[发明专利]基于SS-OCT手术导航系统的图像配准方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于SS‑OCT手术导航系统的图像配准方法及系统，该方法先在SS‑OCT手术导航系统中引入引导光源对手术区域进行标记，通过引导光源在OCT图像与显微图像产生的激光点对作为基准点对，然后利用单应性矩阵求解基准点对之间的对应关系从而将OCT图像与二维显微图像进行配准。本发明首先在系统中引入引导光源进行基准点的设置，然后通过对二维显微图像与OCT图像中基准点对的对应关系进行求解实现两种不同模态图像的配准融合，使得扫描区域的信息显示更为直观形象，且配准误差为0.04mm左右，可用于术前手术规划及术后效果评估等医疗诊断的辅助，还可以作为医学培训的辅助工具，为初学者提供直观的结构深度信息。

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种基于SS-OCT手术导航系统的图像配准方法及系统。

背景技术

目前，以光学显微镜为基础的显微外科手术，其成像范围局限于表面的二维成像，严重地限制了它的应用。光学相干层析技术，是一种高分辨率、高灵敏度的非接触式三维成像方法，可以对组织内部断层、手术器械进行成像，特别适用于精细手术的导航，使得显微镜集成的OCT手术导航系统得到了飞速发展。同时扫频光学相干层析成像技术的发展，使得三维OCT实时成像在术中应用成为可能。在显微外科手术中，实时观察手术区域的显微图像与OCT图像为医生带来了极大的便利。通过对手术区域不同类型图像的观察，医生可以精确地定位手术靶点部位并尽可能降低手术的生理创伤。但是显微镜集成的SS-OCT手术导航系统仍存在一系列问题，其中最令医生所诟病的就是在手术过程中，医生需要以便观察手术区域的OCT图像，一边将其与手术区域的显微图像进行对应，这需要丰富的手术经验、良好的空间想象力以及长时间的手术导航系统学习，无疑对显微镜集成的SS-OCT手术导航系统的发展与应用增添了一定阻力。为解决上述问题，需要对手术成像的方法与设备进行改进，通过将OCT图像与显微图像进行配准融合显示，获取更加直观的术中导航信息。

显微镜集成的SS-OCT手术导航系统中的图像配准方法主要有基于硬件的图像配准方法和基于计算机视觉的图像配准方法。基于硬件的图像配准技术主要是通过立体定位装置或传感器使用者的空间位置进行确定，然后通过对位置信息进行处理分析，将多模态的图像进行配准，较为常见的方法有，光学式跟踪配准技术，电磁式跟踪配准技术，机械式跟踪配准技术，超声式跟踪配准技术。但基于硬件的图像配准方法由于其设备昂贵、体积偏大、精度较低、易受环境影响等缺陷已经逐渐被基于计算机视觉的图像配准方法所替代。在手术导航中常见的图像配准方法有基准点法、表面法、模板法及无定标法。在上述方法中基于基准点的图像配准方法实现简单，精度较高，应用最为广泛。Gibson等人在文章(Registration of prostate histology images to ex vivo MR images via strand-shaped fiducials,Journal of Magnetic Resonance Imaging,36(6),1402-1412,(2012).)中利用人为放置的链状标记点将前列腺组织的生理学图像与MRI扫描图像进行配准，减少了百分之七十的配准处理时间，配准误差仅为0.71mm，肿瘤组织区域配准成功率可达百分之八十五以上。Kong等人在文章(Robust augmented reality registrationmethod for localization of solid organs’tumors using CT-derived virtualbiomechanical model and fluorescent fiducials.Surgical Endoscopy 31,2863–2871(2017).)中通过在肾脏中植入荧光基准点，将肾脏的腹腔镜图像与CT扫描所获取的三维重建模型进行配准叠加，获取肾脏内部组织的生物力学模型，肿瘤位置的配准误差仅为0.42mm。基于基准点的图像配准方法关键在于配准图像表面明显的自然特征区域或自主放置的人为标识，其主要思想是通过图像识别将自然基准点或人工标志物转化为基准点，进而获得不同模态图像对应的基准点对坐标，再计算求解对应基准点对的转换关系完成图像之间的配准，实现丰富手术区域信息的目的。但其缺点也较为明显，在多数情况下，手术区域表面不存在较为明显的自然特征，在配准过程中需要将多个标志物一直黏附或固定在手术区域内部或附近，甚至为了保证其稳定性需要在手术部位穿孔打洞，创伤较大。对于显微镜集成的SS-OCT手术导航系统来说，其手术区域多为眼球，生物结构特征较为复杂且难以设置人工标志点。