一种术前CT图像与术中超声图像的配准方法及系统

一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法及系统
技术领域
1.本发明涉及辅助医疗技术领域，更具体的说是涉及一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法及系统。


背景技术：

2.目前，医学图像导航已经被广泛应用在各类微创手术中，主流的术中的图像实时导航方式主要分为基于x光的导航和基于超声的导航，为了手术中减少x射线，超声与ct、x光相比有明显优势：首先，超声检测成本低、没有辐射造成的伤害，医生和患者可以避免与辐射性设备直接接触；其次，超声设备向小型化、便携化的方向发展，节约了大量的手术空间，这使得医疗手术可以实施的场合更加灵活。
3.但是，超声图像的成像质量比较差，无法精确提供术中的导航信息；同时，在外科手术中，医生需要术前对患者进行ct扫描来对患者手术部位的情况进行了解，进而对患者进行诊断并确定手术方案，但手术中医生需要通过经验判断病灶处与ct图像的对应关系，这会使医生有一定的手术压力。
4.另外，目前美国通用公司的容积导航系统可使用“一点一面”的方法对ct和超声图像进行配准，其流程为在与ct扫描方向一致的情况下使用超声探头进行扫描，并计算出超声图像对应的ct切片序号，然后在医生选择一个匹配点后进行匹配，但使超声切面与ct横断面方向保持一致操作难度很大，并且手动选择匹配点比较麻烦且需要医生有较高的水平，限制了该方法在临床上的应用。
5.因此，如何提供一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法及系统，来解决背景技术中提到的问题，以便于提供高精度的自动术前ct-术中超声图像的配准
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法，包括以下步骤：
9.s1.将ct图像生成三维模型，分别获取ct图像坐标系和世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，将术前ct图像坐标系与世界坐标系进行注册，获取ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵；
10.s2.进行术前超声探头标定：通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵；
11.s3.采集术中超声图像和超声探头位姿，通过电磁定位技术实时测量获得超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，根据超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵、超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵以及世界坐标系与ct图像坐标系的转换矩阵，将术前ct图像与术中超声图像进行配准，获得超声图像对应的ct图像的切片。
12.优选的，s1前还包括术前对患者的手术部位进行标记，并对患者的手术部位进行ct扫描获得ct图像。
13.优选的，s1的具体内容包括：
14.s11.通过阈值分割的方式将标记点从ct图像中分离出来，通过分割出的标志点的位置计算ct图像坐标系下的标记点坐标p
(ct)
，
15.s12.获取手术部位标记点在世界坐标系下的坐标p
(w)
，
16.s13.计算ct图像坐标系与世界坐标系转换矩阵wt
ct
：
17.使用icp迭代最近点算法对ct图像坐标系下的标志点坐标与标志点在世界坐标系下的坐标进行匹配，得到标志点的对应关系为：
[0018][0019]
优化的目标函数为：
[0020][0021]
使用svd分解的方法求解旋转矩阵
wrct
和平移向量wt
ct
，计算ct图像坐标系与世界坐标系之间空间转换矩阵wt
ct
为：
[0022][0023]
优选的，s2中通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵的具体内容包括：
[0024]
通获取n型模型a、b、c、d四点在世界坐标系下的坐标通获取n型模型a、b、c、d四点在世界坐标系下的坐标结合超声图像与n型模型成像的三个交点e、f、g之间间距的比例关系，通过相似三角形原理，可求出e、f、g三点在世界坐标系坐标系下的坐标则有
[0025]
p
i(w)
＝wt
ss
t
us
p
i(us)
[0026]wts为通过电磁定位技术测量的超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵；
[0027]
优化的目标函数为：
[0028][0029]
使用svd分解的方法即可求出旋转矩阵
srus
和平移向量st
us
，进而计算出超声图像坐标系与超声探头坐标系之间空间转换矩阵st
us
，其中：
[0030][0031]
优选的，s3中的术前ct图像与术中超声图像进行配准具体为：
[0032]
p
(ct)
＝
ct
t
us
p
(us)
＝
ct
t
ww
t
ss
t
us
p
(us)
[0033]
其中，p
(ct)
为ct图像中的点，
ct
tw为世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，wts为超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵，st
us
为超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵，p
(ct)
为超声图像中的点。
[0034]
优选的，所述的一种术前ct与术中超声图像的配准方法，还包括s4对手术部位进行跟踪定位，对手术部位移动变化做出响应，采集移动前后手术部位位姿，更新世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，并对术前ct图像与术中超声图像进行配准。
[0035]
优选的，手术部位标记点发生移动后，世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵为：
[0036]
ct
tw′
＝
ct
tw·
t
change
[0037]
其中，t
change
为移动前后手术部位位姿的变换矩阵：
[0038]
t
change
＝t0t
1-1
