一種脊柱后路手術術中實時三維重構方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脊柱后路手術術中實時三維重構方法，通過X光片對脊柱的每一節(jié)段進行分割，與CT構建的3D模型的相應每一節(jié)段進行匹配，并估計剛體變換，從而得到配準結果；在此基礎上，對脊柱整體進行拼合，重建出病人在手術臺上的實時三維脊柱形態(tài)，為手術導航及評估奠定了基礎。本發(fā)明的方法簡單，利用脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個脊柱屬于非剛體，通過節(jié)段剛體的2D/3D影像配準，實現(xiàn)非剛體關節(jié)脊柱的實時三維重構；可為手術導航及術中校正提供數(shù)據(jù)支持，從而保證手術的成功率。
【專利說明】一種脊柱后路手術術中實時三維重構方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于臨床醫(yī)學【技術領域】，尤其涉及一種脊柱后路手術術中實時三維重構方法。
【背景技術】
[0002]腰部疾病其病因多源于脊柱病變，美國NIH統(tǒng)計:美國每年脊柱手術量超過100萬例，其中腰椎手術超過25萬例，治療費用近60億美元，我國脊柱病變患者數(shù)量比歐美國家更多，施行脊柱手術是他們中大多數(shù)患者的首選治療方案。
[0003]在所有脊椎節(jié)段中，樞椎被認為是較難實施椎弓根螺釘置入的節(jié)段之一，主要與下列因素有關系:
[0004]①樞椎椎弓根的寬度和高度均較小，置釘難度大；
[0005]②樞椎椎弓根周圍重要結構多，一旦損傷，后果嚴重；
[0006]③由于椎動脈孔解剖變異的存在，樞椎椎弓根的解剖結構不同于普通頸椎，存在一定的特殊性；
[0007]以上三種原因中，尤其是最后一種，可能是導致樞椎椎弓根置釘較難掌握的重要原因。
[0008]手術導航技術起源于神經(jīng)外科，目前已廣泛應用于脊柱外科、耳鼻喉科、整形外科等領域，由于脊柱外科手術中病例較多且風險較大，因此導航技術的應用最為迫切與廣泛，目前國內外脊柱后路導航的方法有以下幾種:1.傳統(tǒng)透視方法，現(xiàn)應用廣泛，缺點:定位精確性不高，2.1s0-C臂術中三維導航，影像數(shù)據(jù)由C型臂X線機在術中即時影像三維重建獲取，3.將術前螺旋CT檢查所獲得數(shù)據(jù)輸入計算機導航系統(tǒng)，在導航系統(tǒng)三維影像引導下進行手術，4.目標跟蹤的三維圖像導航系統(tǒng)，5.在手術室安裝專用的CT設備導航，其缺點是需要在手術室專門配備CT設備，需要特制的手術床，花費大等問題，6.首先獲得三維旋轉X線圖像，再將獲得MRI，將前者注冊于后者，進行圖像處理及導航，是既適于骨又適于軟組織的手術導航，然而，設備的昂貴嚴重影響本法的普及和推廣，7.機器人輔助導航，

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種脊柱后路手術術中實時三維重構方法，旨在解決現(xiàn)有的X射線透視圖像空間位置表達有局限性，且有受輻射危險的問題。
[0010]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種脊柱后路手術術中實時三維重構方法，該脊柱后路手術術中實時三維重構方法包括:
[0011]步驟一，系統(tǒng)參數(shù)標定，實現(xiàn)C臂X射線機與CT設備坐標參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過兩者成像后的結果， 在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標系中；
[0012]步驟二，獲取的術中正側位X片與術前CT序列片，分別把它們轉換至各自相應的立體坐標系下 ，最后通過歐拉轉換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標系下；
[0013]步驟三，術前CT的脊柱三維重建及椎節(jié)標定；通過對CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號進行提取，分割獲取脊柱斷層圖片，進行三維重建，獲取脊柱的三維點云數(shù)據(jù)；通過三維點云數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)格面片的構建，而后進行三維模型重構與渲染，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)對應；根據(jù)術中正側位X片脊椎與3D脊柱模型的的圖像特征與醫(yī)學特征共同確定椎節(jié)對應關系；
