[发明专利]一种基于结构光的手术导航点云分割与配准方法

说明书

本发明公开了是一种基于结构光的手术导航点云分割与配准方法，该方法包括：结构光系统标定；向术中的患者体表投射编码后的结构光，获取术中患者的体表点云；通过对术前患者进行CT扫描并进行三维重建得到术前三维图像，通过设置阈值得到术前患者体表三维图像，并进行采样获取术前患者的体表点云；使用点云分割算法分割出获取到的术前和术中的患者体表点云中的背部点云；使用点云配准算法，将术前和术中的背部点云进行配准，得到术前CT图像空间和术中患者空间的坐标转换关系。本发明方法基于结构光设备，实现了对患者术前和术中空间的匹配，从而完成手术导航中的手术注册，其过程不需要人为干预，具有无辐射、复杂度低、精度高、用时短等优点。

技术领域

本发明涉及手术导航和点云处理领域，特别是涉及一种基于结构光的手术导航点云分割与配准方法。

背景技术

随着科技的不断进步与发展、医理工多领域学科交叉融合、创新诊疗研发与临床实践以及人工智能、大数据等技术的创新与应用，在外科医疗领域中，借助计算机技术辅助外科手术，进行三维立体定位、影像处理、可视化、手术模拟与导航等方面取得了极大地发展。其中数字化、智能化导航手术是推动外科诊疗中精准微创的核心技术，从而得到了较大的关注以及深入的探索与研究。

手术导航结合了医学、计算机技术、图像处理技术、机器人技术等领域，通过术前的影像数据(如超声、X光、MRI、CT)进行手术的规划，在术中将影像数据作为参考引导和辅助医生或机器人进行手术。

手术导航中一个重要步骤是患者空间注册，即获得术中患者所在的实际空间与术前医学影像空间的转换关系，注册的准确性将直接影响手术导航的精度。传统的注册方式需要医生切开皮肤和软组织，暴露出病灶，通过术前规划的手术与方案，在术中进行对照，这种注册方式需要医生自己构建这种空间转换关系，误差较大。目前临床常用的注册方式通过在患者身上佩戴、在体表粘贴、在骨骼中植入标志物或者使用解剖标记点，将标志物与患者一起在术前接受扫描，在术中引入X光来获取患者术中的病灶处的标志物，通过医生手动选取标志物完成两组空间中对应点之间的匹配。这种方式需要医生顺序手动点击标志点进行对应匹配，手工注册过程繁琐、耗时且有偏差，其次标志物在手术中容易出现移位或脱落的现象，且植入标志物的方式会对患者造成伤害，再者在手术中需要多次借助X光进行导航，大大增加了医生和患者被辐射的风险。因此对于能够快速准确、不使用标记物且降低X光辐射的注册方法的研究，对于手术导航有着极大的意义。

相比较利用X光进行术中病灶的获取，结构光的方式完全无辐射且具有高精度和高效率，而且不需要粘贴或者嵌入标记物。将手术导航中手术注册这一问题转换为术前影像空间点云与术中结构光点云配准这一任务，通过对分割出手术区域的点云，并将分割出的术前和术中的手术区域点云进行配准，从而得到术前CT图像空间与术中患者空间的坐标转换关系，设计一种精确有效地点云分割和配准算法对提高手术导航精确度十分重要。

发明内容

本发明提出的是一种基于结构光的手术导航点云分割与配准方法，其目的克服现有技术的不足与缺陷，通过结构光进行无辐射的术中患者点云获取，通过提出的点云分割与配准方法，提高手术导航中手术注册的精确度，降低操作复杂度。

本发明的基于结构光的手术导航点云分割与配准方法，具体的是包括如下步骤：

步骤1，对结构光系统进行标定，投射编码图案获取术中患者体表点云；

步骤2，在术前通过CT扫描患者并进行三维重建得到三维模型，通过设置阈值得到术前患者体表三维图像，并进行采样获取术前患者的体表点云；

步骤3，构建基于特征重用和注意力机制的动态图卷积网络模型，将获取到的术前和术中患者体表点云分割出其背部点云；

步骤4，构建基于主成分分析和动态图卷积的点云配准网络，将分割得到的术前和术中的患者背部点云进行匹配，获得两个空间坐标系之间的转换关系。

优选的，所述步骤1具体包括以下步骤：