本發明專利技術公開了一種手術空間配準方法、裝置、設備及存儲介質，該方法解決了傳統接觸式測量方法引入人為誤差的問題；通過重投影目標點視差梯度方向檢索的方法，解決了迭代最近點方法檢索速度慢的問題；通過點云鄰域面型協方差估計的方法，解決了迭代最近點方法點對點的距離殘差受到噪聲影響大的問題，從而提升手術導航的配準精度。
1、計算機輔助手術導航基于術前掃描的ct、mr等醫學圖像數據，使用光學或電磁跟蹤系統跟蹤手術工具的六自由度姿態，通過空間配準建立跟蹤系統到醫學圖像坐標系的坐標變換矩陣，轉換手術工具到醫學圖像中顯示，引導醫生沿著精準的術前規劃路徑完成手術，并提供工具和解剖結構之間的相對位置關系以提升手術的安全性。在手術導航中，空間配準過程通過圖像坐標系和跟蹤系統坐標系的對應點集建立跟蹤系統到醫學圖像的坐標變換關系，從而在手術過程中將工具的實時位置在圖像中顯示，引導醫生進行手術操作，空間配準直接決定了手術導航中醫學圖像和跟蹤系統坐標系的對齊程度，是影響手術導航定位精度的關鍵步驟。
2、目前，現有基于光學跟蹤系統的空間配準方法定位接觸式探針或者三維掃描儀實現跟蹤系統坐標系的點云采集，使用迭代最近點方法計算向醫學圖像坐標系的精確坐標變換。接觸式的探針需要與目標皮膚進行接觸以獲取三維點坐標，由于不同操作人員接觸皮膚表面的力度不同而引入了表面柔性形變的人為誤差；基于掃描儀方案需要標定掃描儀在跟蹤系統中的位置，標定引入了額外的旋轉平移誤差，不能滿足精確導航的需要。迭代最近點方法在三維空間中建立八叉樹匹配點云之間的最近點，八叉樹檢索的時間復雜度為ο(logn)，n為點的數量，對于大規模點集計算速度慢，并且尋找最近點的方法收斂于點對點的距離殘差，沒有考慮鄰域的空間拓撲關系，受到單點定位噪聲影響大。
/>技術實現思路
1、鑒于上述問題，本專利技術提供用于克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種手術空間配準方法、裝置、設備及存儲介質。該方法改進了手術導航中的點云采集和空間配準方法，以解決上述傳統方法采集精度低，計算速度慢，受到噪聲影響大的問題。
2、本專利技術提供了如下方案：
3、一種手術空間配準方法，包括：
4、采用光學跟蹤系統的近紅外雙目相機識別獲得多幀條紋圖像，多幀所述條紋圖像為近紅外數字投影設備投影至目標手術區域的隨時間周期變化等間距相移的多幀正弦光柵條紋圖像；
5、通過區域生長法向種子點周圍解包裹相位，并在雙目視圖中匹配對應的相位求解視差，重建跟蹤系統坐標系的三維稠密點云；
6、在醫學圖像中提取表面點云坐標并與所述三維稠密點云進行初始配準；
7、將初始配準后的醫學圖像的各個三維點重投影到相機圖像上得到對應的各個二維重投影點；估計獲得每個三維點的視差值；利用各個所述二維重投影點以及對應的所述視差值組成多個視差點；
8、使用基于視差梯度方向的非迭代檢索方法估計各個所述視差點在規則視差圖上的各個匹配點；
9、計算獲得各個視差點對應的旋轉和平移的偏導矩陣，并對每個所述匹配點估計獲得各自的協方差矩陣；
10、利用所述協方差矩陣非線性優化匹配點面型之間的殘差，得到穩定的最優解。
11、優選地：所述三維稠密點云重建方法包括：
12、分別對每幀所述條紋圖像進行圖像閾值處理獲得若干連通域，并計算獲得每個所述連通域的特征；
13、利用各個所述連通域的特征對若干所述連通域進行分類獲取若干目標連通域，所述目標連通域為判斷為光柵條紋信號區域所對應的連通域；
14、確定每個所述目標連通域內的種子點，使用區域生長算法解包裹相位獲得左目相機對應的第一解包裹相位值以及右目相機對應的第二解包裹相位值；
15、利用所述第一解包裹相位值以及所述第二解包裹相位值在雙目圖像中進行相位值匹配，確定匹配正確后確定雙目圖像的視差值，對鄰域采用插值方法得到亞像素視差圖；根據視差與深度映射關系重建出每個像素點的三維坐標并重建出所述三維稠密點云。
16、優選地：計算獲得每個所述連通域的特征包括：
17、計算連通域內的每個像素在一組投影周期內的灰度均值，得到直流分量a(x,y)；
18、計算每個像素灰度隨時間變化的振幅，得到調制度b(x,y)；
19、計算像素隨時間周期變化的反正切相位，得到相位值
20、連通域內單個像素的特征計算方式如下式所示：
21、
22、
23、
24、式中：i(x,y)是當前幀圖像上坐標為(x,y)的像素灰度，i1,i2,i3,i4代表連續四幀圖像的第1，2，3，4幀的像素灰度，arctan為二維反正切函數。
25、優選地：所述通過區域生長法向種子點周圍解包裹相位包括：
26、選擇區域生長的種子點為連通域的幾何中心(x0,y0)，對其八鄰域像素做如下處理：
27、
