专利名称：：机器人辅助外科手术空间映射方法
技术领域：
：本发明涉及一种机器人辅助外科手术空间映射方法。
背景技术：
：目前，机器人辅助手术不同系统空间坐标系之间的相互定位方法大体有以下几种①通过记录机器人各个关节角的值，反算出相对于机器人基座位置；用机器人末端点击注册点，实施注册。②基于磁定位器的机器人辅助手术系统，机器人末端安装了一个磁定位发射器，在机器人的基座上安装了机器人接收器；也需要将机器人末端点击Marker,实施注册。(D采用双目视觉摄像头，进行被动注册；即用摄像头识别的探针一个一个点击预先贴在人体身上的标识点(Marker),实施注册。这些方法的缺点主要有定位方法繁琐，耗时较长；均采用了接触标示点的方式实现定位，接触标识点时，改变了标示点的位置，影响了定位精度。无论人持工具定位，还是机器人定位，都会存在误差(人定位时，手会晃动，机器人定位时，记录的各个关节角由于存在机械加工误差，和装配间隙，与实际的关节角不完全同，则关节越多，反求出的标识点在机器人坐标系下的坐标值，与标示点在机器人坐标系下的真实值误差越大，如①所述。
发明内容为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种定位时不接触标识点，且定位迅速、误差小的机器人辅助外科手术空间映射方法。本发明是通过以下技术方案来实现的-一种机器人辅助外科手术空间映射方法，所述的机器人辅助外科手术空间包括图像空间、机器人空间和手术时病人空间，摄像头空间是以双目视觉摄像头，上两个摄像头的中间点为原点，两个摄像头的连线为X方向，两个摄像头镜头所在的平面为XY平面，垂直于该平面的轴为Z轴，建立的坐标系；图象空间由以第一张CT/MR片的左下角为圆点，CT/MR的高度方向为Y轴，宽度方向为X轴，CT/MR序号增加的方向是Z轴，建立的坐标系；机器人空间以机器人上贴者的摄像头识别标志建立起来的XYZ坐标系，该标志贴在摄像头易于捕获的位置；手术时病人空间是指手术时病人所在的物理空间；其特征在于该方法包括以下步骤(1)标识点的建立利用球体的几何特性，将球体作为定位球，而将其球心作为标识点，标识点的个数为3个或者3个以上；(2)建立图像空间中仿射坐标系(2.1)在具有定位球截面的CRMR图像上的定位球的截面内部用鼠标选取一个点，同时设定检测区域，通过边缘检测方法找到所有定位球边界点；所述的检测区域是以选取的点为中心、1.5倍定位球直径折算成像素点数为边长的矩形；(2.2)采用圆的拟合方法，利用找出的定位球边界点求出定位球在该CIAMR截面上的圆心坐标值；(2.3)根据已知的定位球的直径，算出定位球的球心到该张CRMR片的距离AZ,而定位球球心的Z坐标等于圆心Z坐标加上或减去AZ，即Z球心=Z圆心±AZ,求出定位球球心的坐标值；所述的加上或减去AZ是通过判断前后两张CTAMR片在所述的矩形区域内CT\MR灰度总值的大小，灰度总值大的CT\MR片的方向就是定位球球心所在的方向，总值大时加AZ，总值小时减AZ;(2.4)利用上述方法找出全部以定位球球心作为标识点的坐标，并以其中的一个标识点作为仿射坐标系的原点，该点与其他标识点的连线作为仿射坐标系的基向量，建立标识点在图像坐标系下的仿射坐标系，得到标识点的仿射坐标矩阵Al。Al是3x3的矩阵，矩阵的列是各个基向量；(3)建立摄像头空间中仿射坐标系7(3.1)在摄像头坐标系下捕捉到3个标识点及两个长短矢量在摄像头坐标系下的坐标值和矢量，叉乘出垂直于该3个标识点构成的标识面的矢量；(3.2)通过预先将定位球置于摄像头可识别的标识下的某一位置，根据向量加法计算出定位球球心，从而获得贴在人体身上的其他标识点在摄像头下的坐标，以其中的一个标识点为坐标原点，建立标识点在摄像头空间中的仿射坐标系和仿射坐标矩阵AC;(4)机器人辅助外科手术空间之间的相互映射(4.1)贴在人体身上的标识点彼此没有相对运动，在摄像头坐标系及图像坐标系下，其仿射坐标矩阵完全相同，通过获得每个仿射坐标系的在其基础坐标系的仿射矩阵和原点坐标，实现空间之间的相互映射；上述空间相互映射的实现过程如下式(1)和式(2)分别是摄像头坐标系和图像坐标系下任意一点在标识点仿射坐标系下的仿射坐标值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中(xc，yc'Zc)、(&'yp^)分别为摄像头仿射坐标系下的任意一点和其在图像坐标系下的对应点，(xoc,yoc'zoc)、(x0I'y0I'z0I)分别为摄像头坐标系和图像坐标系下作为原点的标识点在其两个基础坐标系下的坐标值，(^，y;s')为(xc，yc，Zc)以摄像头坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，(《y:20为(xi'yi^)以图像坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，(^，y"')与(《y:f)理论上完全相同(因为是这是不同坐标系下的同一个点)，合并式(1)和式(2)中的两个矩阵得式(3):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>这样即建立了(Xc'yc^c)与(Ajp^)的对应关系，其映射过程是这样的首先获得手术时病人空间的点在摄像头空间坐标系下的点，将点的坐标值转换成以摄像头空间坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，该值也是以图像坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，再将该值转换到图像坐标系下，即完成了图像坐标系与手术时病人空间坐标系的映射，从而实现图像空间与手术时病人空间的相互映射；(4.2)通过上述方法实现机器人空间与图像空间之间的映射，即在机器人基座上某固定位置放置贴在机器人平台上的标识，在摄像头坐标系下捕获到该标识的仿射矩阵AK，该标识的长短轴XZ、XY标识均是已知，将XZ和YX分别作为X轴和Y轴，X轴叉乘Y轴作为Z轴，X点作为原点，建立仿射坐标系得到仿射矩阵AR,套用式(1)、式(2)得到式(4):XORC=ArcA￡+_Z0R_其中(Wr,Zr)、(xOR'yoR,zOR)、(x0RC'y0KC'z0RC)、(Xn。