專利名稱：利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法，可應(yīng)用于混合型立體定向儀的祀點坐標(biāo)的確定，尤其適用于Leksell及其同類的立體定向儀。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的立體定向神經(jīng)外科技術(shù)，使用機械式的立體定向儀，立體定向儀的框架在MRI或CT掃描時固定在患者頭上，通過對MRI或CT的圖像的測量和計算，確定手術(shù)靶點的坐標(biāo)，指導(dǎo)進行手術(shù)。顱內(nèi)的病灶如果在MRI或CT圖像可以顯示的，稱為“可見靶點”，如果受機器的分辨能力限制不能顯示的，稱為“不可見靶點”。立體定向儀的框架兩側(cè)定位板上各有一個“N”形的金屬線(CT定位用金屬線、MRI定位用硫酸鎂或脂類等可顯影材料)，在框架完成安裝的狀態(tài)下，以病人頭顱的右后上頂點為坐標(biāo)原點，向前為Y軸，向左為X軸，向下為Z軸。定向儀的刻度也是從原點開始的。左右兩個N形金屬線共8個頂點構(gòu)成的長方體中心與框架中心(通常其框架坐標(biāo)為(100，100，100))重合。在斷層掃描時將切割“N”形的金屬線，在斷層圖像上形成標(biāo)記點。傳統(tǒng)靶點坐標(biāo)可采用手工計算，要求MRI或CT圖像坐標(biāo)系統(tǒng)與立體定向儀框架坐標(biāo)系統(tǒng)必須正交。這樣，耦合在框架兩側(cè)定位板上的“N”形金屬線在斷層掃描時將顯示6個標(biāo)記點，其中位于角上的四個頂點連成一個長方形，長方形的中心，也處于框架中心的縱軸上(100，100，z );可見靶點的X、Y值可在圖像上利用其與中心點的關(guān)系計算出來，Z值由側(cè)面的其余兩點進行計算得到。實際應(yīng)用中，如果MRI或CT圖像坐標(biāo)系統(tǒng)與立體定向儀框架坐標(biāo)系統(tǒng)處于非正交狀態(tài)，就無 法計算靶點坐標(biāo)。有些手術(shù)(如:帕金森病的功能性手術(shù))靶點在斷層圖像上“不可見”，需依其生理狀態(tài)下的解剖坐標(biāo)進行推算。為減少定位誤差，安裝框架時，要求框架平面與大腦的AC-PC平面平行，這樣可以獲得理想的斷層圖像序列。但必須依賴醫(yī)生的經(jīng)驗和操作技巧完成，可靠性較低，通常會有5-10度的誤差。使用“手術(shù)計劃系統(tǒng)”軟件，利用圖像重建技術(shù)獲取AC-PC平面，在一定程度上能彌補上述不足。但重建的效果，受掃描層厚偏大(MRI通常為3_)、分辨率偏低(CT圖像對基底節(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示不清)，三維重建算法的影響，重建所獲的AC-PC平面存在信息丟失或誤差的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法，在MRI或CT圖像坐標(biāo)系統(tǒng)與框架坐標(biāo)系統(tǒng)非正交的情況下，也能完成靶點定位計算，獲得靶點在立體定向儀框架坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。這種利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法包括以下步驟:( I)應(yīng)用電腦在斷層圖像中選用兩幅斷層圖像，此兩幅斷層圖像上，立體定向儀兩側(cè)的定位板上的“N”形金屬線的6個標(biāo)記點全部可見，在斷層圖像上測量出上述標(biāo)記點的坐標(biāo)參數(shù)；(2)根據(jù)斷層圖像上的標(biāo)記點在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)，建立立體定向儀框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在圖像坐標(biāo)系中的方程；(3)在斷層圖像上選擇靶點，獲得其圖像坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)參數(shù)，在圖像坐標(biāo)系內(nèi)計算該點到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距離，上述距離的數(shù)值即為該靶點在立體定向儀框架坐標(biāo)系內(nèi)的X、Y、Z坐標(biāo)。這種利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法由于采用在圖像坐標(biāo)系中，求出立體定向儀框架的三個坐標(biāo)平面(Y-Z平面，X-Z平面，X-Y平面)的方程，再利用點到平面的距離公式把靶點到這三個坐標(biāo)平面的距離計算出來的方法，因而降低了立體定向儀框架安裝的難度；在定位顱內(nèi)“不可見”靶點時，可通過調(diào)整掃描平面傾角，獲得理想的斷層圖像序列，從而降低了立體定向手術(shù)的難度，尤其適用于顱內(nèi)“不可見”靶點的坐標(biāo)定位。


