本发明涉及图像配准技术领域，尤其涉及一种术前三维影像与术中透视图像的配准方法。
背景技术：
磁导航系统在骨科领域使用的过程中经常会接触到微创型手术，而选取特征点的配准方式多适用于开放型的手术，在微创型的手术过程中无法提供过多的特征点进行选取，也就无法有效的完成配准，而且对于开放型的手术来说，在进行特征点的选取过程中大多依赖于医护人员的工作经验来选取位置，同时在使用配准工具进行配准时难免会触碰到患者的骨头及其周边的组织，综上所述选择特征点的配准方式不仅有很大的局限性，而且存在一定的几率增加手术过程中的风险，术前难以预估在手术过程中对患者造成的伤害。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种术前三维影像与术中透视图像的配准方法，该配准方法无需选择特征点，并且术中透视图像拍摄操作方便，对患者的伤害小，该配准方法的配准精度较高，能更好的辅助医生进行手术。
为了实现上述目的，本申请提出了一种术前三维影像与术中透视图像的配准方法，包括以下步骤：
步骤1、在磁场范围内，计算世界坐标到透视图的转换关系；
步骤2、通过世界坐标到透视图的转换关系，计算出透视图对应的相机参数；
步骤3、通过计算机将术前三维影像重建成3d骨模型；
步骤4、使用透视图对应的相机参数对3d骨模型进行重新投影并生成二维图像；
步骤5、计算步骤4得到的二维图像和透视图之间的相似度，将该相似度记做a，此时当前最大的相似度等于a；
步骤6、通过随机数调整相机参数，重复步骤4，生成新的二维图像，计算该二维图像和透视图之间的相似度；
步骤7、判断步骤6所得的相似度是否大于当前最大的相似度，如果是，则使当前最大的相似度等于步骤6所得的相似度；如果否，则当前最大的相似度的值保持不变；
步骤8、判断是否完成预设的迭代次数，如果是，则完成配准；如果否，则返回步骤6。
在一些实施例中，在所述步骤1中，计算世界坐标到透视图的转换关系的过程如下：空间点p在图像上的成像位置能够用针孔模型来近似表示，即空间任意点p在图像上的投影位置p'为光心与点p的连线与图像平面的交点，这种关系称为透视投影，该关系可以通过以下线性方程组表示：
a1x a2y a3z a4-a5xu-a6yu-a7zu＝u(1.1)；
a8x a9y a10z a11-a5xv-a6yv-a7zv＝v(1.2)；
以上两方程包含11个待求参数ai(i＝1,2,λ11)，因术中透视图中包含了标定器的信息，因此能够给定n(n≥6)个标记点的空间坐标(xi，yi，zi)(i＝1，2，λn)以及相应的屏幕坐标(ui，vi)(i＝1，2，λn)，则能够得到2n个关于ai(i＝1,2,λ11)的线性方程组，表示成矩阵的形式为：
a11×1＝[a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11]t；
c(2×n)×1＝[u1u2λunv1v2λvn]t；
所以e·a＝c；
a＝(ete)-1etc(1.3)；
从而求得ai(i＝1,2,λ11)；
在式(1.3)中，计算出矩阵a后，即确定了在磁场范围内，世界坐标到透视图的转换关系。
在一些实施例中，在所述步骤2中，透视图对应的相机参数的计算过程如下：
步骤21、取透视图像上校正板靠近中心的两个相邻特征点以及图像中心点；
步骤22、用矩阵a计算出过两个相邻特征点以及图像中心点这三个点的光线向量；
步骤23、通过两个相邻特征点中的一个特征点的光线和通过另一个特征点的光线的交点即为光源点，该光源点即相机位置；
步骤24、光源到屏幕的投影点即为焦点，校正板所在的平面为成像平面，光源到成像平面的距离即为焦距，成像平面上的点即为二维图像的像素点。
本申请的该方案的有益效果在于上述术前三维影像与术中透视图像的配准方法无需选择特征点，并且术中透视图像拍摄操作方便，对患者的伤害小，该配准方法的配准精度较高，能更好的辅助医生进行手术。
附图说明
图1示出了实施例中正/侧位x光图的拍摄示意图，其中(a)为正位x光图的拍摄示意图，(b)为侧位x光图的拍摄示意图。
图2示出了实施例中透视图对应的相机参数的计算过程示意图。
附图标记：1-光源，2-患者，3-标定器，4-成像面。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。
在计算机辅助导航骨科手术中，术中配准是非常重要的一步，关系到手术的精度甚至成败，本申请所涉及的术前三维影像与术中透视图像的配准方法是在术中对病患部位采集正/侧位x射线图像(即术中透视图像)，如图1所示，将其与术前的ct数据(即术前三维影像)进行配准。其优点是x光片拍摄操作方便，对患者的伤害小，并且该方法能够提高配准精度和性能。
本申请所涉及的术前三维影像与术中透视图像的配准方法包括以下步骤：
步骤1、在磁场范围内，计算世界坐标到透视图的转换关系。
具体的，计算世界坐标到透视图的转换关系的过程如下：空间点p在图像上的成像位置能够用针孔模型来近似表示，即空间任意点p在图像上的投影位置p'为光心o与点p的连线与图像平面的交点，这种关系称为透视投影，该关系可以通过以下线性方程组表示：
a1x a2y a3z a4-a5xu-a6yu-a7zu＝u(1.1)；
a8x a9y a10z a11-a5xv-a6yv-a7zv＝v(1.2)；
