基于解剖標記點的手術導航空間配準研究＊

胡紀昌，邵 彤，董 男，吳文琪，何嘉嬡，范一峰

(杭州醫學院醫學影像學院，浙江 杭州 310053)

0 引言

手術導航系統（Image Guided Surgery，IGS）[1]以影像學數據為基礎建立圖像空間，在手術前通過尋找圖像空間和病人空間的坐標轉化關系，達到在術中實時跟蹤手術器械在病人空間位置的目的。手術導航系統幫助醫生減少手術對病人造成的創傷，降低了手術風險，是微創手術的重要組成部分。空間配準[2]是手術導航的最為關鍵技術，空間配準的準確性在很大程度上決定了導航系統的定位精度。

目前，應用于手術導航系統中的空間配準算法主要有點匹配空間配準[3]和面匹配空間配準[4]。點匹配空間配準是應用最為廣泛的一種空間配準方法，手術前，醫生在病人頭皮表面粘貼人工標記物[5]，將其作為配準的標記點。這種方法需要專門為導航進行一次影像掃描[6]，增加了病人的輻射劑量和手術成本。面匹配空間配準通過掃描儀獲取病人面部表面點云進行空間配準，與傳統的點匹配空間配準相比，其優點是不需要粘貼人工標記物和進行專門的影像掃描。但是面匹配在臨床中的應用并不廣泛，主要是因為它的配準精度不均勻、腦后部靶點配準誤差較高[7]。

本文提出一種基于解剖標記點[8]的空間配準法，使用病人頭部固有的解剖標記點進行空間配準，不需要粘貼人工標記物和進行專門的影像掃描，而且配準精度較為均勻。

1 配準過程

本文采用奇異值分解法（SVD）[9]對兩個空間進行配準。先在圖像空間選取一個點集{Pi}，然后在病人空間選取一個對應的點集{Qi}，最后對兩個點集的對應關系進行轉化。配準的目標是尋找{Pi}和{Qi}之間的一種轉換關系：

Qi=RPi+T

其中，R旋轉3×3旋轉矩陣，T為3×1平移矩陣。

⑴分別求點集P和Q的質心

⑵求各標記點相對于質心的位移向量

⑶求H矩陣

⑷對H矩陣進行SVD分解，得到：

H=U∑VT

⑸根據I=VTRU,求旋轉矩陣R

R=VUT

⑹求平移矩陣T

T=Q-RP

2 實驗結果

本實驗使用臺式計算機，3D Slicer 導航模塊[10]，NDI公司的Polaris定位儀及其配套的跟蹤器械構成一套手術導航系統，如圖1所示。

圖1 手術導航系統的構成

使用鼻根、鼻尖、左眼外眥、右眼外眥、左外耳廓切跡、右外耳廓切跡作為解剖標記點進行空間配準。用探針在頭部表面和圖像空間分別選取以上解剖標記點進行空間配準，標記點配準誤差(Fiducial Registration Error,FRE)為1.07。選取如圖2，圖3所示的5個靶點，其配準誤差如表1 所示。實驗結果表明，所有靶點的TRE均小于2.5 mm，能夠滿足臨床需求。

圖2 正臉靶點分布

表1 靶點配準誤差

3 結論與展望

本文提出一種基于解剖標記點的空間配準方法，該方法具有靶點配準精度高，魯棒性強的特點，能夠滿足臨床需求。由于是針對志愿者的實驗，所以只用到了面部的解剖標記點，沒有利用到腦中后部的解剖標記點。下一步將充分研究腦部各種不同的解剖標記點的組合對靶點精度的影響，以滿足不同組合對不同手術姿勢的需要。