圖1為立體定向儀框架安裝和斷層掃描的示意圖；圖2為框架上的“N”形金屬線與斷層的關(guān)系示意圖；圖3為一幅斷層圖片的示意圖；圖4為右側(cè)定位板的“N”形金屬線端點計算的原理圖；圖5為本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，立體定向儀的框架兩側(cè)的定位板1、2上各有一條“N”形的金屬線3(CT定位用金屬線、MRI定位用硫酸鎂等顯影材料)。在框架完成安裝的狀態(tài)下，框架坐標(biāo)的原點位于病人頭顱4的右后上處，該點對應(yīng)于“N”形金屬線的頂點0，定向儀的刻度也是從此原點開始的。立體定向儀的坐標(biāo)方向如圖中7所示，向前為Y軸，向左為X軸，向下為Z軸，進行斷層掃描時的斷層位置如圖中的6、7所示。斷層圖像的坐標(biāo)方向如圖1中8所示，斷層圖像上向左為X，向前為y，z為與斷層垂直的向下方向。如圖2所示，左右兩個N形金屬線共8個頂點O、R、Of、P、G、U、V、W，構(gòu)成的長方體中心與框架中心(坐標(biāo):100，100，100)重合。在斷層掃描時，切割“N”形的金屬線，其中一個斷層圖像上形成標(biāo)記點如圖3中的札、M2、M3、S1^ S2 > S3O如圖5所示，這種利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法包括以下步驟:( I)應(yīng)用電腦在斷層圖像中選用兩幅斷層圖像，此兩幅斷層圖像上，立體定向儀兩側(cè)的定位板上的“N”形金屬線的6個標(biāo)記點全部可見，例如，圖1中的斷層5和6 (雙點劃線所示)，得到的圖像如圖3所示，圖中斷層與定位板的交線用單點劃線表示。在斷層圖像上測量出上述標(biāo)記點的在圖像坐 標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)參數(shù)。(2)根據(jù)斷層圖像上的標(biāo)記點在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)，建立立體定向儀框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在圖像坐標(biāo)系中的方程。按照立體幾何的原理，三點決定一個平面。若平面內(nèi)的三個點的坐標(biāo)為:A (X1, Y1, Z1), B (x2, y2, z2), C (x3, y3, z3),該平面方程為:ax+by+cz+d=0 貝丨J:a=y1z2-y1z3-y2z1+y2z3+y3z1~y3z2b=-x1z2+x1z3+x2z1-x2z3-x3z1+x3z2c=x1y2-x1y3-x2y1+x2y3+x3y1-x3y2d=-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x2y3z1~x3y1z2+x3y2z1從三點的坐標(biāo)求出系數(shù)a、b、c、d的值，也就得到了此平面的方程。按上述方法，如圖2所示，Y-Z平面在圖像坐標(biāo)系中的方程可用所述的兩幅斷層圖像上右側(cè)的四個頂點Mp M3、％、N3及M2、N2共六個點中的三個點的坐標(biāo)來建立；X-Z平面在圖像坐標(biāo)系中的方程可用所述的兩幅斷層圖上的下側(cè)的四個頂點Mp N1, Sp Q1中的三個點的坐標(biāo)來建立；X-Y平面在圖像坐標(biāo)系中的方程可由位于X-Y平面內(nèi)的四個“N”形金屬線的端點0、0f、G、V)中的三個端點的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)來建立。上述“N”形金屬線的端點的坐標(biāo)可根據(jù)所述的兩幅斷層圖中部的標(biāo)記點與四角的標(biāo)記點的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)計算出來。其計算方法如下:如圖4所示，右側(cè)定位板的“ N”形金屬線上，M1、M2、M3、N1、N2、N3六個點在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)可直接測量。利用空間兩點距離，點到直線距離，可算出各點之間的線段的長度。設(shè)定M1M2=Hi,N1N2=Ii,M1M3=N1N3=I`,M1M3與N1N3平行線間的距離為LM1N1與M3N3平行線間距為定向儀的固定參數(shù)，設(shè)為D，OM1的長度設(shè)為i，經(jīng)計算可得:i=m.h.I/(n_m).D由于M1 (X11Y11Z1)jN1 (x2, y2, Z2)在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)可直接測出(其中Zp2為各自斷層的床位值)。推算“N”定位板右后頂點(O)的三維坐標(biāo):X0=X1+!.(X1-X2) / [ (X1-X2)2+ (Y1-Y2)2+ (Z1-Z2)2]1/2y0=yi+i.(Y1I2)ZT(X1-X2) My1I2) 2+(z「z2)2] 1/2Z0=Z1 + !.(Z1-Z2) / [ (X1-X2) 2+ (Y1-Y2)2+ (Z1-Z2)2]1/2推算“N”定位板右前頂點(Of)的三維坐標(biāo)時，上列式子中(Xl，yi，Zl)改為M3的坐標(biāo)值，“i”改為OfM3的長度，OfM3的長度可用下式求得:OfM3=OfP-N3P-M3N3上式中OfP的長度為定向儀的固定參數(shù)，N3P的長度可按OM1相同方法計算，M3N3可由兩點間距離公式計算。同理可推算出定位板“N”形金屬線左前、左后頂點的坐標(biāo)。(3)在斷層圖像上選擇靶點，獲得其圖像坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)參數(shù)。