误差消除方法、装置、电子设备及存储介质与流程

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种误差消除方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.手术导航机器人因为定位精准度高，运动稳定性强等方面的优点，已经在临床手术中被普遍使用。
3.手术导航机器人在手术过程中跟踪手术器械，并将手术器械的位置在患者影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对患者的解剖结构的位置一目了然，手术过程更快速、更精确、更安全。
4.手术导航机器人的空间定位是保证手术安全的关键。在现有技术中，手术导航机器人的空间定位主要依赖术前影像，未能利用反映手术区域真实情况的实时信息。在实际的手术过程中，会存在因为呼吸、体表标记点位移、体位变化、手术器械与患者身体部位接触等多种原因造成的误差，使得定位效果不理想。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种误差消除方法、装置、电子设备及存储介质。
6.本发明提供一种误差消除方法，包括：
7.采集多个配准点的信息，所述配准点的信息包括目标器械在第一配准点的位置坐标与第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；其中，所述第一追踪架安装在与所述目标器械邻近的刚性物体上；所述第一配准点为所述多个配准点中的任意一个；
8.根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；
9.根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
10.根据本发明提供的一种误差消除方法，在采集多个配准点的信息之前，方法还包括：
11.在配准准备状态下，获取第一追踪架的位置矩阵。
12.根据本发明提供的一种误差消除方法，所述根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵的计算公式为：
13.m
p
*m
diff
＝m
i
；
14.其中，m
p
为第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵；m
i
为第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；m
diff
为第一配准点的误差矩阵。
15.根据本发明提供的一种误差消除方法，所述根据目标器械在第一配准点的位置坐
标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标的计算公式为：
16.p
i_o
*m
diff
＝p
i
；
17.其中，p
i_o
为目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标；p
i
为目标器械在第一配准点的位置坐标；m
diff
为第一配准点的误差矩阵。
18.根据本发明提供的一种误差消除方法，所述多个配准点的数量为大于或等于3。
19.根据本发明提供的一种误差消除方法，所述在配准准备状态下，记录第一追踪架的位置矩阵，包括：
20.在配准准备状态下，通过光学定位跟踪系统测量并记录第一追踪架的位置矩阵。
21.本发明还提供了一种误差消除装置，包括：
22.配准点信息采集模块，用于采集多个配准点的信息，所述配准点的信息包括目标器械在第一配准点的位置坐标与第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；其中，所述第一追踪架安装在与所述目标器械邻近的刚性物体上；所述第一配准点为所述多个配准点中的任意一个；
23.误差矩阵计算模块，用于根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；
24.误差消除模块，用于根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
25.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述误差消除方法的步骤。
26.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述误差消除方法的步骤。
27.本发明提供的误差消除方法、装置、电子设备及存储介质，通过采集多个配准点的信息，根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标，实现了对目标器械在配准点位置坐标的误差消除，保证了后续配准操作的准确性。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
29.图1为本发明的误差消除方法中所涉及设备的示意图；
30.图2为本发明提供的误差消除方法的流程图；
31.图3为本发明提供的误差消除装置的示意图；
32.图4是本发明提供的电子设备的结构示意图；
33.附图标记：
34.101：光学定位跟踪系统；
ꢀꢀ
102：第一追踪架；
ꢀꢀ
103：第二追踪架；
35.104：刚性器官；
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105：手术器械。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。
37.下面结合图1
‑
图4描述本发明的误差消除方法、装置、电子设备及存储介质。
38.在利用手术导航机器人实施手术前，医生会根据手术的需要预先规划手术器械的理论运动轨迹，该理论运动轨迹在手术过程中能够指导手术器械的移动。
39.但在实际的手术过程中，由于呼吸、体表标记点位移、体位变化、手术器械与患者身体部位接触等多方面因素的影响，手术器械的实际运动轨迹与预先规划的理论运动轨迹之间存在误差。为了消除误差，需要采用本发明的误差消除方法。
40.本发明的误差消除方法不仅适用于手术导航机器人领域，也适用于其他领域，如工业机器人领域，乃至机器人之外的应用领域。在本实施例中，为了便于理解，以手术导航机器人为例，对本发明的误差消除方法的具体实现过程做进一步的说明。