[0015]步驟五，術中脊柱的準實時三維重構；根據(jù)術中正側位X片脊椎與3D脊柱模型的圖像特征，通過每一單個椎體階段的2D-3D配準，準實時的三維重構病人術中三維脊柱形態(tài)。
[0016]進一步,步驟三的具體方法:
[0017]第一步，對于CT斷層圖像，通過閾值法，提取高亮度骨質圖像數(shù)據(jù)；
[0018]第二步，通過CT圖像序列獲取的序列骨質圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像的像素大小、層厚與層掃間距，構建真實的人體骨骼三維點云；
[0019]第三步，病人脊柱三維模型的分離與椎節(jié)的標定，病人骨骼三維點云數(shù)據(jù)中包含了脊柱的三維點云數(shù)據(jù) ，可在第二步中進行分離，但為獲得有序標識椎體節(jié)段的脊柱模型，把脊柱三維模型的分離與椎節(jié)標定同時進行；首先，通過CT圖像序列中的骨質圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)人體醫(yī)學盆骨、肋骨及肩鎖骨特征，在病人骨質三維點云數(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)學中關系，判斷腰椎節(jié)段，進行標定并分離盆骨與椎體點云數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)肋骨與胸椎在人體骨骼醫(yī)學中關系，判斷胸椎節(jié)段，進行標定并分離肋骨與椎體點云數(shù)據(jù)；再后，根據(jù)肩鎖骨與頸椎在人體骨骼醫(yī)學中關系，判斷頸椎節(jié)段，進行標定并分離肩鎖骨與椎體點云數(shù)據(jù)；最后，建立有序標識椎體節(jié)段的脊柱三維點云數(shù)據(jù)；
[0020]第四步，提取三維點云的表面點云數(shù)據(jù)，利用轉球網(wǎng)格重構法對表面點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格面片重構，并渲染獲取病人骨骼三維模型。
[0021]進一步，步驟四的具體方法:
[0022]第一步，通過canny邊緣提取方法，提取正側位X片中脊柱椎體階段及盆骨邊緣；
[0023]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，建立并標記脊柱椎體序列；
[0024]第三步，為進一步確認椎體階段的正確性，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模型對應角度的椎體節(jié)段投影成像，進行匹配與對應，復合二維椎體與三維椎體的對應性。
[0025]進一步，步驟五的具體方法:
[0026]第一步,通過canny邊緣提取算法,提取椎體節(jié)段正側位X片邊緣特征點；
[0027]第二步，選擇固定3D脊柱模型姿態(tài)的某一橫滾角，通過canny邊緣提取算法，提取3D脊柱模型正側位投影圖像邊緣特征點；
[0028]第三步，利用ICP算法，分別對此時固定橫滾角的3D脊柱模型節(jié)段正側位投影邊緣點與正側位X片節(jié)段邊緣點進行配準，從而估計X片中脊柱姿態(tài)的方位角及俯仰角，并計
算誤差;
[0029]第四步，重復第二步和第三步，直到誤差滿足實際手術精度；
[0030]第五步，根據(jù)脊柱椎體每一節(jié)段的配準結果，調整病人3D脊柱每一階段模型，從而準實時重構，病人術中三維脊柱模型。
[0031]本發(fā)明提供的脊柱后路手術術中實時三維重構方法，通過X光片對脊柱的每一節(jié)段進行分割，與CT構建的3D模型的相應每一節(jié)段進行匹配，并估計剛體變換，從而得到配準結果；在此基礎上，對脊柱整體進行拼合，重建出病人在手術臺上的實時三維脊柱形態(tài)。本發(fā)明的方法簡單，利用脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個脊柱屬于非剛體，非剛體關節(jié)目標的2D/3D影像配準；通過2D影像估計椎弓根螺釘?shù)?D位置，并重構手術置釘后病人脊柱的3D形態(tài)；保證了手術的成功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明實施例提供的脊柱后路手術術中實時三維重構方法流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034]下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明實施例的脊柱后路手術術中實時三維重構方法包括以下步驟:
