)志b之間的距離Dab ；②針對標(biāo)定模圖像序列，利用各個(gè)掃描標(biāo)志對應(yīng)的圖像灰度值區(qū)間(Pixell，Pixel2) 進(jìn)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(gè)像素中進(jìn)行遍歷，查找空間連續(xù)像素塊，得到n+m個(gè)連續(xù)像素塊，其中，η表示有η個(gè)掃描標(biāo)志，m表示有m個(gè)噪聲塊；③根據(jù)步驟①中得到的每個(gè)像素對應(yīng)的空間坐標(biāo)U，1，z)，計(jì)算空間第i個(gè)連續(xù)像素塊的空間坐標(biāo)(Xpyi^i)其中，f表示連續(xù)像素塊中包含f個(gè)像素，(Xij，Yij, Zij)表示第i個(gè)連續(xù)像素塊中第j 個(gè)像素的空間坐標(biāo)；④根據(jù)空間第i個(gè)連續(xù)像素塊的空間坐標(biāo)(Xi，Ii, Zi)，計(jì)算任意兩個(gè)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(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模的使用方法，其特征在于所述步驟⑦中，掃描標(biāo)志為圓片，則從平面圖形中，使用圖像分割技術(shù)得到η個(gè)近似圓的邊界，對η個(gè)近似圓的邊界進(jìn)行圓擬合，得到η個(gè)圓心，即為圓片的特征點(diǎn)，根據(jù)獲取的η 個(gè)圓片的圓心坐標(biāo)，計(jì)算各掃描標(biāo)志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標(biāo)的步驟如下i選擇第一個(gè)圓片圓心(X1, Y1, Z1)作為原點(diǎn)ο ；ii計(jì)算從第一個(gè)圓片圓心指向第二個(gè)圓片圓心的向量作為χ軸，χ = ；iii將其余各圓片圓心點(diǎn)的坐標(biāo)值，求平均值，得到P'點(diǎn)，計(jì)算第一個(gè)圓片圓心指向 P'點(diǎn)的向量作為參考y軸，/ = p'-p,；i ν將；^和；進(jìn)行向量叉乘，得到的向量作為ζ軸，ζ = χ χ ;ν將1和2進(jìn)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(diǎn)o、x軸、y軸、Z軸，形成坐標(biāo)系，得到各掃描標(biāo)志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定模及使用方法，其特征在于它包括標(biāo)定模本體，與標(biāo)定模本體固定的掃描標(biāo)志和導(dǎo)航標(biāo)志；掃描標(biāo)志的數(shù)量為三個(gè)以上，且各掃描標(biāo)志位于不在同一條直線上的同一平面內(nèi)；各掃描標(biāo)志的圖像灰度與標(biāo)定模本體的圖像灰度有明顯區(qū)別；各掃描標(biāo)志均具有一選定的特征點(diǎn)。本發(fā)明通過導(dǎo)航設(shè)備讀取標(biāo)定模上導(dǎo)航標(biāo)志在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)進(jìn)而得到各掃描標(biāo)志作為整體在導(dǎo)航標(biāo)志下的坐標(biāo)再通過固定成像設(shè)備對標(biāo)定模進(jìn)行掃描，獲取標(biāo)定模的圖像序列，進(jìn)而獲取標(biāo)定模上各掃描標(biāo)志作為整體在固定成像設(shè)備下的坐標(biāo)最終獲得固定成像設(shè)備在導(dǎo)航設(shè)備下的坐標(biāo)完成標(biāo)定。本發(fā)明可廣泛用于醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)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(jìn), 解煥南, 趙磊 申請人:新博醫(yī)療技術(shù)有限公司