28、式中，表示向下取整，表示空間相位解包裹后的相位值；
29、在雙目圖像中匹配相同的解包裹相位值它們的橫坐標之差為視差值d(x,y)。
30、優選地：所述基于視差梯度方向的非迭代檢索方法包括：
31、計算視差圖的梯度
32、將初始配準的三維點重投影至二維圖像上，得到估計的視差點p對視差點p＝(x,y,dp)t的視差估計值dp和視差測量值d(x,y)作差，得到視差值的殘差δd＝dp-d(x,y)；
33、根據殘差δd和梯度g計算出殘差下降方向和步長-gδd/(1+‖g‖2)；
34、估計的殘差下降后的匹配點(xq,yq)t＝(x,y)t-gδd/(1+‖g‖2)即為匹配點q＝(xq,yq,d(xq,yq))t在視差圖上的坐標。
35、優選地：所述協方差矩陣計算方法包括：
36、選取空間中的任意點p鄰域m個坐標點p1,p2,…,pm，計算m個坐標點p1,p2,…,pm的質心坐標
37、將每個坐標點pk移動到質心坐標系作為列向量水平拼接為坐標矩陣
38、協方差矩陣用坐標矩陣的自相關矩陣估計獲得：cp＝γγt。
39、優選地：所述利用所述協方差矩陣非線性優化匹配點面型之間的殘差，得到穩定的最優解包括：
40、設置代價函數為視差點p到匹配點q的馬氏距離統計求和：
41、
42、使用非線性優化方法確定殘差下降的方向，不斷迭代目標旋轉r和平移t，每次迭代過程中更新旋轉r，平移t的數值，直到上式的殘差收斂到最小值停止迭代，此時輸出的旋轉平移矩陣為最優解。
43、一種手術空間配準裝置，包括：
44、條紋圖像獲取單元，用于采用光學跟蹤系統的近紅外雙目相機識別獲得多幀條紋圖像，多幀所述條紋圖像為近紅外數字投影設備投影至目標手術區域的隨時間周期變化等間距相移的多幀正弦光柵條紋圖像；
45、解包裹相位單元，用于通過區域生長法向種子點周圍解包裹相位，并在雙目視圖中匹配對應的相位求解視差，重建跟蹤系統坐標系的三維稠密點云；
46、初始配準單元，用于在醫學圖像中提取表本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種手術空間配準方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述三維稠密點云重建方法包括：
3.根據權利要求2所述的手術空間配準方法，其特征在于，計算獲得每個所述連通域的特征包括：
4.根據權利要求1所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述通過區域生長法向種子點周圍解包裹相位包括：
5.根據權利要求1所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述基于視差梯度方向的非迭代檢索方法包括：
6.根據權利要求1所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述協方差矩陣計算方法包括：
7.根據權利要求6所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述利用所述協方差矩陣非線性優化匹配點面型之間的殘差，得到穩定的最優解包括：
8.一種手術空間配準裝置，其特征在于，包括：
9.一種手術空間配準設備，其特征在于，所述設備包括處理器以及存儲器：
10.一種計算機可讀存儲介質，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質用于存儲程序代碼，所述程序代碼用于執行權利要求1-7任一項所述的手術空間配準方法。
...
【技術特征摘要】
1.一種手術空間配準方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述三維稠密點云重建方法包括：
3.根據權利要求2所述的手術空間配準方法，其特征在于，計算獲得每個所述連通域的特征包括：
4.根據權利要求1所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述通過區域生長法向種子點周圍解包裹相位包括：
5.根據權利要求1所述的手術空間配準方法，其特征在于，所述基于視差梯度方向的非迭代檢索方法包括：
6.根據權利要求1所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：范敬凡，鄭昭，楊健，宋紅，付天宇，艾丹妮，肖德強，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：
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