[发明专利]基于超声图像的骨折远近端空间位姿实时获取与配准系统

说明书

本发明公开了一种基于超声图像的骨折远近端空间位姿实时获取与配准系统，包括术前数据采集模块、超声图像分割模块、点云获取模块、配准与定位模块、可视化模块。本发明所提出的基于超声影像数据的配准系统通过对超声探头进行改造，添加红外标记球并进行标定，可以准确无创地提取骨表面特征，进而通过配准获取患骨的空间位姿。同时本发明使用超声设备进行术中患骨数据的采集，极大的降低了患者所受到的辐射损害。本发明能够在术中精确定位患骨的位置并与术前重建的模型进行配准，为骨折复位手术提供准确的三维信息，并且系统具有无辐射损害、操作简便、适用各种类型的骨折手术等优点。

技术领域

本发明涉及医学、计算机视觉、图像处理等领域，尤其涉及一种基于超声图像的骨折远近端空间位姿实时获取与配准系统。

背景技术

传统的骨折手术依赖医生的主观判断和经验，且需要通过大切口的方式暴露骨组织，存在手术误差大、创伤大、操作时间长等问题。随着机器人技术与骨科医学的交叉融合，并联机器人以其微创、高精度的优点被引入骨科手术领域，成为实现精准安全骨折手术的优势解决方案。

并联机器人辅助骨折手术的流程一般分为三个阶段：1)术前CT扫描诊断患者病情；2)术中安装并联机器人至患骨远近端；3)术后拍摄x光片或再行CT扫描，完成对断骨的精确定位，借由机器人对骨折进行复位及有效固定操作，最终完成骨折的治疗。由上述流程可见，术中机器人安装后无法进行即时的复位及有效的固定操作，其原因在于术中缺乏对断骨空间位姿的有效辨识，这极大的延长了骨折手术的治疗时间，增加了患者感染以及二次骨折的风险，同时术后放射影像的采集也增加了患者的辐射。因此，如何在术中获取断骨的空间位姿，进而实现术中即时的复位及有效的固定，是实现精准高效骨折手术的核心问题。

目前，术中断骨空间位姿的获取主要通过基于探针采集数据进行配准的方法和基于CBCT影像数据进行配准的方法。基于探针采集数据的方法使用带有红外标记球的探针采集骨表面数据，进而与术前患骨数据进行配准，最终实现断骨空间位姿的获取。该方法的缺陷在于体表采集误差较大，而骨表面数据的采集往往需要增加手术切口，使患者遭受不必要的手术创伤。基于CBCT影像数据的方法将术中拍摄的锥形束CT图像与术前患骨图像进行配准，得到患骨对应的空间位姿。该方法的缺点在于CBCT的成像范围有限，与术前的三维图像配准时误差较大。此外其拍摄过程中产生大量辐射，使医生和患者遭受辐射危害。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于超声图像的骨折远近端空间位姿实时获取与配准系统，解决现有技术中术中断骨空间位姿的获取误差较大、有辐射危害等问题。

本发明技术方案为：本发明的基于超声图像的骨折远近端空间位姿实时获取与配准系统，包括以下子模块：术前数据采集模块、超声图像分割模块、点云获取模块、配准与定位模块、可视化模块。

术前数据采集模块，所述的术前数据采集模块用于从人体骨折部位CT数据中提取近端骨、远端骨和健侧骨区域并进行三维重建，之后将结果导出为STL网络模型作为标准模型骨，用于后续的配准和可视化呈现。

超声图像分割模块，所述的超声图像分割模块使用深度学习的方法获取超声图像分割模型，然后基于该模型对术中实时采集的图像进行分割，提取图像中包含的骨表面位置信息。

点云获取模块，所述的点云获取模块用于从术前STL网络模型中提取CT点云数据以及从术中超声图像分割结果中提取超声点云数据。

配准与定位模块，所述的配准与定位模块用于将术前CT点云和术中超声点云进行配准，得到两者的转换矩阵，进而得到标准模型骨与实际患骨在空间位置上的对应关系。

可视化模块，所述的可视化模块用于搭建三维虚拟场景，将经过配准和定位的患骨和健侧骨实时渲染至显示设备上，为医生提供直观的参考。