CN114681057A - 一种空间配准方法、装置以及神经外科手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种空间配准方法、装置以及神经外科手术导航系统。该方法中，接收患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云，通过手持式扫描装置获得至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。由于本发明中根据手持式扫描装置获得的至少包含患者目标部位的空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，然后根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，大大提高了配准速度，节约了手术时间，满足临床的需要。

Description

一种空间配准方法、装置以及神经外科手术导航系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体而言，涉及一种空间配准方法、装置以及神经外科手术导航系统。

背景技术

神经导航系统能够帮助医生确定病灶位置和边界，在使用时，需要对术前患者医学影像数据进行三维建模得到虚拟模型，然后将手术部位与虚拟模型进行空间配准，从而确定病灶的精准位置。

现有技术中采用面配准方式进行空间配准，该面配准原理是在病人空间用激光扫描仪获取病人脸部的部分点云，在图像空间提取一个代表病人脸部部分特征(例如眼睛和鼻子)的表面点云，通过迭代的方法对这两个点云进行匹配。然而，由于临床上，扫描仪固定在三角架上且需要被跟踪，限制了扫描仪的扫描范围，导致扫描仪仅提取脸部信息，导致脸部之外的部分配准精度不高，不能满足临床的需要，此外采用点激光发生器(例如红外激光发生器)发出单一光线进行多点扫描，需要消耗较多时间。

发明内容

本发明提供了一种空间配准方法、装置以及神经外科手术导航系统，能够提供快速配准，满足临床的需要。具体的技术方案如下。

第一方面，本发明提供了一种空间配准方法，包括：

接收包含患者目标部位的医学影像数据，建立所述患者目标部位的三维模型，提取所述三维模型的医学影像点云；

通过手持式扫描装置获得至少包含所述患者目标部位的空间信息数据，根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云；

将所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

可选的，所述手持式扫描装置获得的空间信息数据包括所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云。

可选的，所述手持式扫描装置具有空间定位结构，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述空间信息数据转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据所述转换后的空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述空间信息数据转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据所述转换后的空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

针对所述手持式扫描装置获得扫描点云的各个位置，根据在该位置时连接所述手持式扫描装置的空间定位结构与所述手持式扫描装置之间的相对位置关系，确定所述手持式扫描装置到所述空间定位结构的第一转换矩阵；

根据在该位置时所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述空间定位结构到所述光学追踪设备的第二转换矩阵；

根据所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵将所述手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置于各位置处获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

针对所述手持式扫描装置获得空间信息数据的各个位置，根据在该位置时位置指示装置在手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，确定所述手持式扫描装置到所述位置指示装置的第三转换矩阵；

根据在该位置时所述位置指示装置在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述位置指示装置到所述光学追踪设备的第四转换矩阵；

根据所述第三转换矩阵和所述第四转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，在不同位置获得的扫描点云至少两两之间有重叠部分，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据所述重叠部分，将存在重叠部分的扫描点云进行拼接，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述将所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系的步骤，包括：

通过点与点配准方式以及点与面配准方式对所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

第二方面，本发明提供了一种空间配准装置，包括：

医学影像点云提取模块，用于接收包含患者目标部位的医学影像数据，建立所述患者目标部位的三维模型，提取所述三维模型的医学影像点云；

融合点云生成模块，用于通过手持式扫描装置获得至少包含所述患者目标部位的空间信息数据，根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云；

配准模块，用于将所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

可选的，所述手持式扫描装置获得的空间信息数据包括所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云。

可选的，所述手持式扫描装置具有空间定位结构，所述融合点云生成模块，具体用于：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述空间信息数据转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据所述转换后的空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述融合点云生成模块，具体用于：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述融合点云生成模块，包括：

第一转换矩阵确定单元，用于针对所述手持式扫描装置获得扫描点云的各个位置，根据在该位置时连接所述手持式扫描装置的空间定位结构与所述手持式扫描装置之间的相对位置关系，确定所述手持式扫描装置到所述空间定位结构的第一转换矩阵；

第二转换矩阵确定单元，用于根据在该位置时所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述空间定位结构到所述光学追踪设备的第二转换矩阵；

第一转换单元，用于根据所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵将所述手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

第一生成单元，用于对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置于各位置处获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，所述融合点云生成模块，包括：

