[发明专利]一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法

说明书

本发明公开了一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法，涉及医学图像处理领域。本发明提出的方法步骤主要包括：一、采集患者电子计算机断层扫描(Computed Tomography,简称CT)数据；二、对所采集CT数据进行阈值分割等预处理并加入手术规划模型，三维重建生成CT模型；三、立体相机标定及校正；四、采集患者三维口腔扫描仪数据；五、生成三维口腔扫描模型；六、配准三维口腔扫描模型与CT模型；七、配准三维口腔扫描模型与立体相机图像。本发明不需要在患者身上附加标志物，并能自动完成。另外，提出了一种新的三维立体匹配算法，提高了配准精度。同时，本发明中立体相机还可作为一种跟踪装置，用于跟踪手术器械的姿态，从而形成一种虚拟现实手术导航范例。

技术领域

本发明涉及医学图像处理领域，尤其涉及一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法。

背景技术

牙科手术中，成熟的医学计算机辅助设计与制造技术保证了基于患者电子计算机断层扫描(Computed Tomography,简称CT)数据的精确的手术规划，然而手术过程中缺乏准确的手术指导与解剖结构可视化，医生利用视觉和经验进行手术，通常不能保证手术结果与术前规划一致。而增强现实技术凭借其与身边环境实时交互的特点，可以将术前设计方案以及重要的解剖结构的三维虚拟模型叠加到手术视野中，从而产生实时“透视”的效果，使医生实现裸眼观察，提高手术的准确性与安全性。

增强现实的核心是图像配准。根据配准所用的信息不同，可分为基于灰度信息、基于变换域及基于特征的配准方法。在增强现实手术导航中多采用基于特征的配准方法，其又可分为基于人工标志的图像配准方法和基于自然特征的图像配准方法。在牙科手术导航中，为了将增强现实技术转为临床应用，除了精度要求外，图像配准还需要具备以下特征：不应给当前手术流程带来太多额外工作；不应给病人带来太多额外侵犯；快速执行并实时更新。这就需要采用基于自然特征的图像配准。然而尽管近年来计算机视觉领域取得了巨大的进步，增强现实系统在三维场景中基于自然特征点的配准技术仍然是一个严重的挑战。

目前已存在一些关于牙科增强现实手术导航的研究。上海交通大学医学院附属第九人民医院侯亦康等人在“增强现实导航下颌骨截骨术的实验研究”中采用在牙齿上佩戴标志物复合体的方法实现图像配准跟踪。专利“基于牙套的医学图像配准方法(201610669284)”中采用在牙套上设置定位凹槽的方法实现图像配准跟踪。专利“一种基于视觉导航的牙科机器人路径规划系统及方法(201810569970)”中采用在医生手持探针及患者口腔上安装光学标记的方法实现图像配准跟踪。但上述方法都依赖于“佩戴标记”，这种图像配准有以下缺点：①准备佩戴的牙套带来太多额外工作；②实际位置与标记点设计位置不匹配会导致跟踪误差；③为了标记可见性，会在牙套基础上延伸出支架放置跟踪标志物，支架刚性低且误差传播路径长会导致跟踪误差明显增大。

发明内容

发明目的：

本发明克服了现有牙科增强现实手术导航中图像配准依赖于人工标记，以及直接将CT模型与相机图像配准因边界形状不一致影响配准精度的问题，提出了一种自动实时无标记的图像配准方法，该方法可用于牙科手术中以指导手术操作并提供手术结果可视化，具有自动、实时、无创、实用等特点。

技术方案：

本发明提出了一种牙科增强现实手术导航的自动实时无标记图像配准方法，包括以下步骤：

步骤一：CT数据采集。术前患者接受CT扫描，获得CT数据以作诊断及手术规划所需。

步骤二：CT模型生成。对步骤一所述CT数据进行处理，用阈值分割方法提取患者牙齿、颌骨及周围关键解剖组织，并设计虚拟植入物如种植牙或钻孔切割位置等，进行三维重建生成三维CT模型。

步骤三：立体相机标定及校正。获得两个光学相机的相机参数，使两相机图像平面共面行对准。