yRc'ZRc)分别为机器人坐标系下任意一点、机器人坐标系标识点原点、机器人坐标系标识点原点在摄像头坐标下的坐标、机器人坐标系下任意一点映射到摄像头坐标系下的坐标，再带入式(3)中，得到式(5):xORC-、、_y「y。R+—y+、_其中，(XHI，yKI,ZKl)为机器人坐标系下的点映射到图像坐标系下的坐标，完成机器人空间与图像空间之间的相互映射，这个过程相对以上映射，增加了机器人坐标系下的坐标映射到摄像头坐标的过程。前述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(1)所述的标识点由以下几部分组成球套、定位球和封板。前述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于所述的标识点还包括造影剂。前述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(1)所述的定9位球的直径大于CTAMR图片的层间距、小于CT\MR图片的层间距的两倍。前述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(1)所述的定位球在CT图像下为钢球标准件、磁珠标准件或高密度材料球体中的任一种，在MRI图像下为非脂类球体或不在MRI图像上显影的球体中的任一种。前述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(3)所述的摄像头为能识别黑白相间的标识块的双目视觉摄像头。前述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(3.1)所述的标识点为4个。本发明的有益效果是本发明针对机器人辅助外科手术中不同空间坐标系之间位置的相互映射问题，提出了手术空间映射方法，以提高手术效果。采用双目视觉摄像头，可不依赖任何机械设备(探针，或机器臂)就能实现非接触标识点定位，直接由摄像头识别特定标志，并与图像坐标系下的标志进行匹配，且定位过程迅速，能实现亚秒级定位；此外摄像头坐标系和图像坐标系的相互定位误差小于lmm。图1:标识点截面示意图2a:球心拾取前的示意图2b:球心拾取后的效果图3:摄像头识别的标识样式图4:向量法计算钢球(或磁珠)球心的示意图5:贴在机器人平台上的标识的示意图。图中主要附图标记含义1、球套2、定位球3、造影剂4、封板具体实施例方式下面将结合附图，详细说明本发明的具体实施例方式本发明采用双目视觉摄像头，不依赖任何其他器械(探针，或机器臂)，直接由摄像头识别特定标志，并与图像坐标系下的标志进行匹配。机器人手术是将机器人坐标值映射到图像空间中，机器人辅助外科手术空间包括以下几个空间医学图像(CAMRI等)空间、机器人空间、手术时病人空间，实现这些不同空间之间的映射需有特定的标识点(Marker),这些标识点在各个空间里都能被识别，从而建立各个空间之间的联系；这些联系通过3个或3个以上标识点在不同空间下建立同样的坐标系实现；3个标识点建立直角坐标系，4个或4个以上标识点建立仿射坐标系；实现快速准确的定位，快速准确的建立不同空间中的坐标系。在本发明中，摄像头空间是以双目视觉摄像头，上两个摄像头的中间点为原点，两个摄像头的连线为X方向，两个摄像头镜头所在的平面为XY平面，垂直于该平面的轴为Z轴，建立的坐标系。图象空间由以第一张CT/MR片的左下角为圆点，CT/MR的高度方向为Y轴，宽度方向为X轴，CT/MR序号增加的方向是Z轴，建立的坐标系。机器人空间以机器人上贴者的摄像头识别标志建立起来的XYZ坐标系，该标志贴在摄像头易于捕获的位置。手术时病人空间是指手术时病人所在的物理空间。图1为标识点截面示意图；图2a:球心拾取前的示意图；图2b:球心拾取后的效果如图1所示标识点是各坐标系下都能轻易定位、获得在该坐标系下的坐标值的点，标识点由以下几部分组成球套l、定位球2、造影剂3和封板4，在CT图像下，不使用造影剂。摄像头为双目视觉摄像头MicronTracker,能识别黑白相间的标识块。鉴于直角坐标系是特殊的仿射坐标系，以4个标识点形成仿射坐标系为例。(1)标识点的建立利用球体的几何特性，将球体作为定位球，而将其球心作为标识点。而所述的定位球在CT图像下为钢球标准件、磁珠标准件或高密度材料球体中的任一种，在MRI图像下为非脂类球体或不在MRI图像上显影的球体中的任一种。(2)建立图像空间中仿射坐标系釆用图像边缘提取的方法，在图像坐标系下提取定位球的球心，在CT图像下定位球采用钢球(或磁珠)标准件或其它高密度材料，以提升其在CT上的显影效果，而在MRI图像下可采用非脂类的球体或其它不在MRI图像上显影的球体。定位球直径根据CT图片的间距而定，一般情况下直径大于层间距并小于层间距的两倍，这样只有两层CT片穿过到钢球(或磁珠)。例如层间距为5mm的CT片，可采用直径为8mm的钢球(或磁珠)。鉴于金属材料在CT图像下显影效果明显，通过边缘检测方法很容易将钢球(或磁珠)在某一张CT图像上的边缘点检测出来，先在有钢球(或磁珠)截面的CT图像上钢球(或磁珠)内部用鼠标选取一个点，并设定检测区域，该检测区域是以选取的点为中心、1.5倍钢球(或磁珠)直径折算成像素点数为边长的矩形，边长可以调整，最长不必超过2倍钢球(或磁珠)直径，因为即使CT片刚好通过球心同时选取的点是边界点，此时，边界点也必然落在该矩形内;如果鼠标选择的点接近钢球(或磁珠)在该CT片上所在的圆内，那么在1.5倍钢球(或磁珠)的矩形区域内，必然能够用边缘检测方法找到所有钢球(或磁珠)边界点。