41.在对本发明的误差消除方法进行说明之前，首先对误差消除过程中所涉及的设备进行说明。
42.图1为本发明的误差消除方法中所涉及设备的示意图，如图1所示，所涉及的设备有光学定位跟踪系统101、第一追踪架102以及第二追踪架103。
43.光学定位跟踪系统101用于对第一追踪架102以及第二追踪架103进行位置跟踪，并记录第一追踪架102以及第二追踪架103的位置坐标。
44.第一追踪架102安装在患者手术部位附近的刚性器官104上；其中的刚性器官是指人体运动时形变较小的器官。例如，当手术导航机器人需要在患者骨盆附近进行手术时，可将第一追踪架102安装在患者骨盆上；当手术导航机器人需要对患者头部进行手术时，可将第一追踪架102安装在患者的颅骨上。
45.第二追踪架103安装在手术器械105上。本领域技术人员都知道，手术导航机器人的机器臂末端安装有手术器械，在手术过程中通过机器臂的移动带动手术器械的动作。将第二追踪架103安装在手术器械上，可通过跟踪第二追踪架103的位置，实现对手术器械的位置跟踪。
46.上述第一追踪架102和第二追踪架103上各自设置有至少三个追踪球。在本发明中，可根据追踪球的位置信息，得到第一追踪架102或第二追踪架103的位置信息。
47.在上述设备的基础上，可实现本发明的误差消除方法。
48.图2为本发明提供的误差消除方法的流程图，如图2所示，本发明的误差消除方法，包括：
49.步骤201、采集多个配准点的信息，所述配准点的信息包括目标器械在第一配准点的位置坐标与第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵。
50.配准是指同一目标的两幅或者两幅以上的图像在空间位置的对准。配准点是用于
实现配准操作的点。
51.配准点可根据实际情况选定，在手术导航机器人的实施例中，可将手术器械的尖部与患者的身体部位(如骨盆的髋臼窝)相接触的点作为配准点。
52.目标器械是与配准过程相关的器械，如在手术导航机器人的实施例中，目标器械为手术器械。
53.第一追踪架安装在与所述目标器械邻近的刚性物体上，例如，当手术导航机器人需要在患者骨盆附近进行手术时，可将第一追踪架安装在患者骨盆上；当手术导航机器人需要对患者头部进行手术时，可将第一追踪架安装在患者的颅骨上。
54.在本实施例中，所述第一配准点为所述多个配准点中的任意一个。
55.采集配准点的信息时，主要采集两类信息，其中一类是目标器械在第一配准点的位置坐标，另一类是第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵。
56.在之前的描述中已经提到，第二追踪架安装在目标器械(手术器械)上，因此在采集配准点的信息时，跟踪第二追踪架得到第二追踪架的位置坐标，将其作为目标器械在第一配准点的位置坐标。在本实施例中，可用p
i
表示目标器械在第一配准点的位置坐标。
57.在采集配准点的信息时，还同时对第一追踪架进行跟踪，得到第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵。在本实施例中，可用m
i
表示第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵。需要说明的是，第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵不仅包括第一追踪架在采集第一配准点时的位置坐标，还包括了第一追踪架在采集第一配准点时的旋转信息。
58.由于配准操作是在三维空间内实现的，因此在配准时需要至少三个配准点的信息。在本实施例中，为了减少误差，提高配准精度，可采集冗余数量的配准点信息。例如，可采集20
‑
30个配准点的信息。本领域技术人员很容易理解，不同配准点的位置是不一样的。
59.步骤202、根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵。
60.在本实施例中，配准准备状态是配准操作前的一个预备状态。在该状态下，机器人的机械臂暂停工作，用户可通过人工的方式调整机械臂的位置，使得第一追踪架102上的追踪球处于光学定位跟踪系统101的可见范围内。
61.在配准准备状态下，机械臂并未工作，不存在安装在机械臂上的目标器械与目标物体接触所产生的误差；而第一追踪架安装在刚性物体上，也能降低外界形变(如患者因为呼吸、体位变化所带来的形变)带来的误差。因此，利用第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，结合第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵，可以计算出第一配准点的误差矩阵。
62.具体的说，可采用如下公式计算第一配准点的误差矩阵：
63.m
p
*m
diff
＝m
i
；
64.其中，m
p
为第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵；m
i
为第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；m
diff
为第一配准点的误差矩阵。
65.在之前的描述中已经提到，第一配准点是多个配准点中的任意一个配准点，因此参照第一配准点的误差矩阵计算方法可以计算出各个配准点各自对应的误差矩阵。
66.例如，在之前的步骤中得到了25个配准点的信息，那么在本步骤中可计算出这25
个配准点各自对应的误差矩阵。
67.步骤203、根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
68.在已经计算出第一配准点的误差矩阵后，可将该误差矩阵应用到目标器械在第一配准点的位置坐标，以消除误差，得到目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
69.具体的说，对应的计算公式为：
70.p
i_o
*m
diff
＝p
i
；
71.其中，p
i_o
为目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标；p
i
为目标器械在第一配准点的位置坐标；m
diff
