关于ICP算法的脊椎手术导航配准技术.pdf

华南理工大学学报(自然科学版) Jo帅alofSouthChina V01．38No．1l 第38卷第11期 UniVersit)，ofTechnology Science November2010 20lO年11月 (Natural Edition) 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 在脊柱外科椎弓根钉植入手术中，如何确保在 保证实际的手术器械能够精确到达设定的病灶 理想的位置植入螺钉，最大限度地利用骨量，并确保 部位． 邻近重要生理组织结构的安全，仍然是临床医学界 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(Marker 的一大难题．为此，各国科学家纷纷研制计算机辅助 Matching)、特 手术导航系统以指导临床医生在复杂条件下植入螺 征点对应法(hndmarkMatching)和曲面对应法 钉，在手术中利用导航技术，将手术图像和手术过程 (Su血ce Matching)．标记对应法植入容易辨识的附 中的实际解剖组织关联起来，提供给医生一个可视 加标记可能会给病人带来心理和生理的负担，在某 化、交互式、精确的手术环境，从而达到缩短手术时 些情况下可能无法加入附加标记；另外脊椎骨外面 间、减少医生疲劳、提高手术精度的目的lI‘3J．利用 皮肤贴标记点容易移位，容易导致误差．特征点对应 导航系统开展外科手术，包括两个最重要的过 法先以人工方式选择影像上的特征点，但是特征点 程——配准和跟踪．配准保证了模型空间中的位置 通常都分布在一个范围内，很难在影像中与病人身 与实际空间中的位置一一对应，正是通过配准，使得 上定义出相同的点．曲面对应法需要对医学图像进 导航系统中各个相对独立的坐标系统一起来；在完 行特殊处理，分割出术中可以进行点云数据扫描的 成配准工作后，才能开始跟踪过程，实现引导手术的 骨骼或组织特征表面，对图像分割技术以及手术对 目的．可见，配准过程是整个手术导航系统中至关重 象有较高的要求，需要昂贵的扫描设备，扫描时需要 要的部分，只有完成了实际病人空间和虚拟三维模 暴露较大的脊椎骨面积，且扫描时间较长．文中在基 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 划项目(NCET一07—0232) 万方数据 14