(2.2)再采用圆的拟合方法，用找到的边界点求出钢球(或磁珠)在该CT截面上的圆心的坐标值，假定以CT片左下角为圆点，CT片索引号XCT层间距-CT片Z坐标值；(2.3)由于己知钢球(或磁珠)的直径，算出钢球(或磁珠)的球心到这一张CT片的距离AZ，那么钢球(或磁珠)的Z坐标等于圆心Z坐标加上或减去AZ，即Z球心=Z圆心±AZ;加减可通过判断前一张和后一张CT片在该矩形区域内CT灰度总值的大小，总值大的CT片就是钢球(或磁珠)球心所在的方向；由此可求出钢球(或磁珠)球心的坐标值，总值大时加AZ，总值小时减AZ。(2.4)通过这样的方法可以找到全部标识点的球心坐标，球心拾取过程如图2a、2b所示，以其中的一个作为仿射坐标系的原点，该点与其他标识点的连线作为仿射坐标系的基向量，由此，建立标识点在医学图像坐标系下的仿射坐标系得到标识点的仿射坐标矩阵Al。Ai是3X3的矩阵，矩阵的列是各个基向量。(3)建立摄像头空间中仿射坐标系。图3为摄像头识别的标识样式图；图4为向量法计算钢球(或磁珠)球心的示意图。如图3所示由于摄像头坐标系下能捕捉到A、B、C点及两个长短矢量XS和fA在摄像头下的坐标值和矢量，由此叉乘出垂直于该标志面的矢量。通过预先将定位球置于图3所示的标识下某一位置，以A点为例，定位球球心刚好位于A点正下方P处，P与A的距离已知，则矢量X已知。根据向量加法有命=涼+^，如图4所示，计算出向量命，其中O点是摄像头坐标系的原点，则P点在摄像头坐标系下坐标值在数值上等于^。通过同样的方法获得贴在人体身上的其他3个标识点定位球在摄像头下的坐标。以其中的一个标识点球心为坐标原点，建立标识点在摄像头坐标系下的仿射坐标系和仿射坐标矩阵Ac。(4)机器人辅助外科手术空间之间的相互映射因为贴在人体身上的4个标识点彼此没有相对运动，所以无论是在摄像头坐标系下还是在图像坐标系下，其仿射坐标矩阵完全相同，只是建立这些坐标系的基础坐标系不同。因此，通过获得每个仿射坐标系的在其基础坐标系的仿射矩阵和原点坐标，实现之间的相互映射；其数学推导过程如下-式(1)和式(2)分别是摄像头坐标系和图像坐标系下任意一点在标识点仿射坐标系下的仿射坐标值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中(xc，yc^c)、(&'yp^)分别是摄像头仿射坐标系下的任意一点和其在图像坐标系下的对应点，(xoc'y0c'zoc)、(xcn'y^2^)分别是摄像头和图像坐标系(空间)下的原点，(x'，y:z')是(xc'yc'zc)在摄像头坐标系下仿射坐标值，(Z,y:z")是(xi'yi'zi)在图像坐标系下的仿射坐标值，(x'，y;z')与("Kz。理论上是完全相同的。由此，可合并式(i)、式(2)中的两个矩阵，得式(3):<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>这样就建立了(xc'yc'zc)、(&'yp^)的对应关系，其映射过程是这样的首先获得手术时病人空间的点在摄像头空间坐标系下的点，将点的坐标值转换成以摄像头坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，该值也是以图像坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，再将该值转换到图像坐标系下，即完成了图像坐标系与手术时病人空间坐标系的映射，从而实现了图像空间与手术时病人空间之间的相互映射。机器人空间也可通过类似的方法完成它与图像空间之间的映射图5为贴在机器人平台上的标识的示意图。如图5所示通过在机器人基座上某固定位置放置图5所示的标识，就可在摄像头坐标系下捕获到该标志的仿射矩阵ARC。由于该标识的长短轴XZ、XY标识均是已知，可将XZ和YX分别作为X轴和Y轴，X轴叉乘Y轴作为Z轴，X点作为原点，建立仿射坐标系(也是直角坐标系)得到仿射矩阵AR。由套用公式(1)、式(2)得到式(4):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>其中(XK'yR,z"、(x。R,yoR'zOR)、(x。RC,y。RC,z0RC)、(XR。y^ZRc)分别是机器人坐标系下任意一点、机器人坐标系标识点原点(X点)、机器人坐标系标识点原点(X点)在摄像头坐标下的坐标、机器人坐标系下任意一点映射到摄像头坐标系下的坐，带入式(3)中，得到式(5):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(^,yw,^)为机器人坐标系下的点映射到图像坐标系下的坐标。从而，完成机器人辅助外科手术空间之间的相互映射。本发明针对机器人辅助外科手术中不同空间坐标系之间位置的相互映射问题，提出了手术空间映射方法，以提高手术效果。采用双目视觉摄像头，不依赖任何其他器械(探针，或机器臂)，直接由摄像头识别特定标志，并与图像坐标系下的标志进行匹配。机器人手术是将机器人坐标值映射到图像空间中，机器人辅助外科手术空间包括以下几个空间医学图像(CTAMRI等)空间、机器人空间、手术时病人空间，实现这些不同空间之间的映射需有特定的标识点(Marker),这些标识点在各个空间里都能被识别，从而建立各个空间之间的联系；这些联系通过3个以上标识点在不同空间下建立同样的坐标系实现；三个标识点建立直角坐标系，四个以上标识点建立仿射坐标系；实现快速准确的定位，快速准确的建立不同空间中的坐标系。以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。