[0039]
t1＝t
change
t0[0040]
其中，t0为初始位姿，t1为发生移动后的位姿；
[0041]
则，术前ct图像与术中超声图像进行配准具体为：
[0042]
p
(ct)
＝
ct
twt
changew
t
ss
t
us
p
(us)
[0043]
其中，p
(ct)
为ct图像中的点，
ct
tw为世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，t
change
为移动前后手术部位位姿的变换矩阵，wts为超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵，st
us
为超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵，p
(ct)
为超声图像中的点。
[0044]
一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，包括电磁跟踪仪、与电磁跟踪仪电性连接的图形工作站、与电磁跟踪仪相连接的5自由度电磁定位探针、固定在患者手术部位的标记、超声探头、与超声探头和图形工作站均相连的超声图形工作站，以及固定在超声探头上且与电磁跟踪仪相连接的第一6自由度电磁定位传感器；
[0045]
5自由度电磁定位探针，用于获取世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，传输至图形工作站；
[0046]
电磁跟踪仪，用于获取ct图像坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，传输至图形工作站；
[0047]
图形工作站，用于将ct图像生成三维模型，根据ct图像坐标系和世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，将术前ct图像坐标系与世界坐标系进行注册，获取ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵；还用于进行术前超声探头标定，通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵，获取测量的超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，并结合ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵，接收术中超声图像和超声探头位姿，将术前ct图像与术中超声图像进行配准；
[0048]
超声探头，用于采集术中超声图像，通过超声图形工作站传输至图形工作站；
[0049]
第一6自由度电磁定位传感器，用于采集超声探头在世界坐标系位姿，采集术中超声探头位姿，测量获得超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，传输至图形工作站。
[0050]
优选的，所述的一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，还包括ct扫描仪，与用于对患者的手术部位进行标记后，对患者的手术部位进行ct扫描获得ct图像，传输至图形工作站。
[0051]
优选的，所述的一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，还包括第二6自由度电磁定位传感器，第二6自由度电磁定位传感器固定在患者手术部位，并与电磁跟踪仪；
[0052]
第二6自由度电磁定位传感器，用于对手术部位进行跟踪定位，对手术部位移动变化做出响应，采集移动前后手术部位位姿，并传输至图形工作站；
[0053]
图形工作站，还用于根据移动前后手术部位位姿，更新世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，并对术前ct图像与术中超声图像进行配。
[0054]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法及系统，通过超声图像坐标系与ct图像坐标系之间转换关系的确定，使得能够直接获得超声图像对应的ct二维切片图像，使得医生在手术过程中，要更细致地观察手术部位的组织结构时，不用手动地去寻找ct切片，从而提升了手术的自动化程度；可以计算出ct切片的准确位置，提高了配准流程的自动化程度和配准精度，便于在手术中进行应用，有助于应用在医学图像导航领域提高医学图像的质量，进而减轻医生的手术压力。
附图说明
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0056]
图1附图为本发明提供的术前ct图像与术中超声图像的配准方法示意图；
[0057]
图2附图为本发明提供的实现术前ct图像坐标系与世界坐标系进行注册的结构示意图；
[0058]
图3附图为本发明提供的术前ct图像与术中超声图像配准的系统结构示意图；
[0059]
图4附图为本发明实施例提供的n形标定模型示意图；
[0060]
其中，1-电磁跟踪仪，2-图形工作站，3-5自由度电磁定位探针，4-手术部位标记，5-超声探头，6-第一6自由度电磁定位传感器，7-超声图形工作站，8-第二6自由度电磁定位传感器。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
本发明实施例公开了一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法，如图1，包括以下步骤：
[0063]
s1.将ct图像生成三维模型，分别获取ct图像坐标系和世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，将术前ct图像坐标系与世界坐标系进行注册，获取ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵；
[0064]
s2.进行术前超声探头标定：通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵；
[0065]
s3.采集术中超声图像和超声探头位姿，通过电磁定位技术实时测量获得超声探