为第一配准点的误差矩阵。
72.由于各个配准点都有各自对应的误差矩阵，因此可基于这些误差矩阵，为目标器械在各个配准点上的位置坐标消除误差。
73.目标器械在各个配准点的误差消除后的位置坐标可用于后续的配准操作。
74.本发明提供的误差消除方法通过采集多个配准点的信息，根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标，实现了对目标器械在配准点位置坐标的误差消除，保证了后续配准操作的准确性。
75.基于上述任一实施例，在本实施例中，在采集多个配准点的信息之前，方法还包括：
76.在配准准备状态下，获取第一追踪架的位置矩阵。
77.在之前的实施例中，第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵是预先确定的。在本实施例中，对该位置矩阵的确定过程进行说明。
78.在本实施例中，第一追踪架的位置矩阵可通过光学定位跟踪系统101测量得到。该位置矩阵可采用m
p
表示。需要说明的是，第一追踪架的位置矩阵中不仅包括第一追踪架的三维位置坐标信息，还包括第一追踪架的旋转信息。
79.本发明提供的误差消除方法通过获取第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，为后续计算各个配准点的误差矩阵提供了前提条件，保证了后续配准操作的准确性。
80.下面对本发明提供的误差消除装置进行描述，下文描述的误差消除装置与上文描述的误差消除方法可相互对应参照。
81.图3为本发明提供的误差消除装置的示意图，如图3所示，本发明提供的误差消除装置包括：
82.配准点信息采集模块301，用于采集多个配准点的信息，所述配准点的信息包括目标器械在第一配准点的位置坐标与第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；其中，所述第一追踪架安装在与所述目标器械邻近的刚性物体上；所述第一配准点为所述多个配准点中的任意一个；
83.误差矩阵计算模块302，用于根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；
84.误差消除模块303，用于根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
85.本发明提供的误差消除装置通过采集多个配准点的信息，根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标，实现了对目标器械在配准点位置坐标的误差消除，保证了后续配准操作的准确性。
86.基于上述任一实施例，在本实施例中，误差消除装置还包括：
87.第一追踪架位置矩阵获取模块，用于在配准准备状态下，获取第一追踪架的位置矩阵。
88.本发明提供的误差消除装置通过获取第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，为后续计算各个配准点的误差矩阵提供了前提条件，保证了后续配准操作的准确性。
89.图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(communications interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行误差消除方法，该方法包括：
90.采集多个配准点的信息，所述配准点的信息包括目标器械在第一配准点的位置坐标与第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；其中，所述第一追踪架安装在与所述目标器械邻近的刚性物体上；所述第一配准点为所述多个配准点中的任意一个；
91.根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；
92.根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
93.此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
94.另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的误差消除方法，该方法包括：
95.采集多个配准点的信息，所述配准点的信息包括目标器械在第一配准点的位置坐标与第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；其中，所述第一追踪架安装在与所述目标器械邻近的刚性物体上；所述第一配准点为所述多个配准点中的任意一个；
96.根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；
97.根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
98.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的误差消除方法，该方法包括：
99.采集多个配准点的信息，所述配准点的信息包括目标器械在第一配准点的位置坐标与第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵；其中，所述第一追踪架安装在与所述目标器械邻近的刚性物体上；所述第一配准点为所述多个配准点中的任意一个；
100.根据第一追踪架在采集第一配准点时的位置矩阵以及预先确定的第一追踪架在配准准备状态下的位置矩阵，计算第一配准点的误差矩阵；
101.根据目标器械在第一配准点的位置坐标以及所述第一配准点的误差矩阵，计算目标器械在第一配准点的误差消除后的位置坐标。
102.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
103.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
104.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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的精神和范围。