权利要求1、一种机器人辅助外科手术空间映射方法，所述的机器人辅助外科手术空间包括图像空间、机器人空间和手术时病人空间，摄像头空间是以双目视觉摄像头，上两个摄像头的中间点为原点，两个摄像头的连线为X方向，两个摄像头镜头所在的平面为XY平面，垂直于该平面的轴为Z轴，建立的坐标系；图象空间由以第一张CT/MR片的左下角为圆点，CT/MR的高度方向为Y轴，宽度方向为X轴，CT/MR序号增加的方向是Z轴，建立的坐标系；机器人空间以机器人上贴者的摄像头识别标志建立起来的XYZ坐标系，该标志贴在摄像头易于捕获的位置；手术时病人空间是指手术时病人所在的物理空间；其特征在于该方法包括以下步骤(1)标识点的建立利用球体的几何特性，将球体作为定位球，而将其球心作为标识点，标识点的个数为3个或者3个以上；(2)建立图像空间中仿射坐标系(2.1)在具有定位球截面的CT\MR图像上的定位球的截面内部用鼠标选取一个点，同时设定检测区域，通过边缘检测方法找到所有定位球边界点；所述的检测区域是以选取的点为中心、1.5倍定位球直径折算成像素点数为边长的矩形；(2.2)采用圆的拟合方法，利用找出的定位球边界点求出定位球在该CT\MR截面上的圆心坐标值；(2.3)根据已知的定位球的直径，算出定位球的球心到该张CT\MR片的距离ΔZ，而定位球球心的Z坐标等于圆心Z坐标加上或减去ΔZ，即Z球心＝Z圆心±ΔZ，求出定位球球心的坐标值；所述的加上或减去ΔZ是通过判断前后两张CT\MR片在所述的矩形区域内CT\MR灰度总值的大小，灰度总值大的CT\MR片的方向就是定位球球心所在的方向，总值大时加ΔZ，总值小时减ΔZ；(2.4)利用上述方法找出全部以定位球球心作为标识点的坐标，并以其中的一个标识点作为仿射坐标系的原点，该点与其他标识点的连线作为仿射坐标系的基向量，建立标识点在图像坐标系下的仿射坐标系，得到标识点的仿射坐标矩阵AI。AI是3×3的矩阵，矩阵的列是各个基向量；(3)建立摄像头空间中仿射坐标系(3.1)在摄像头坐标系下捕捉到3个标识点及两个长短矢量在摄像头坐标系下的坐标值和矢量，叉乘出垂直于该3个标识点构成的标识面的矢量；(3.2)通过预先将定位球置于摄像头可识别的标识下的某一位置，根据向量加法计算出定位球球心，从而获得贴在人体身上的其他标识点在摄像头下的坐标，以其中的一个标识点为坐标原点，建立标识点在摄像头空间中的仿射坐标系和仿射坐标矩阵AC；(4)机器人辅助外科手术空间之间的相互映射(4.1)贴在人体身上的标识点彼此没有相对运动，在摄像头坐标系及图像坐标系下，其仿射坐标矩阵完全相同，通过获得每个仿射坐标系的在其基础坐标系的仿射矩阵和原点坐标，实现空间之间的相互映射；上述空间相互映射的实现过程如下式(1)和式(2)分别是摄像头坐标系和图像坐标系下任意一点在标识点仿射坐标系下的仿射坐标值<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msup><mi>x</mi><mo>′</mo></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>y</mi><mo>′</mo></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>z</mi><mo>′</mo></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><msup><msub><mrow><mo>=</mo><mi>A</mi></mrow><mi>C</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>C</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mi>OC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>C</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>OC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>C</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mtext>OC</mtext></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msup><mi>x</mi><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>y</mi><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>z</mi><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><msup><msub><mrow><mo>=</mo><mi>A</mi></mrow><mi>I</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>I</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mi>OI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>I</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>OI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>I</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mtext>OI</mtext></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中(xC，yC，zC)、(xI，yI，zI)分别为摄像头仿射坐标系下的任意一点和其在图像坐标系下的对应点，(xOC，yOC，zOC)