[0036]SlOl:系統(tǒng)參數(shù)標定，實現(xiàn)C臂X射線機與CT設備坐標參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過兩者成像后的結果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標系中；
[0037]S102:獲取的術中正側位X片與術前CT序列片，分別把它們轉換至各自相應的立體坐標系下，最后通過歐拉轉換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標系下；
[0038]S103:通過對CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號進行提取，分割獲取脊柱斷層圖片，進行三維重建，獲取脊柱的三維點云數(shù)據(jù)；
[0039]S104:通過三維點云數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)格面片的構建，而后進行三維模型重構與渲染，獲得脊柱三維模型；
[0040]S105:根據(jù)X片中與3D模型中的圖像特征確定對應，通過彎曲程度和椎體尺寸；對應X片椎體與模型椎體的空間變換，實現(xiàn)對術中的病人脊柱實時的三維重構；
[0041]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0042]第一步，系統(tǒng)參數(shù)標定:
[0043]系統(tǒng)參數(shù)標定主要是實現(xiàn)C臂X射線機與CT設備坐標參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過兩者成像后的結果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標系中。從而在較大程度上減小尺度、仿射等形變，為后續(xù)2D/3D配準奠定基礎；
[0044]第二步，獲取的術中正側位X片與術前CT序列片，分別把它們轉換至各自相應的立體坐標系下(ΧΠ1Ζ1)與(X2Y222);最后通過歐拉轉換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標系
O-XYZ 下；
[0045] 第三步，通過對CT斷層圖像中脊柱特征(及CT片中高亮度信號)進行提取，分割獲取脊柱斷層圖片(圖片中只包含脊柱)，在此基礎上進行三維重建，獲取脊柱的三維點云數(shù)據(jù)；[0046]第四步，通過三維點云數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)格面片的構建，而后進行三維模型重構與渲染，獲得脊柱三維模型；
[0047]第五步，根據(jù)X片中與3D模型中的圖像特征確定對應，通過彎曲程度和椎體尺寸；對應X片椎體與模型椎體的空間變換，實現(xiàn)對術中的病人脊柱實時的三維重構。
[0048]結合本發(fā)明的具體實施例對本發(fā)明的效果做進一步的說明:
[0049]實施例1:
[0050]步驟一，系統(tǒng)參數(shù)標定，實現(xiàn)C臂X射線機與CT設備坐標參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過兩者成像后的結果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標系中；
[0051]步驟二，獲取的術中正側位X片與術前CT序列片，分別把它們轉換至各自相應的立體坐標系下，最后通過歐拉轉換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標系下；
[0052]步驟三，術前CT的脊柱三維重建及椎節(jié)標定。通過對CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號進行提取，分割獲取脊柱斷層圖片，進行三維重建，獲取脊柱的三維點云數(shù)據(jù)；通過三維點云數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)格面片的構建，而后進行三維模型重構與渲染，獲得脊柱三維模型；具體方法:
[0053]A、對于CT斷層圖像，通過閾值法，提取高亮度骨質圖像數(shù)據(jù)；
[0054]B、通過CT圖像序列獲取的序列骨質圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像的像素大小、層厚與層掃間距，構建真實的人體骨 骼三維點云；