以上两方程包含11个待求参数ai(i＝1,2,λ11)，因术中透视图中包含了标定器的信息，因此能够给定n(n≥6)个标记点的空间坐标(xi，yi，zi)(i＝1，2，λn)以及相应的屏幕坐标(ui，vi)(i＝1，2，λn)，则能够得到2n个关于ai(i＝1,2,λ11)的线性方程组，表示成矩阵的形式为：
a11×1＝[a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11]t；
c(2×n)×1＝[u1u2λunv1v2λvn]t；
所以e·a＝c；
a＝(ete)-1etc(1.3)；
从而求得ai(i＝1,2,λ11)。
在式(1.3)中，计算出矩阵a后，实际上已经确定了在磁场范围内，世界坐标到透视图的转换关系。
步骤2、通过世界坐标到透视图的转换关系，计算出透视图对应的相机参数。在本实施例中，相机参数包括相机的位置，焦距等。
具体的透视图对应的相机参数的计算过程如下，如图2所示：
步骤21、取透视图像上校正板靠近中心的两个相邻特征点p1，p2，以及图像中心点c。
步骤22、用矩阵a计算出过两个相邻特征点p1，p2以及图像中心点c这三个点的光线向量。
步骤23、通过两个相邻特征点中的一个特征点p1的光线和通过另一个特征点p2的光线的交点即为光源点l，l即相机位置。
步骤24、光源到屏幕的投影点即为焦点，校正板所在的平面为成像平面，光源到成像平面的距离即为焦距，成像平面上的点即为二维图像的像素点。
步骤3、通过计算机将术前三维影像重建成3d骨模型。
步骤4、使用透视图对应的相机参数对3d骨模型进行重新投影并生成二维图像。
步骤5、计算步骤4得到的二维图像和透视图之间的相似度，将该相似度记做a，此时当前最大的相似度等于a。
步骤6、通过随机数调整相机参数，重复步骤4，生成新的二维图像，计算该二维图像和透视图之间的相似度。
步骤7、判断步骤6所得的相似度是否大于当前最大的相似度，如果是，则使当前最大的相似度等于步骤6所得的相似度；如果否，则当前最大的相似度的值保持不变。
步骤8、判断是否完成预设的迭代次数，例如500次，如果是，则完成配准；如果否，则返回步骤6。
本申请所涉及的术前三维影像与术中透视图像的配准方法无需选择特征点，并且术中透视图像拍摄操作方便，对患者的伤害小，该配准方法的配准精度较高，能更好的辅助医生进行手术。
1.一种术前三维影像与术中透视图像的配准方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、在磁场范围内，计算世界坐标到透视图的转换关系；
步骤2、通过世界坐标到透视图的转换关系，计算出透视图对应的相机参数；
步骤3、通过计算机将术前三维影像重建成3d骨模型；
步骤4、使用透视图对应的相机参数对3d骨模型进行重新投影并生成二维图像；
步骤5、计算步骤4得到的二维图像和透视图之间的相似度，将该相似度记做a，此时当前最大的相似度等于a；
步骤6、通过随机数调整相机参数，重复步骤4，生成新的二维图像，计算该二维图像和透视图之间的相似度；
步骤7、判断步骤6所得的相似度是否大于当前最大的相似度，如果是，则使当前最大的相似度等于步骤6所得的相似度；如果否，则当前最大的相似度的值保持不变；
步骤8、判断是否完成预设的迭代次数，如果是，则完成配准；如果否，则返回步骤6。
2.根据权利要求1所述的术前三维影像与术中透视图像的配准方法，其特征在于：在所述步骤1中，计算世界坐标到透视图的转换关系的过程如下：空间点p在图像上的成像位置能够用针孔模型来近似表示，即空间任意点p在图像上的投影位置p'为光心与点p的连线与图像平面的交点，这种关系称为透视投影，该关系可以通过以下线性方程组表示：
a1x a2y a3z a4-a5xu-a6yu-a7zu＝u(1.1)；
a8x a9y a10z a11-a5xv-a6yv-a7zv＝v(1.2)；
以上两方程包含11个待求参数ai(i＝1,2,λ11)，因术中透视图中包含了标定器的信息，因此能够给定n(n≥6)个标记点的空间坐标(xi，yi，zi)(i＝1，2，λn)以及相应的屏幕坐标(ui，vi)(i＝1，2，λn)，则能够得到2n个关于ai(i＝1,2,λ11)的线性方程组，表示成矩阵的形式为：
a11×1＝[a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11]t；
c(2×n)×1＝[u1u2λunv1v2λvn]t；
所以e·a＝c；
a＝(ete)-1etc(1.3)；
从而求得ai(i＝1,2,λ11)；
在式(1.3)中，计算出矩阵a后，即确定了在磁场范围内，世界坐标到透视图的转换关系。
3.根据权利要求2所述的术前三维影像与术中透视图像的配准方法，其特征在于：在所述步骤2中，透视图对应的相机参数的计算过程如下：
步骤21、取透视图像上校正板靠近中心的两个相邻特征点以及图像中心点；
步骤22、用矩阵a计算出过两个相邻特征点以及图像中心点这三个点的光线向量；
步骤23、通过两个相邻特征点中的一个特征点的光线和通过另一个特征点的光线的交点即为光源点，该光源点即相机位置；
步骤24、光源到屏幕的投影点即为焦点，校正板所在的平面为成像平面，光源到成像平面的距离即为焦距，成像平面上的点即为二维图像的像素点。
技术总结