、(xOI，yOI，zOI)分别为摄像头坐标系和图像坐标系下作为原点的标识点在其两个基础坐标系下的坐标值，(x′，y′，z′)为(xC，yC，zC)以摄像头坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，(x″，y″，z″)为(xI，yI，zI)以图像坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，(x′，y′，z′)与(x″，y″，z″)理论上完全相同(因为是这是不同坐标系下的同一个点)，合并式(1)和式(2)中的两个矩阵得式(3)<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>I</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>I</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>I</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>I</mi></msub><msup><msub><mi>A</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>c</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>c</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>c</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>+</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>I</mi></msub><msup><msub><mi>A</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>c</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>c</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>c</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><msub><mi>A</mi><mi>I</mi></msub><msup><msub><mi>A</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>+</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>这样即建立了(xC，yC，zC)与(xI，yI，zI)的对应关系，其映射过程是这样的首先获得手术时病人空间的点在摄像头空间坐标系下的点，将点的坐标值转换成以摄像头空间坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，该值也是以图像坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，再将该值转换到图像坐标系下，即完成了图像坐标系与手术时病人空间坐标系的映射，从而实现图像空间与手术时病人空间的相互映射；(4.2)通过上述方法实现机器人空间与图像空间之间的映射，即在机器人基座上某固定位置放置贴在机器人平台上的标识，在摄像头坐标系下捕获到该标识的仿射矩阵ARC，该标识的长短轴XZ、XY标识均是已知，将XZ和YX分别作为X轴和Y轴，X轴叉乘Y轴作为Z轴，X点作为原点，建立仿射坐标系得到仿射矩阵AR，套用式(1)、式(2)得到式(4)<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>RC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>RC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Z</mi><mi>RC</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>RC</mi></msub><msup><msub><mi>A</mi><mi>R</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>R</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mi>OR</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>R</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>OR</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>R</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mi>OR</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>+</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>ORC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>ORC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>ORC</