[0055]C、病人脊柱三維模型的分離與椎節(jié)的標定。病人骨骼三維點云數(shù)據(jù)中包含了其脊柱的三維點云數(shù)據(jù)，可在前述第B步中進行分離。但為獲得有序標識椎體節(jié)段的脊柱模型，把脊柱三維模型的分離與椎節(jié)標定同時進行。首先，通過CT圖像序列中的骨質圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)人體醫(yī)學盆骨、肋骨及肩鎖骨特征，在病人骨質三維點云數(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)學中關系，判斷腰椎節(jié)段，進行標定并分離盆骨與椎體點云數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)肋骨與胸椎在人體骨骼醫(yī)學中關系，判斷胸椎節(jié)段，進行標定并分離肋骨與椎體點云數(shù)據(jù)；再后，根據(jù)肩鎖骨與頸椎在人體骨骼醫(yī)學中關系，判斷頸椎節(jié)段，進行標定并分離肩鎖骨與椎體點云數(shù)據(jù)；最后，建立有序標識椎體節(jié)段的脊柱三維點云數(shù)據(jù)；
[0056]D、提取三維點云的表面點云數(shù)據(jù)，利用轉球網(wǎng)格重構法對表面點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格面片重構，并渲染獲取病人骨骼三維模型；
[0057]步驟四，二維X片脊柱與3D脊柱模型的椎節(jié)對應。根據(jù)術中置釘后正側位X片脊椎與3D脊柱模型的的圖像特征與醫(yī)學特征共同確定椎節(jié)對應關系，具體方法:
[0058]A、通過canny邊緣提取方法，提取正側位X片中脊柱椎體階段及盆骨邊緣；
[0059]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，建立并標記脊柱椎體序列；
[0060]C、為進一步確認椎體階段的正確性，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模型對應角度的椎體節(jié)段投影成像，進行匹配與對應，復合二維椎體與三維椎體的對應性；
[0061]步驟五，術中脊柱的準實時三維重構。根據(jù)術中置釘后正側位X片脊椎與3D脊柱模型的圖像特征，通過每一單個椎體階段的2D-3D配準，準實時的三維重構病人術中三維脊柱形態(tài)，具體方法:[0062]A、通過canny邊緣提取算法,提取椎體節(jié)段正側位X片邊緣特征點；
[0063]B、選擇固定3D脊柱模型姿態(tài)的某一橫滾角，通過canny邊緣提取算法，提取3D脊柱模型正側位投影圖像邊緣特征點；
[0064]C、利用ICP算法，分別對此時固定橫滾角的3D脊柱模型節(jié)段正側位投影邊緣點與正側位X片節(jié)段邊緣點進行配準，從而估計X片中(實際病人)脊柱姿態(tài)的方位角及俯仰角，并計算誤差；
[0065]D、重復步驟五中B、C，直到誤差滿足實際手術精度；
[0066]E、根據(jù)脊柱椎體每一節(jié)段的配準結果，調整病人3D脊柱每一階段模型，從而準實時重構，病人術中三維脊柱模型。
[0067]本發(fā)明的方法簡單，利用脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個脊柱屬于非剛體，非剛體關節(jié)目標的2D/3D影像配準；通過2D影像估計椎弓根螺釘?shù)?D位置，并重構手術置釘后病人脊柱的3D形態(tài)；較好地解決了現(xiàn)有的脊柱后路手術術中缺少實時的導航指導，沒有對手術中存在的危險進行提前預警方法的問題。
[0068]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任 何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種脊柱后路手術術中實時三維重構方法，其特征在于，該脊柱后路手術術中實時三維重構方法包括: 步驟一，系統(tǒng)參數(shù)標定，實現(xiàn)C臂X射線機與CT設備坐標參數(shù)的統(tǒng)一，使病人經(jīng)過兩者成像后的結果，在系統(tǒng)中處于統(tǒng)一坐標系中； 步驟二，獲取的術中正側位X片與術前CT序列片，分別把它們轉換至各自相應的立體坐標系下，最后通過歐拉轉換方法把它們統(tǒng)一到同一坐標系下； 