第三转换矩阵确定单元，用于针对所述手持式扫描装置获得空间信息数据的各个位置，根据在该位置时位置指示装置在手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，确定所述手持式扫描装置到所述位置指示装置的第三转换矩阵；

第四转换矩阵确定单元，用于根据在该位置时所述位置指示装置在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述位置指示装置到所述光学追踪设备的第四转换矩阵；

第二转换单元，用于根据所述第三转换矩阵和所述第四转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

第二生成单元，用于对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，在不同位置获得的扫描点云至少两两之间有重叠部分，所述融合点云生成模块，具体用于：

根据所述重叠部分，将存在重叠部分的扫描点云进行拼接，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，所述融合点云生成模块，具体用于：

根据位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中，生成所述患者目标部位的融合点云。

可选的，所述配准模块，具体用于：

通过点与点配准方式以及点与面配准方式对所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

第三方面，本发明提供一种神经外科手术导航系统，包括主机和手持式扫描装置，所述手持式扫描装置与所述主机通信连接；

所述手持式扫描装置采集至少包含所述患者目标部位的空间信息数据并发送至所述主机；

所述主机执行上述第一方面所述的空间配准方法。

可选的，上述神经外科手术导航系统还包括光学追踪设备，所述光学追踪设备与所述主机通信连接；

所述光学追踪设备追踪所述空间定位结构或者所述位置指示装置的空间位置信息并发送至所述主机。

由上述内容可知，本发明实施例可以接收患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云，通过手持式扫描装置获得至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。由于本发明实施例中根据手持式扫描装置获得的至少包含患者目标部位的空间信息数据即可生成患者目标部位的融合点云，然后根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，提高了配准速度，节约了手术时间，满足临床的需要。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

本发明实施例的创新点包括：

1、本实施例可以接收患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云，通过手持式扫描装置获得至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。由于本发明实施例中根据手持式扫描装置获得的至少包含患者目标部位的空间信息数据即可生成患者目标部位的融合点云，然后根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，提高了配准速度，节约了手术时间，满足临床的需要。

2、在两次坐标系转换的过程中，只是用到了位置指示装置与手持式扫描装置之间的相对位置关系，或者，空间定位结构与手持式扫描装置之间的相对位置关系，位置指示装置和空间定位结构只是作为一个完成对患者目标部位进行扫描得到扫描点云的介质，并不对位置指示装置和空间定位结构上是否设定标识点以及标识点的数量和位置进行限制，因此，简化了计算过程，减少了计算量。

3、相比于激光点云配准方式只能获取患者脸部点云信息进行配准，本发明实施例不仅可以获取患者脸部点云信息还可以获取患者头颅其他部分的点云信息进行配准，因此，提高了配准的精度，且由于手持式扫描装置采集的点云信息中的点的数量是激光点云配准方式中激光笔采集的点的数据量的10-200倍，因此，提高了配准精度。

4、本发明实施例提供的神经外科手术导航系统中的手持式扫描装置采集至少包含患者目标部位的空间信息数据并发送至主机，主机可以接收患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云，接收至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。本发明实施例提供的神经外科手术导航系统根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，提高了配准速度，节约了手术时间，满足临床的需要。

5、由于本发明实施例中的多个不同位置至少包括患者的脸部和非脸部分，因此，本发明实施例在配准时采用了非脸部分的信息，提高了非脸部分配准精度，满足临床的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种空间配准方法的一种流程示意图；

图2为空间定位结构附着于手持式扫描装置的结构示意图；

图3为位置指示装置与手持式扫描装置组合使用的第一种结构示意图；

图4为位置指示装置与手持式扫描装置组合使用的第二种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种空间配准装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种神经外科手术导航系统的结构示意图。

图1-图6中，1空间定位结构、2手持式扫描装置、3光学追踪设备、4位置指示装置、10主机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明实施例公开了一种空间配准方法、装置以及神经外科手术导航系统，能够提供快速且高精度的配准，满足临床的需要。下面对本发明实施例进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的一种空间配准方法的一种流程示意图。该方法应用于电子设备。该方法具体包括以下步骤。

S110：接收包含患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云。

为了进行空间配准，需要通过医学影像设备对患者的头部目标部位进行检测得到患者目标部位的的头部医学影像数据，电子设备与医学影像设备通信连接，因此，医学影像设备可以将患者的头部目标部位的医学影像数据发送至电子设备，电子设备接收包含患者的头部目标部位的医学影像数据，并根据接收到的患者的头部目标部位的医学影像数据建立患者的头部目标部位的三维模型。