头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，根据超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵、超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵以及世界坐标系与ct图像坐标系的转换矩阵，将术前ct图像与术中超声图像进行配准，获得超声图像对应的ct图像的切片。
[0066]
本实施例中，通过ndi的电磁定位系统aurora在ct图像坐标系与世界坐标系之间建立转换关系，将电磁定位系统的坐标系视为世界坐标系，使得能够通过电磁定位传感器在ct图像坐标系与真实物理空间之间建立转换桥梁。
[0067]
为了进一步实施上述技术方案，s1前还包括术前对患者的手术部位进行标记，并对患者的手术部位进行ct扫描获得ct图像。
[0068]
在实际应用中，标记方法采用术前张贴人工标记的方法，张贴的人工标记之间的间距要满足能使之后的标志点匹配时不会产生多解或错解。
[0069]
为了进一步实施上述技术方案，s1的具体内容包括：
[0070]
s11.由于标记点的材料与人体组织的组成有着较大的差异，通过阈值分割的方式将标记点从ct图像中分离出来，通过分割出的标志点的位置计算ct图像坐标系下的标记点坐标p
(ct)
，
[0071]
s12.获取手术部位标记点在世界坐标系下的坐标p
(w)
，
[0072]
在本实施例中，将5自由度电磁定位探针的前端指向患者手术部位的标记点处，就可以得到标志点在世界坐标系下的坐标p
(w)
。
[0073]
s13.计算ct图像坐标系与世界坐标系转换矩阵wt
ct
：
[0074]
使用icp迭代最近点算法对ct图像坐标系下的标志点坐标与标志点在世界坐标系下的坐标进行匹配，得到标志点的对应关系为：
[0075][0076]
优化的目标函数为：
[0077][0078]
使用svd分解的方法求解旋转矩阵
wrct
和平移向量wt
ct
，计算ct图像坐标系与世界坐标系之间空间转换矩阵wt
ct
为：
[0079][0080]
为了进一步实施上述技术方案，超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵通过测量输出得到，超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵通过n形标定模型得到。
[0081]
在本实施例中，超声探头标定的目的是求解超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵st
us
，在实际的标定过程中，由电磁定位系统可得到超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵wts，将用于标定的n形模型固定在水槽中，n形模型实际应用中由尼龙绳弯曲组成，固定好之后，建立固定的模型几何信息，n形模型的两个底边平行且斜线与其两条平行的底边形成固定的角度，此时在水槽上方对n形模型成像，成像过程如图4(a)所示，其成像
过程可以理解为超声成像平面会与n形模型的三个边形成三个交点e、f、g如图4(b)所示，通过5自由度定位探针可得到图4(b)中a、b、c、d四点在世界坐标系下的坐标利用e、f、g三个点之间的比例关系，通过相似三角形原理，可求出e、f、g三点在世界坐标系坐标系下的坐标
[0082]
则有：
[0083]
p
i(w)
＝wt
ss
t
us
p
i(us)
[0084]wts为通过电磁定位技术测量的超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵；
[0085]
优化的目标函数为：
[0086][0087]
使用svd分解的方法即可求出旋转矩阵
srus
和平移向量st
us
，进而计算出超声图像坐标系与超声探头坐标系之间空间转换矩阵st
us
，其中：
[0088][0089]
由于第一6自由度电磁定位传感器(6)时固定在超声探头(5)上的，因此在标定一次后，后续使用中只要第一6自由度电磁定位传感器(6)相对超声探头(5)的位置保持不变，就无需再次进行标定。
[0090]
为了进一步实施上述技术方案，s3中的术前ct图像与术中超声图像进行配准具体为：
[0091]
p
(ct)
＝
ct
t
us
p
(us)
＝
ct
t
ww
t
ss
t
us
p
(us)
[0092]
其中，p
(ct)
为ct图像中的点，
ct
tw为世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，wts为超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵，st
us
为超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵，p
(ct)
为超声图像中的点。
[0093]
在进行手术的过程中，患者的手术部位可能会发生移动，从而使世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵
ct
tw发生改变。
[0094]
为了进一步实施上述技术方案，一种术前ct与术中超声图像的配准方法，还包括s4对手术部位进行跟踪定位，对手术部位移动变化做出响应，采集移动前后手术部位位姿，更新世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，并对术前ct图像与术中超声图像进行配准。
[0095]
为了进一步实施上述技术方案，手术部位标记点发生移动后，世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵为：
[0096]
ct
tw′
＝
ct
tw·
t
change
[0097]
其中，t
change
为移动前后手术部位位姿的变换矩阵：
[0098]
t
change
＝t0t
1-1
[0099]
t1＝t
change
t0[0100]
其中，t0为初始位姿，t1为发生移动后的位姿；
[0101]
则，术前ct图像与术中超声图像进行配准具体为：
[0102]
p
(ct)
＝
ct
twt
changew
tsst
us
p
(us)
[0103]
其中，p
(ct)
为ct图像中的点，
ct
tw为世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，t
change
为移动前后手术部位位姿的变换矩阵，wts为超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵，st