靶點為可見靶點時，在斷層圖像上直接選取，不可見靶點根據(jù)其解剖坐標(biāo)推算，確定其在斷層圖像上的位置(即圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo))。然后，利用點到平面的距離公式，計算靶點到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距離，上述距離的數(shù)值即為該靶點在立體定向儀框架坐標(biāo)系內(nèi)的X、Y、Z坐標(biāo)。具體方法如下:設(shè)革巴點在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)為T (xt, yt, zt),平面方程為ax+by+cz+d=0,則革巴點到該平面的距離為:距離=I axt+byt+czt+d | / (a2+b2+c2) 1/2將框架坐標(biāo)平面的參數(shù)代入此公式，即可計算出靶點到三個框架坐標(biāo)平面的距離，結(jié)合圖像放大率和“N”形定向板在框架坐標(biāo)系內(nèi)的位置參數(shù)進行修正，即可完成靶點T(X，Y，Z)的框架坐標(biāo)計算。應(yīng)用本發(fā)明的方法進行靶點坐標(biāo)定位，立體定向儀可按常規(guī)安裝框架，按常規(guī)的掃描方法，先MRI或CT行TOP定位掃描，再通過調(diào) 整掃描平面傾角，獲得理想的定位圖像，定位“不可見”靶點時，掃描平面可與AC-PC平面平行。
權(quán)利要求
1.一種利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法，其特征是包括以下步驟: (1)應(yīng)用電腦在斷層圖像中選用兩幅斷層圖像，此兩幅斷層圖像上，立體定向儀兩側(cè)的定位板上的“N”形金屬線的6個標(biāo)記點全部可見，在斷層圖像上測量出上述標(biāo)記點的坐標(biāo)參數(shù)； (2)根據(jù)斷層圖像上的標(biāo)記點在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)，建立立體定向儀框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在圖像坐標(biāo)系中的方程； (3)在斷層圖像上選擇靶點，獲得其圖像坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)參數(shù)，在圖像坐標(biāo)系內(nèi)計算該點到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距離，上述距離的數(shù)值即為該靶點在立體定向儀框架坐標(biāo)系內(nèi)的X 、Y、Z坐標(biāo)。
2.按權(quán)利要求1所述的用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法，其特征是:第(2)步中所述的Y-Z平面在圖像坐標(biāo)系中的方程用所述的兩幅斷層圖像上右側(cè)的四個頂點(Mp M3> N1, N3)中的三個點的坐標(biāo)來建立；所述的X-Z平面在圖像坐標(biāo)系中的方程用所述的兩幅斷層圖像上的下側(cè)的四個頂點(Mp N1, S1, Q1)中的三個點的坐標(biāo)來建立；X-Y平面在圖像坐標(biāo)系中的方程的獲得方法為:根據(jù)所述的兩幅斷層圖中部的標(biāo)記點與四角的標(biāo)記點的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)推算出位于X-Y平面內(nèi)的四個“N”形金屬線的端點(O、Of、G、V)中的三個端點的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)，再由此三個“N”形金屬線的端點的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)建立X-Y平面在圖像坐標(biāo)系中的方程。
全文摘要
一種利用斷層圖像獲取靶點在立體定向儀內(nèi)的坐標(biāo)的方法，步驟如下(1)在斷層圖像中選用兩幅定位板上的“N”形金屬線的6個標(biāo)記點全部可見的斷層圖像，測量出上述標(biāo)記點的坐標(biāo)參數(shù)；(2)根據(jù)斷層圖像上的標(biāo)記點在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)，建立立體定向儀框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面在圖像坐標(biāo)系中的方程；(3)在斷層圖像上選擇靶點，獲得其圖像坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)參數(shù)，計算該點到框架的Y-Z平面、X-Z平面和X-Y平面的距離，上述距離的數(shù)值即為該靶點在立體定向儀框架坐標(biāo)系內(nèi)的X、Y、Z坐標(biāo)。此方法降低了立體定向儀框架安裝的難度，從而降低了立體定向手術(shù)的難度，尤其適用于顱內(nèi)“不可見”靶點的坐標(biāo)定位。
文檔編號A61B19/00GK103083090SQ20121059001
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者張建民, 劉鳳強, 傅偉明, 蘇英 申請人:浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院