示例性的，医学影像设备所采取的医学影像数据获取方法可以为MRI(核磁共振成像，Magnetic Resonance Imaging)，CT(电子计算机断层扫描，Computed Tomography)、X光成像、电子发射断层扫描或者超声扫描。

电子设备接收到的医学影像数据可以是一种或更多种，当电子设备接收多于一种医学影像数据时，电子设备可以对不同的医学影像数据进行融合得到患者目标部位的三维模型。

示例性的，当患者目标部位为头部时，所建立的三维模型可以为患者的头部的整体三维模型，包括头部表面结构以及头部内部的结构。

在一些实施例中，提取三维模型的医学影像点云具体包括：通过图像分割技术提取三维模型上的皮肤部分，然后将皮肤部分转换成医学影像点云。

在一些实施例中，提取三维模型的医学影像点云具体包括：建立三维模型的外接球，在外接球的球面均匀采样得到球面点，计算球面点和球心点的连线与三维模型相交的第一个表面点，提取第一个表面点作为医学影像点云。

S120：通过手持式扫描装置获得至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云。

为了进行空间配准，需要通过手持式扫描装置对患者目标部位进行扫描得到至少包含患者目标部位的空间信息数据，然后将得到的空间信息数据发送至电子设备，即电子设备通过手持式扫描装置获得至少包含患者目标部位的空间信息数据。

其中，手持式扫描装置获得的空间信息数据包括手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云。

举例而言，当患者目标部位为头部时，手持式扫描装置获得的空间信息数据包括患者头部不同部位的扫描点云。

电子设备接收至少包含患者目标部位的空间信息数据，然后根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，其中，点云信息除了具有几何位置以外，还可以包括颜色信息，颜色信息通常是通过相机获取彩色影像，然后将对应位置的像素的颜色信息赋予点云中对应的点。

示例性的，当患者目标部位为头部时，通过手持式扫描装置对患者头部多个不同位置进行扫描的方式可以为：操作人员手持着手持式扫描装置对着患者头部的不同位置进行扫描。为了解决现有面配准的脑后部等位置配准精度不高的问题，本发明实施例中设置不同位置至少包括患者的非脸部的位置。

在一种实现方式中，可以借助手持式扫描装置、空间定位结构和光学追踪设备生成患者目标部位的融合点云。手持式扫描装置具有空间定位结构，上述根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，可以包括：

根据空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将空间信息数据转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据转换后的空间信息数据生成患者目标部位的融合点云。

由于在空间配准的整个过程中，光学追踪设备是固定不会移动的，使得光学追踪设备空间坐标系为一固定坐标系。因此，在本发明实施例中，可以根据空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将空间信息数据转换至光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，使得空间信息数据统一至同一固定坐标系，然后可在同一坐标系下根据转换后的空间信息数据生成患者目标部位的融合点云。

由于手持式扫描装置获得的空间信息数据包括手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云，因此，上述根据空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将空间信息数据转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据转换后的空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，可以包括：

根据空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成患者目标部位的融合点云。

也就是说，根据空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将各位置处的扫描点云都转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，使得各位置处的扫描点云均统一至同一固定坐标系，然后可在同一坐标系下根据若干转换后的扫描点云生成患者目标部位的融合点云。

图2为空间定位结构附着于手持式扫描装置的结构示意图，参见图2，图2中从手持式扫描装置2发出的两条直线代表手持式扫描装置2的扫描区域，光学追踪设备3与空间定位结构1之间的直线代表光学追踪设备3可以追踪空间定位结构1，空间定位结构1卡在手持式扫描装置2的上部，操作人员手持着手持式扫描装置2对着患者头部的不同位置进行扫描，光学追踪设备3追踪空间定位结构1。

具体的，上述根据空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成患者目标部位的融合点云，可以包括：

针对手持式扫描装置获得扫描点云的各个位置，根据在该位置时连接手持式扫描装置的空间定位结构与手持式扫描装置之间的相对位置关系，确定手持式扫描装置到空间定位结构的第一转换矩阵；

根据在该位置时空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定空间定位结构到光学追踪设备的第二转换矩阵；