步驟三，術前CT的脊柱三維重建及椎節(jié)標定；通過對CT斷層圖像中脊柱特征及CT片中高亮度信號進行提取，分割獲取脊柱斷層圖片，進行三維重建，獲取脊柱的三維點云數(shù)據(jù)；通過三維點云數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)格面片的構建，而后進行三維模型重構與渲染，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)對應；根據(jù)術中置釘后正側位X片脊椎與3D脊柱模型的的圖像特征與醫(yī)學特征共同確定椎節(jié)對應關系； 步驟五，術中脊柱的準實時三維重構；根據(jù)術中置釘后正側位X片脊椎與3D脊柱模型的圖像特征，通過每一單個椎體階段的2D-3D配準，準實時的三維重構病人術中三維脊柱形態(tài)。
2.如權利要求1所述的脊柱后路手術術中實時三維重構方法，其特征在于，該脊柱后路手術術中實時三維重構方法脊柱節(jié)段屬于剛體，而整個脊柱屬于非剛體，通過節(jié)段剛體的2D/3D影像配準，實現(xiàn)非剛體關節(jié)脊柱的實時三維重構。
3.如權利要求1所述的脊柱后路手術術中實時三維重構方法，其特征在于，步驟三的具體方法: 第一步，對于CT斷層圖像，通過閾值法，提取高亮度骨質圖像數(shù)據(jù)； 第二步，通過CT圖像序列獲取的序列骨質圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像的像素大小、層厚與層掃間距，構建真實的人體骨骼三維點云； 第三步，病人脊柱三維模型的分離與椎節(jié)的標定，病人骨骼三維點云數(shù)據(jù)中包含了脊柱的三維點云數(shù)據(jù)，可在第二步中進行分離，但為獲得有序標識椎體節(jié)段的脊柱模型，把脊柱三維模型的分離與椎節(jié)標定同時進行；首先，通過CT圖像序列中的骨質圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)人體醫(yī)學盆骨、肋骨及肩鎖骨特征，在病人骨質三維點云數(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)學中關系，判斷腰椎節(jié)段，進行標定并分離盆骨與椎體點云數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)肋骨與胸椎在人體骨骼醫(yī)學中關系，判斷胸椎節(jié)段，進行標定并分離肋骨與椎體點云數(shù)據(jù)；再后，根據(jù)肩鎖骨與頸椎在人體骨骼醫(yī)學中關系，判斷頸椎節(jié)段，進行標定并分離肩鎖骨與椎體點云數(shù)據(jù)；最后，建立有序標識椎體節(jié)段的脊柱三維點云數(shù)據(jù)；第四步，提取三維點云的表面點云數(shù)據(jù)，利用轉球網(wǎng)格重構法對表面點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格面片重構，并渲染獲取病人骨骼三維模型。
4.如權利要求1所述的脊柱后路手術術中實時三維重構方法，其特征在于，步驟四的具體方法: 第一步，通過canny邊緣提取方法，提取正側位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，建立并標記脊柱椎體序列； 第三步，為進一步確認椎體階段的正確性，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模型對應角度的椎體節(jié)段投影成像，進行匹配與對應，復核二維椎體與三維椎體的對應性。
5.如權利要求1所述的脊柱后路手術術中實時三維重構方法，其特征在于，步驟五的具體方法: 第一步，通過canny邊緣提取算法,提取椎體節(jié)段正側位X片邊緣特征點； 第二步，選擇固定3D脊柱模型姿態(tài)的某一橫滾角，通過canny邊緣提取算法，提取3D脊柱模型正側位投影圖像邊緣特征點； 第三步，利用ICP算法，分別對此時固定橫滾角的3D脊柱模型節(jié)段正側位投影邊緣點與正側位X片節(jié)段邊緣點進行配準，從而估計X片中脊柱姿態(tài)的方位角及俯仰角，并計算誤差; 第四步，重復第二步和第三步，直到誤差滿足實際手術精度； 第五步，根據(jù)脊柱椎體每一節(jié)段的配準結果，調整病人3D脊柱每一階段模型，從而準實時重構，病人術 中三維脊柱模型。
【文檔編號】A61B6/03GK103976756SQ201410214330
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權日:2014年5月21日
【發(fā)明者】周勇, 臧曉方, 吳松, 譚志國, 趙鍵 申請人:周勇, 臧曉方