us
为超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵，p
(ct)
为超声图像中的点。
[0104]
一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，如图2和图3，包括电磁跟踪仪1、与电磁跟踪仪1电性连接的图形工作站2、与电磁跟踪仪相连接的5自由度电磁定位探针3、固定在患者手术部位的标记4、超声探头5、与超声探头5和图形工作站3均相连的超声图形工作站7，以及固定在超声探头5上且与电磁跟踪仪1相连接的第一6自由度电磁定位传感器8；
[0105]
5自由度电磁定位探针3，用于获取世界坐标系中手术部位标记点4的对应点坐标，传输至图形工作站2；
[0106]
电磁跟踪仪1，用于获取ct图像坐标系中手术部位标记点4的对应点坐标，传输至图形工作站2；
[0107]
图形工作站，用于将ct图像生成三维模型，根据ct图像坐标系和世界坐标系中手术部位标记点4的对应点坐标，将术前ct图像坐标系与世界坐标系进行注册，获取ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵；还用于进行术前超声探头标定，通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵，获取测量的超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，并结合ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵，接收术中超声图像和超声探头位姿，将术前ct图像与术中超声图像进行配准；
[0108]
超声探头5，用于采集术中超声图像，通过超声图形工作站7传输至图形工作站2；
[0109]
第一6自由度电磁定位传感器6，用于采集超声探头5在世界坐标系位姿，采集术中超声探头位姿，测量获得超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，传输至图形工作站。
[0110]
为了进一步实施上述技术方案，一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，还包括ct扫描仪，与用于对患者的手术部位进行标记后，对患者的手术部位进行ct扫描获得ct图像，传输至图形工作站2。
[0111]
为了进一步实施上述技术方案，一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，还包括第二6自由度电磁定位传感器8，第二6自由度电磁定位传感器8固定在患者手术部位，并与电磁跟踪仪1连接；
[0112]
第二6自由度电磁定位传感器8，用于对手术部位进行跟踪定位，对手术部位移动变化做出响应，采集移动前后手术部位位姿，并传输至图形工作站2；
[0113]
图形工作站2，还用于根据移动前后手术部位位姿，更新世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，并对术前ct图像与术中超声图像进行配。
[0114]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0115]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.将ct图像生成三维模型，分别获取ct图像坐标系和世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，将术前ct图像坐标系与世界坐标系进行注册，获取ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵；s2.进行术前超声探头标定：通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵；s3.采集术中超声图像和超声探头位姿，通过电磁定位技术实时测量获得超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，根据超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵、超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵以及世界坐标系与ct图像坐标系的转换矩阵，将术前ct图像与术中超声图像进行配准，获得超声图像对应的ct图像的切片。2.根据权利要求1所述的一种术前ct与术中超声图像的配准方法，其特征在于，s1前还包括术前对患者的手术部位进行标记，并对患者的手术部位进行ct扫描获得ct图像。3.根据权利要求1所述的一种术前ct与术中超声图像的配准方法，其特征在于，s1的具体内容包括：s11.通过阈值分割的方式将标记点从ct图像中分离出来，通过分割出的标志点的位置计算ct图像坐标系下的标记点坐标p
(ct)
，s12.获取手术部位标记点在世界坐标系下的坐标p
(w)
，s13.计算ct图像坐标系与世界坐标系转换矩阵
w
t
ct
：使用icp迭代最近点算法对ct图像坐标系下的标志点坐标与标志点在世界坐标系下的坐标进行匹配，得到标志点的对应关系为：优化的目标函数为：使用svd分解的方法求解旋转矩阵
w
r
ct
和平移向量
w
t
ct
，计算ct图像坐标系与世界坐标系之间空间转换矩阵
w
t
ct
为：4.根据权利要求1所述的一种术前ct与术中超声图像的配准方法，其特征在于，s2中通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵的具体内容包括：获取n型模型a、b、c、d四点在世界坐标系下的坐标获取n型模型a、b、c、d四点在世界坐标系下的坐标结合超声图像与n型模型成像的三个交点e、f、g之间间距的比例关系，通过相似三角形原理，可求出e、f、g三点在世界坐标系坐标系下的坐标则有p
i(w)
＝
w
t
ss
t
us
p
i(us)w
t
s
为通过电磁定位技术测量的超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵；
优化的目标函数为：使用svd分解的方法即可求出旋转矩阵
s
r
us
和平移向量
s
t
us
，进而计算出超声图像坐标系与超声探头坐标系之间空间转换矩阵
s
t
us