根据第一转换矩阵和第二转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成患者目标部位的融合点云。

由于空间定位结构是附着于手持式扫描装置上的，两者之间是存在固定的相对位置关系的，因此，针对手持式扫描装置获得扫描点云的各个位置，根据在该位置时连接手持式扫描装置的空间定位结构与手持式扫描装置之间的相对位置关系，确定手持式扫描装置到空间定位结构的第一转换矩阵，由于空间定位结构与手持式扫描装置之间的位置是相对固定的，因此，在不同位置得到的第一转换矩阵是相同的。

使用手持式扫描装置可以在某一位置瞬间获取表面点云，由于光学追踪者设备可以对空间定位结构进行追踪，因此，根据在该位置时空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息可以确定空间定位结构到光学追踪设备的第二转换矩阵，由于在不同位置时，空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的位置是变化的，因此，每一位置对应的第二转换矩阵是不同的。

在得到第一转换矩阵和第二转换矩阵后，即可根据第一转换矩阵和第二转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云。

示例性的，根据第一转换矩阵和第二转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云可以包括：

计算第一转换矩阵与第二转换矩阵之间的乘积作为目标转换矩阵，根据目标转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云。

在得到所有位置转换后的扫描点云后，即可对不同位置转换后的扫描点云在光学追踪设备空间坐标系中进行融合，生成患者目标部位的融合点云。

由此，在手持式扫描装置具有空间定位结构的情况下，针对手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云，通过第一转换矩阵将该位置的扫描点云转换到空间定位结构坐标系下，再通过第二转换矩阵将该位置的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，通过两次坐标系转换的方式，将该位置的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云，然后对不同位置转换后的扫描点云在光学追踪设备空间坐标系中进行融合，生成患者目标部位的融合点云。

在另一种实现方式中，可以借助手持式扫描装置、位置指示装和光学追踪设备生成患者目标部位的融合点云。

图3为位置指示装置与手持式扫描装置组合使用的第一种结构示意图，参见图3，图3中从手持式扫描装置2发出的两条直线代表手持式扫描装置2的扫描区域，光学追踪设备3与位置指示装置4之间的直线代表光学追踪设备3可以追踪位置指示装置4，操作人员手持着手持式扫描装置2对着患者头部的不同位置进行扫描，并且手持式扫描装置2可以将位置指示装置4一并拍下，手持式扫描装置2在每一位置进行扫描时都可以获得一扫描点云坐标系，也就是说，有多少位置，手持式扫描装置2就会获得多少扫描点云坐标系，因此，空间信息数据还可以包括位置指示装置4在手持式扫描装置于各位置处获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息。

其中，位置指示装置是可以被光学追踪设备追踪位置的装置，具有至少三个光学标识点的刚性结构，三个光学标识点具有特殊的相对位置关系，形成易识别的阵列。

位置指示装置可以是主动型或者被动型，主动型位置指示装置可以为能够发射信号的定位球，被动型位置指示装置是将反光球或者角点作为光学标识点形成的刚性结构，光学标识点的排列具有非对称性，能够被识别。示例性的，位置指示装置可以为反光球参考架，光学追踪设备可以为红外追踪设备。

具体的，空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置于各位置处获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，可以包括：

针对手持式扫描装置获得空间信息数据的各个位置，根据在该位置时位置指示装置在手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，确定手持式扫描装置到位置指示装置的第三转换矩阵；

根据在该位置时位置指示装置在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定位置指示装置到光学追踪设备的第四转换矩阵；

根据第三转换矩阵和第四转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

由于手持式扫描装置2可以将位置指示装置4一并拍下，因此，可以确定位置指示装置坐标系与手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系之间的关系，即可以针对手持式扫描装置获得空间信息数据的各个位置，根据在该位置时位置指示装置在手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，确定手持式扫描装置到位置指示装置的第三转换矩阵，由于在每个位置时，位置指示装置与手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系之间是变化的，因此，在不同位置得到的第三转换矩阵是不同的。

由于光学追踪设备可以对位置指示装置进行追踪，因此，根据位置指示装置在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息可以确定位置指示装置到光学追踪设备的第四转换矩阵，由于在不同位置时，位置指示装置在光学追踪设备空间坐标系中的位置是相对固定的，变化的，因此，每一位置对应的第四转换矩阵是相同的。

在得到第三转换矩阵和第四转换矩阵后，即可根据第三转换矩阵和第四转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云。

其中，根据第三转换矩阵和第四转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云的方式可以参照上述根据第一转换矩阵和第二转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，使用相似方法，得到在该位置转换后的扫描点云的方式，在此不再赘述。

