基于ICP算法的脊椎手术导航配准技术

第３８卷第１１期

２０ｌＯ年１１月

Ｊｏ帅ａｌ

华南理工大学学报（自然科学版）

ｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉＶｅｒｓｉｔ），ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

Ｖ０１．３８Ｎｏｖｅｍｂｅｒ

Ｎｏ．１ｌ２０１０

文章编号：１０００．５６５ｘ（２０１０）ｌｌ—０１４ｌ—ｃｒ７

基于ＩＣＰ算法的脊椎手术导航配准技术术

田和强

吴冬梅

杜志江

孙立宁

（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０）

摘要：针对计算机辅助脊椎手术三维导航技术中术前ＣＴ图像与术中实际对象的配准问题，提出一种基于Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ１ｂｌｋｉｔ（ＶＴＫ）的在三维可视化平台环境下通过电磁定位系统进行配准的两步配准策略：首先，在虚拟空间和实际空间中的脊椎骨表面取几个特征点，进行粗配准；然后，在实际空间利用电磁定位探针在脊椎骨表面取点，并从虚拟空间提取对应的脊椎骨表面点；最后通过ＩＣＰ（最近点迭代）算法进行精细配准．同时对ＩＣＰ算法进行了模拟验证和精度分析，以脊柱模型骨为对象进行了脊柱手术导航配准精度实验，并进行了误差分析．结果表明这种配准方法简单可靠，在模型骨情况下最后的配准精度可达到临床手术的要求．

关键词：脊椎；手术导航；图像配准；ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎＴｏｏｌｋｉｔ；最近点迭代算法中图分类号：ＴＰ３９ｌ

ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－５６５ｘ．２０ｌｏ．１１．０２５

在脊柱外科椎弓根钉植入手术中，如何确保在理想的位置植入螺钉，最大限度地利用骨量，并确保邻近重要生理组织结构的安全，仍然是临床医学界的一大难题．为此，各国科学家纷纷研制计算机辅助手术导航系统以指导临床医生在复杂条件下植入螺钉，在手术中利用导航技术，将手术图像和手术过程中的实际解剖组织关联起来，提供给医生一个可视化、交互式、精确的手术环境，从而达到缩短手术时间、减少医生疲劳、提高手术精度的目的ｌＩ‘３Ｊ．利用导航系统开展外科手术，包括两个最重要的过

保证实际的手术器械能够精确到达设定的病灶部位．

目前针对术前图像空间与术中实际空间配准的方法主要有Ｍ。６ｏ：标记对应法（ＭａｒｋｅｒＭａｔｃｈｉｎｇ）、特征点对应法（ｈｎｄｍａｒｋＭａｔｃｈｉｎｇ）和曲面对应法

（Ｓｕ血ｃｅＭａｔｃｈｉｎｇ）．标记对应法植入容易辨识的附

加标记可能会给病人带来心理和生理的负担，在某些情况下可能无法加入附加标记；另外脊椎骨外面皮肤贴标记点容易移位，容易导致误差．特征点对应法先以人工方式选择影像上的特征点，但是特征点通常都分布在一个范围内，很难在影像中与病人身上定义出相同的点．曲面对应法需要对医学图像进行特殊处理，分割出术中可以进行点云数据扫描的骨骼或组织特征表面，对图像分割技术以及手术对象有较高的要求，需要昂贵的扫描设备，扫描时需要暴露较大的脊椎骨面积，且扫描时间较长．文中在基

程——配准和跟踪．配准保证了模型空间中的位置

与实际空间中的位置一一对应，正是通过配准，使得导航系统中各个相对独立的坐标系统一起来；在完成配准工作后，才能开始跟踪过程，实现引导手术的目的．可见，配准过程是整个手术导航系统中至关重要的部分，只有完成了实际病人空间和虚拟三维模型之间的精确配准，随后的器械跟踪才有意义，才能

收稿日期：２０ｌＯ ０１一０５

于ＶＴＫ（ＶｉｓｕａＪｉｚａｔｉｏｎ‰ｌｋｉｔ）的平台环境下，开发

｝基金项目：国家“８６３”计划项目（２００９ＡＡ０４２２０２）；国家自然科学基金资助项目（。６０６７５０３７）；教育部新世纪优秀人才支持计划项目（ＮＣＥＴ一０７—０２３２）