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中(xR，yR，zR)、(xOR，yOR，zOR)、(xORC，yORC，zORC)、(xRC，yRC，zRC)分别为机器人坐标系下任意一点、机器人坐标系标识点原点、机器人坐标系标识点原点在摄像头坐标下的坐标、机器人坐标系下任意一点映射到摄像头坐标系下的坐标，再带入式(3)中，得到式(5)<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>RI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>RI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>RI</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>I</mi></msub><msup><msub><mi>A</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>A</mi><mi>RC</mi></msub><msup><msub><mi>A</mi><mi>R</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>R</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mi>OR</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>R</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>OR</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>R</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mi>OR</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>+</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>ORC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>ORC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>ORC</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfencedopen=''close=''><mtable><mtr><mtd><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mo>-</mo><mi>y</mi></mrow><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mi>oc</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>+</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>oI</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中，(xRI，yRI，zRI)为机器人坐标系下的点映射到图像坐标系下的坐标，完成机器人空间与图像空间之间的相互映射，这个过程相对以上映射，增加了机器人坐标系下的坐标映射到摄像头坐标的过程。2、根据权利要求i所述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(1)所述的标识点由以下几部分组成球套、定位球和封板。3、根据权利要求2所述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于所述的标识点还包括造影剂。4、根据权利要求1所述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(1)所述的定位球的直径大于CTVMR图片的层间距、小于CTAMR图片的层间距的两倍。5、根据权利要求1或4所述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(1)所述的定位球在CT图像下为钢球标准件、磁珠标准件或高密度材料球体中的任一种，在MRI图像下为非脂类球体或不在MRI图像上显影的球体中的任一种。6、根据权利要求1所述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(3)所述的摄像头为能识别黑白相间的标识块的双目视觉摄像头。7、根据权利要求1所述的机器人辅助外科手术空间映射方法，其特征在于步骤(3.1)所述的标识点为4个。全文摘要本发明公开了一种机器人辅助外科手术空间映射方法，机器人辅助外科手术空间包括图像空间、机器人空间、手术时病人空间，该方法主要是通过3个或3个以上标识点建立不同空间的仿射坐标系，进行各个空间之间的联系，通过获得每个仿射坐标系的在其基础坐标系的仿射矩阵和原点坐标，实现机器人辅助外科手术空间之间的相互映射。本发明可不依赖任何机械设备就能实现非接触标识点定位，且定位过程迅速，能实现亚秒级定位；此外摄像头坐标系和图像坐标系的相互定位误差小于1mm。文档编号A61B19/00GK101524291SQ20091002921公开日2009年9月9日申请日期2009年4月3日优先权日2009年4月3日发明者粲唐,张建伟,胜程,淳龚申请人:昆山市工业技术研究院有限责任公司