在得到所有位置转换后的扫描点云后，即可对不同位置转换后的扫描点云在光学追踪设备空间坐标系中进行融合，生成患者目标部位的融合点云。

由此，在空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置于各位置处获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息的情况下，针对手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云，通过第三转换矩阵将该位置的扫描点云转换到位置指示装置坐标系下，再通过第四转换矩阵将该位置的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，通过两次坐标系转换的方式，将该位置的扫描点云转换到光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置的转换后的扫描点云，然后对不同位置转换后的扫描点云在光学追踪设备空间坐标系中进行融合，生成患者目标部位的融合点云。

在上述两次坐标系转换的过程中，只是用到了位置指示装置与手持式扫描装置之间的相对位置关系，或者，空间定位结构与手持式扫描装置之间的相对位置关系，位置指示装置和空间定位结构只是作为一个完成对患者目标部位进行扫描得到扫描点云的介质，并不对位置指示装置和空间定位结构上是否设定标识点以及标识点的数量和位置进行限制，因此，简化了计算过程，减少了计算量。

在一种实现方式中，在不同位置获得的扫描点云至少两两之间有重叠部分，上述根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，可以包括：

根据重叠部分，将存在重叠部分的扫描点云进行拼接，生成患者目标部位的融合点云。

由于在不同位置获得的扫描点云至少两两之间有重叠部分，例如相邻的两个位置获得的扫描点云之间存在重叠部分的，因此，可以根据重叠部分，将存在重叠部分的扫描点云进行拼接，生成患者目标部位的融合点云。

由此，基于重叠部分对存在重叠部分的扫描点云进行拼接，生成患者目标部位的融合点云。

在另一种实现方式中，可以借助手持式扫描装置和位置指示装置生成患者目标部位的融合点云。

图4为位置指示装置与手持式扫描装置组合使用的第二种结构示意图，参见图4，图4中的两条直线代表手持式扫描装置2的扫描区域，由图4可见手持式扫描装置2可以将位置指示装置4一并拍下，因此，空间信息数据还可以包括位置指示装置4在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息。

在空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息的情况下，上述根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，可以包括：

根据位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，将手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中，生成患者目标部位的融合点云。

由于每次手持式扫描装置扫描时都会将位置指示装置4一并拍下，因此，可以将每次采集到的扫描点云均统一至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中也就得到了患者目标部位的融合点云，即根据位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，将手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中，生成患者目标部位的融合点云。

由此，通过将每次采集到的扫描点云均统一至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中的方式实现生成患者目标部位的融合点云。

在又一种实现方式中，继续参考图4，该方案省略图4中的位置指示装置4，仅仅通过手持式扫描装置2对头部进行扫描，以第一次扫描数据为基础，与第二次扫描的点云进行匹配，通过ICP算法，进行匹配计算，如果二者有重叠，即形成融合点云，继续下一次扫描，将下一次扫描的点云与前述融合点云继续融合；如何二者没有重叠，继续进行下一次扫描，重复前述匹配计算，直至出现重叠部分位置。

融合点云与医学影像点云进行配准，获得注册矩阵；使用手持式结构光点云采集器，可以据此向目标部位投射图案，例如病灶、路径的体表投影、规划的开颅范围等，实现虚拟与现实的结合。

S130：将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

在得到医学影像点云和融合点云后，即可将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

示例性的，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系，可以包括：

采用ICP算法将医学影像点云与融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

其中，ICP(迭代最近点算法，Iterative Closest Point)能够使不同的坐标下的点云数据合并到同一个坐标系统中得到两个坐标系之间的坐标变换关系。坐标变换关系可以为转换坐标矩阵，本发明实施例中得到的转换坐标矩阵可以为由医学影像点云转换至融合点云的转换矩阵，也可以为由融合点云转换至医学影像点云的转换坐标矩阵。

在一种实现方式中，上述将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系，可以包括：

通过点与点配准方式以及点与面配准方式对医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

也就是说通过点与点以及点与面两种配准方式进行配准，得到坐标变换关系。

由上述内容可知，本实施例可以接收患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云，通过手持式扫描装置获得至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。由于本发明实施例中根据手持式扫描装置获得的至少包含患者目标部位的空间信息数据即可生成患者目标部位的融合点云，然后根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，手持式扫描装置只要数十秒，大大提高了配准速度，节约了手术时间，满足临床的需要。