作者简介：田和强（１９７９－），男，博士生，主要从事医疗机器人与医学图像技术研究．Ｅ．ｍａｉｌ：ｔＩｌｑ＿１９８０＠１２６．洲

万方数据

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华南理工大学学报（自然科学版）

第３８卷

了软件系统以获取虚拟坐标系下的基准点坐标，利用电磁定位下的探针工具获取世界坐标系下的基准点坐标，使用最近点迭代（ＩｃＰ，Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ

ＣｌｏｓｅｓｔＰｏｉｎｔ）

算法，采用粗精两步配准策略完成配准．通过对该技术的研究，尝试建立一种方便、快捷同时保持较高精度的配准方法，实现脊椎手术的精确导航，改进经椎弓根植入螺钉的技术，促进脊椎外科手术的发展，为人类造福．１

基于ＩＣＰ算法的点集配准

对于导航系统的配准过程，可以抽象出一个数

学问题ｆ７Ｊ：已知手术空间点集尸和图像空间点集Ｑ，寻找一个最优的变换矩阵ｒ＾。，使得经过变换后的两空间点集Ｐ和９的第工个对应元素ｐ，和口，满

足吼＝靠。（ｐ，）．根据计算机图形学的知识＇冈０体变换矩阵矗。可以分解为彼此独立的平移变换矩阵

ｒ、旋转变换矩阵Ｒ和尺度变换矩阵ｓ，该数学问题就演变成求解最优的平移变换矩阵ｒ、旋转变换矩阵Ｒ和尺度变换矩阵ｓ，在手术三维导航中，一般需要将术前ＣＴ／ＭＲＩ图像空间与手术空间进行配准，刚体变换只涉及平移和旋转，并没有比例变换，那么丁一Ｄ可以看作是手术空间点集Ｐ相对于图像空间点集９所在的坐标系的转换矩阵，可以表示成一爪３×３旋转矩阵足和一个３×ｌ平移矩阵ｒ的组合．

对于该数学问题，Ｂｅｓｌ等旧１发展出了ＩＣＰ算法，在曲面的配准方面取得了良好的效果【９Ｊ．如前所述，在手术空间的坐标点集Ｐ＝｛ｐｊ，ｉ＝０，１，２，…，ｓ｝和在图像空间的坐标点集Ｑ＝｛口ｏ＝０，ｌ，２，…，ｒ｝，其中ｓ、ｒ为配准点集元素数目；ｐ。，ｇｉ是在不同坐标系下的坐标表示（３×ｌ列向量）．这里，Ｊｐ与Ｑ元素间不必存在一一对应关系，元素数目亦不必相同，设ｒ≥ｓ．配准过程就是求取两个坐标系间的旋转和平移变换矩阵，使得来自Ｐ与Ｑ的同源点间距离最小．ＩＣＰ算法迭代过程如下：

（１）计算最近点，即对于集合Ｐ中的每一点，在集合Ｑ中都找出距该点最近的对应点，设集合Ｑ中的由这些对应点组成的新点集为Ｑ’＝｛口：。Ｊ｜｝＝０，ｌ，２，…，ｓ｝，Ｑ’∈Ｑ．

（２）采用最小均方根法，计算点集Ｐ与Ｑ’之间

ｌ¨

…

的配准变换，使署母∑｜ｌｇ：一（足（ｐ：）＋ｒ）旷，得到

配准变换矩阵足、ｒ，其中Ｒ是３×３的旋转矩阵，Ｚ是３×ｌ的平移矩阵．

（３）计算坐标变换，即对于集合尸，用配准变换矩阵足、ｒ进行坐标变换，得到新的点集Ｐ’＝｛ｐ：，

万方数据

ｌ‘＝Ｏ，１，２，…，ｓ｝，即ｐ：＝Ｒ（ｐ。）＋ｚ

（４）计算Ｐ’与Ｑ’之间的均方根误差，如小于预设的极限值占，则结束；否则，以点集Ｐ’替换Ｐ，重复上述步骤．

２基于特征点的配准方法

为了实现配准，必须获取基准参考几何体分别相对于模型坐标系与世界坐标系的空间位置．

２．１模型坐标系下基准点坐标的获取

在基于ｖＴＫ的平台环境下，开发软件系统获取虚拟坐标系下的基准点坐标．系统输入的术前ＣＴ图像是ＤＩｃＯＭ格式，具有自定义的几何坐标，它是一个对连续空间进行离散采样所得到的三维离散灰度场．利用Ｍａｒｃｈｉｎｇｃｕｂｅ算 …… 此处隐藏：11471字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……