，其中：5.根据权利要求1所述的一种术前ct与术中超声图像的配准方法，其特征在于，s3中的术前ct图像与术中超声图像进行配准具体为：p
(ct)
＝
ct
t
us
p
(us)
＝
ct
t
ww
t
ss
t
us
p
(us)
其中，p
(ct)
为ct图像中的点，
ct
t
w
为世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，
w
t
s
为超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵，
s
t
us
为超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵，p
(ct)
为超声图像中的点。6.根据权利要求1所述的一种术前ct与术中超声图像的配准方法，其特征在于，还包括s4对手术部位进行跟踪定位，对手术部位移动变化做出响应，采集移动前后手术部位的位姿，更新世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，并对术前ct图像与术中超声图像进行配准。7.根据权利要求6所述的一种术前ct与术中超声图像的配准方法，其特征在于，手术部位标记点发生移动后，世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵为：
ct
t
w
′
＝
ct
t
w
·
t
change
其中，t
change
为移动前后手术部位位姿的变换矩阵：t
change
＝t0t
1-1
t1＝t
change
t0其中，t0为初始位姿，t1为发生移动后的位姿；则，术前ct图像与术中超声图像进行配准具体为：p
(ct)
＝
ct
t
w
t
changew
t
ss
t
us
p
(us)
其中，p
(ct)
为ct图像中的点，
ct
t
w
为世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，t
change
为移动前后手术部位位姿的变换矩阵，
w
t
s
为超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵，
s
t
us
为超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵，p
(ct)
为超声图像中的点。8.一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，基于权利要求1-7任意一项所述的一种术前ct图像与术中超声图像的配准方法，其特征在于，包括电磁跟踪仪、与电磁跟踪仪电性连接的图形工作站、与电磁跟踪仪相连接的5自由度电磁定位探针、固定在患者手术部位的标记、超声探头、与超声探头和图形工作站均相连的超声图形工作站，以及固定在超声探头上且与电磁跟踪仪相连接的第一6自由度电磁定位传感器；5自由度电磁定位探针，用于获取世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，传输至图形工作站；电磁跟踪仪，用于获取ct图像坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，传输至图形工作站；
图形工作站，用于将ct图像生成三维模型，根据ct图像坐标系和世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，将术前ct图像坐标系与世界坐标系进行注册，获取ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵；还用于进行术前超声探头标定，通过n形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵，获取测量的超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，并结合ct图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵，接收术中超声图像和超声探头位姿，将术前ct图像与术中超声图像进行配准；超声探头，用于采集术中超声图像，通过超声图形工作站传输至图形工作站；第一6自由度电磁定位传感器，用于采集超声探头在世界坐标系位姿，采集术中超声探头位姿，测量获得超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，传输至图形工作站。9.根据权利要求8所述的一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，其特征在于，还包括ct扫描仪，与用于对患者的手术部位进行标记后，对患者的手术部位进行ct扫描获得ct图像，传输至图形工作站。10.根据权利要求8所述的一种术前ct图像与术中超声图像的配准系统，其特征在于，还包括第二6自由度电磁定位传感器，第二6自由度电磁定位传感器固定在患者手术部位，并与电磁跟踪仪连接；第二6自由度电磁定位传感器，用于对手术部位进行跟踪定位，对手术部位移动变化做出响应，采集移动前后手术部位位姿，并传输至图形工作站；图形工作站，还用于根据移动前后手术部位位姿，更新世界坐标系与ct图像空间坐标系的转换矩阵，并对术前ct图像与术中超声图像进行配准。

技术总结
本发明公开了一种术前CT图像与术中超声图像的配准方法及系统，包括S1.将CT图像生成三维模型，分别获取CT图像坐标系和世界坐标系中手术部位标记点的对应点坐标，将术前CT图像坐标系与世界坐标系进行注册，获取CT图像坐标系与世界坐标系之间的空间转换矩阵；S2.通过N形标定模型获得超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵；S3.采集术中超声图像和超声探头位姿，通过电磁定位技术测量获得超声探头坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，根据超声图像坐标系与超声探头坐标系的转换矩阵、超声探头坐标系与世界坐标系的转换矩阵以及世界坐标系与CT图像坐标系的转换矩阵，将术前CT图像与术中超声图像进行配准，获得超声图像对应的CT图像的切片。的CT图像的切片。


技术研发人员：孟偲 任龙飞 孙杰
受保护的技术使用者：北京大学第三医院（北京大学第三临床医学院）
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/14