并且，相比于激光点云配准方式只能获取患者脸部点云信息进行配准，本发明实施例不仅可以获取患者脸部点云信息还可以获取患者头颅其他部分的点云信息进行配准，因此，提高了配准的精度，且由于手持式扫描装置采集的点云信息中的点的数量是激光点云配准方式中激光笔采集的点的数据量的10-200倍，因此，提高了配准精度。

并且，由于本发明实施例中的不同位置至少包括患者的脸部和非脸部分，因此，本发明实施例在配准时采用了非脸部分的信息，提高了非脸部分的配准精度，满足临床的需要。

图5为本发明实施例提供的一种空间配准装置的结构示意图，参见图5，本发明实施例提供的一种空间配准装置包括：

医学影像点云提取模块501，用于接收包含患者目标部位的医学影像数据，建立所述患者目标部位的三维模型，提取所述三维模型的医学影像点云；

融合点云生成模块502，用于通过手持式扫描装置获得至少包含所述患者目标部位的空间信息数据，根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云；

配准模块503，用于将所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

可见，本实施例提供的空间配准装置可以接收患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云，通过手持式扫描装置获得至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。由于本发明实施例中根据手持式扫描装置获得的至少包含患者目标部位的空间信息数据即可生成患者目标部位的融合点云，然后根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，手持式扫描装置只要数十秒，大大提高了配准速度，节约了手术时间，满足临床的需要。

在一种实现方式中，所述手持式扫描装置获得的空间信息数据包括所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云。

在一种实现方式中，所述手持式扫描装置具有空间定位结构，所述融合点云生成模块502，可以具体用于：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述空间信息数据转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据所述转换后的空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云。

在一种实现方式中，所述融合点云生成模块502，可以具体用于：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成所述患者目标部位的融合点云。

在一种实现方式中，所述融合点云生成模块502，可以包括：

第一转换矩阵确定单元，用于针对所述手持式扫描装置获得扫描点云的各个位置，根据在该位置时连接所述手持式扫描装置的空间定位结构与所述手持式扫描装置之间的相对位置关系，确定所述手持式扫描装置到所述空间定位结构的第一转换矩阵；

第二转换矩阵确定单元，用于根据在该位置时所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述空间定位结构到所述光学追踪设备的第二转换矩阵；

第一转换单元，用于根据所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵将所述手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

第一生成单元，用于对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

在一种实现方式中，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置于各位置处获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，所述融合点云生成模块502，可以包括：

第三转换矩阵确定单元，用于针对所述手持式扫描装置获得空间信息数据的各个位置，根据在该位置时位置指示装置在手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，确定所述手持式扫描装置到所述位置指示装置的第三转换矩阵；

第四转换矩阵确定单元，用于根据在该位置时所述位置指示装置在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述位置指示装置到所述光学追踪设备的第四转换矩阵；

第二转换单元，用于根据所述第三转换矩阵和所述第四转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

第二生成单元，用于对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

在一种实现方式中，在不同位置获得的扫描点云至少两两之间有重叠部分，所述融合点云生成模块502，可以具体用于：

根据所述重叠部分，将存在重叠部分的扫描点云进行拼接，生成所述患者目标部位的融合点云。

在一种实现方式中，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，所述融合点云生成模块502，可以具体用于：

根据位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中，生成所述患者目标部位的融合点云。

在一种实现方式中，所述配准模块503，可以具体用于：

通过点与点配准方式以及点与面配准方式对所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

图6为本发明实施例提供的一种神经外科手术导航系统的结构示意图，参见图6，本发明实施例提供的一种神经外科手术导航系统包括主机10和手持式扫描装置2，手持式扫描装置2与主机10通信连接。

手持式扫描装置2采集至少包含患者目标部位的空间信息数据并发送至主机10，主机执行上述任一实施例所示的空间配准方法。

由此，本发明实施例提供的神经外科手术导航系统中的手持式扫描装置2采集至少包含患者目标部位的空间信息数据并发送至主机10，主机10可以接收患者目标部位的医学影像数据，建立患者目标部位的三维模型，提取三维模型的医学影像点云，接收至少包含患者目标部位的空间信息数据，根据空间信息数据生成患者目标部位的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到坐标变换关系。本发明实施例提供的神经外科手术导航系统根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，提高了配准速度，节约了手术时间，满足临床的需要。

由于本发明实施例中的不同位置至少包括患者的脸部和非脸部分，因此，本发明实施例提供的神经外科手术导航系统在配准时采用了非脸部分的信息，提高了非脸部分的配准精度，满足临床的需要。

继续参见图6，本发明实施例提供的一种神经外科手术导航系统还包括光学追踪设备3，光学追踪设备3与主机10通信连接，光学追踪设备3追踪空间定位结构或者位置指示装置的空间位置信息并发送至主机10，主机10接收光学追踪设备3发送的空间定位结构或者位置指示装置的空间位置信息并根据空间定位结构或者位置指示装置的空间位置信息进行空间配准，具体的空间配准过程可以参见上述空间配准方法中的相应描述，在此不再赘述。

示例性的，手持式扫描装置可以为手持式三维扫描仪，三维扫描仪可以是多种合适的种类以实现不同的功能，例如其可以是结构光点云采集器，包括数字投影组件和摄影组件，或者其包括激光发生器和摄影组件，激光发生器可以发射线激光或者面激光；或者，三维扫描仪为双目摄像机。

由此，通过设置光学追踪设备3的方式，辅助主机10进行空间配准。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种空间配准方法，其特征在于，包括：

接收包含患者目标部位的医学影像数据，建立所述患者目标部位的三维模型，提取所述三维模型的医学影像点云；

通过手持式扫描装置获得至少包含所述患者目标部位的空间信息数据，根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云；

将所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述手持式扫描装置获得的空间信息数据包括所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述手持式扫描装置具有空间定位结构，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述空间信息数据转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据所述转换后的空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述空间信息数据转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到转换后的空间信息数据，根据所述转换后的空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成所述患者目标部位的融合点云。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到若干转换后的扫描点云，根据若干转换后的扫描点云生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

针对所述手持式扫描装置获得扫描点云的各个位置，根据在该位置时连接所述手持式扫描装置的空间定位结构与所述手持式扫描装置之间的相对位置关系，确定所述手持式扫描装置到所述空间定位结构的第一转换矩阵；

根据在该位置时所述空间定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述空间定位结构到所述光学追踪设备的第二转换矩阵；

根据所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵将所述手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置于各位置处获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

针对所述手持式扫描装置获得空间信息数据的各个位置，根据在该位置时位置指示装置在手持式扫描装置获得的扫描点云坐标系中的空间位置信息，确定所述手持式扫描装置到所述位置指示装置的第三转换矩阵；

根据在该位置时所述位置指示装置在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述位置指示装置到所述光学追踪设备的第四转换矩阵；

根据所述第三转换矩阵和所述第四转换矩阵将手持式扫描装置在该位置获得的扫描点云转换到所述光学追踪设备空间坐标系中，得到在该位置转换后的扫描点云；

对不同位置转换后的扫描点云进行融合，生成所述患者目标部位的融合点云。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在不同位置获得的扫描点云至少两两之间有重叠部分，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据所述重叠部分，将存在重叠部分的扫描点云进行拼接，生成所述患者目标部位的融合点云。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间信息数据还包括位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，所述根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云的步骤，包括：

根据位置指示装置在手持式扫描装置坐标系中的空间位置信息，将所述手持式扫描装置在不同位置获得的扫描点云分别转换至以位置指示装置为原点的位置指示装置坐标系中，生成所述患者目标部位的融合点云。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系的步骤，包括：

通过点与点配准方式以及点与面配准方式对所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

10.一种空间配准装置，其特征在于，包括：

医学影像点云提取模块，用于接收包含患者目标部位的医学影像数据，建立所述患者目标部位的三维模型，提取所述三维模型的医学影像点云；

融合点云生成模块，用于通过手持式扫描装置获得至少包含所述患者目标部位的空间信息数据，根据所述空间信息数据生成所述患者目标部位的融合点云；

配准模块，用于将所述医学影像点云和所述融合点云进行配准，得到坐标变换关系。

11.一种神经外科手术导航系统，其特征在于，包括主机和手持式扫描装置，所述手持式扫描装置与所述主机通信连接；

所述手持式扫描装置采集至少包含所述患者目标部位的空间信息数据并发送至所述主机；

所述主机执行权利要求1-9任一所述的空间配准方法。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括光学追踪设备，所述光学追踪设备与所述主机通信连接；

所述光学追踪设备追踪所述空间定位结构或者所述位置指示装置的空间位置信息并发送至所述主机。

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