手术机械臂定位系统的制作方法

本发明涉及医疗装置技术领域，尤其涉及的是一种手术机械臂定位系统。

背景技术：

在外科手术中，采用手术机械臂持手术工具等先进技术来实现操作，例如手术机械臂末端安装手术刀进行开刀或安装电钻进行钻骨等。尤其是在骨科钻骨手术中，电钻钻头与骨之间会产生较大的力而不稳定，因而需要借助手术机械臂。无论是手术前，手术机械臂需移动至患者的病患部位，还是在手术中，手术机械臂根据需要的进刀或进钻轨迹进行移动，都需要手术机械臂的进行定位。

目前，实现手术定位的方式如下：1)首先对患者用标定件标定，然后进行ct扫描建立三维模型，根据建模所得模型来进行手术规划，规划完成后再进行手术操作；由于需要进行ct扫描加建模进行术前规划，操作复杂时间较长，辐射也大，另外还需对患者加标定件，并且在术中仍然需要用标定件实现导航，标定件占用的位置会影响手术进行，过远则定位精度不高；2)通过手术工具本身在透视图像中的显影来指导移动，直至定位到手术工具至患者的病患部位，定位过程时间较长，辐射较大，无法实现自动化定位，而且由于手术工具本身的显影面积较大，容易定位不准。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种手术机械臂定位系统，提高定位自动化程度，降低操作复杂度，定位准确。

为解决上述问题，本发明提出一种手术机械臂定位系统，包括：

手术机械臂，其上相对固定有a组标定体；

透视设备，其上相对固定有b组标定体，从至少两个角度针对目标对象拍摄形成至少两个透视图像；

处理装置，接收所述透视设备的透视图像，根据外部输入指令在所述至少两个透视图像中分别选定目标投影点，每个透视图像中的目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标对象上的同一目标实际点投影至对应图像接收平面上的点，根据至少两个目标投影点与光源的位置关系、及所述至少两个目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，确定所述同一目标实际点相对于b组标定体的空间位置，生成实际点空间位置数据；

空间立体定位设备，用以捕获所述a组标定体与所述b组标定体的空间位置，形成a组标定体与b组标定体的三维相对位置关系；

控制装置，连接所述处理装置和空间立体定位设备，接收所述处理装置的实际点空间位置数据和所述空间立体定位设备的三维相对位置关系，根据所述三维相对位置关系和实际点空间位置数据控制所述手术机械臂移动至所述目标实际点的空间位置。

根据本发明的一个实施例，所述处理装置包括：

图像采集处理模块，用以接收所述透视设备的两个透视图像，接收外部输入指令，根据外部输入指令在每个透视图像中选定一目标投影点；

关系映射模块，用以根据透视设备两个拍摄角度的空间变化关系确定两个图像接收平面之间的位置关系，通过此位置关系将其中一图像接收平面上的目标投影点与其对应拍摄角度下的光源之间的位置关系映射为相对于另一图像接收平面的位置关系，以确定两个目标投影点与各自光源之间的投影线相交处的同一目标实际点相对于所述另一图像接收平面的空间位置；

空间位置数据生成模块，用以根据所述另一图像接收平面与其对应拍摄角度下的所述b组标定体之间的空间关系，确定所述同一目标实际点相对于该b组标定体的空间位置，生成实际点空间位置数据。

根据本发明的一个实施例，所述处理装置还连接所述空间立体定位设备，所述空间立体定位设备还用以捕获在两个不同拍摄角度下的b组标定体的空间位置，以确定所述b组标定体在两个拍摄角度下的相对位置关系，并将该相对位置关系传输至所述处理装置中，作为所述透视设备两个拍摄角度的空间变化关系。

根据本发明的一个实施例，

所述图像采集处理模块，在两个透视图像中分别选定一目标投影点，确定两个目标投影点在各自图像接收平面的第一位置点(x1，y1)、第二位置点(x2，y2)；

所述关系映射模块，根据b组标定体在两个拍摄角度下的相对位置关系确定两个图像接收平面之间的空间变化矩阵s：其中，为第一拍摄角度下的b组标定体确定的坐标系，为第二拍摄角度下的b组标定体确定的坐标系，两个坐标系的建立方式相同；通过空间变化矩阵s将第二图像接收平面的第二位置点(x2，y2)与其对应拍摄角度下的光源(xb，yb，zb)之间的位置关系映射为相对于第一图像接收平面的位置关系：(x′2，y′2，z′2)＝s(x2，y2，0)......(1)，(x′b，y′b，z′b)＝s·(xb，yb，zb)、......(2)，根据(1)和(2)确定空间变化后的第二位置点(x′2，y′2，z′2)和光源(x′b，y′b，z′b)之间的直线方程(3)，在所述第一图像接收平面确定第一位置点(x1，y1)和其对应拍摄角度下的光源(xa，ya，za)之间的直线方程(4)，联立计算(3)和(4)得到直线方程的交点(x，y，z)，作为所述同一目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置；

所述空间位置数据生成模块，根据所述接收板与b组标定体之间的位置关系将所述同一目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置转换为所述同一目标实际点相对于b组标定体之间的空间位置，生成实际点空间位置数据。

根据本发明的一个实施例，所述a组标定体和b组标定体均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。

根据本发明的一个实施例，所述处理装置、空间立体定位设备或控制装置，根据空间立体定位设备测得的每组三个标定体的空间位置建立该组标定体局部o-xyz坐标系，坐标中心x轴方向定义为方向，y轴方向定义为方向，z轴方向定义为方向。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置包括：

数据获取模块，用以接收所述处理装置的实际点空间位置数据和所述空间立体定位设备的a组标定体与至少一拍摄角度下的所述b组标定体的三维相对位置关系；

位置数据处理模块，用以根据所述a组标定体的至少三个标定体的位置数据建立a三维坐标系，根据所述a组标定体与手术机械臂待定位点的位置关系确定所述待定位点在所述a三维坐标系中的位置；根据所述b组标定体的至少三个标定体的位置数据建立b三维坐标系，根据a组标定体与b组标定体的相对位置关系将所述待定位点在所述a三维坐标系中的位置映射到b三维坐标系中，得到所述待定位点在所述b三维坐标系中的坐标值；根据所述目标实际点相对于b组标定体的空间位置确定所述目标实际点在所述b三维坐标系中的坐标值；根据待定位点的坐标值和所述目标实际点的坐标值确定所述手术机械臂待定位点的行程，生成行程控制指令；

行程控制模块，用以接收所述行程控制指令，根据所述行程控制指令控制所述手术机械臂动作以使其待定位点移动至所述目标实际点处。

根据本发明的一个实施例，所述透视设备在各个角度针对目标对象拍摄中，光源与接收器的图像接收平面之间的相对位置和相对方向始终保持不变。

根据本发明的一个实施例，所述空间立体定位设备通过双目立体视觉系统实现。

根据本发明的一个实施例，所述手术机械臂上安装有手术工具或者手术辅助工具，所述控制装置控制所述手术机械臂动作以带动所述手术工具或者手术辅助工具的待定位点移动至目标实际点的空间位置。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

通过在手术机械臂上固定a组标定体，得到手术机械臂与a组标定体之间的空间位置关系；通过在透视设备上固定b组标定体，得到接收板与b组标定体之间的位置关系；通过a组标定体和b组标定体之间的空间位置关系得到手术机械臂与透视设备之间的位置关系；通过透视设备拍摄的至少两个关于患者病患部位的透视图像，操作者只需在透视图像上点选针对同一部位点的投影点，根据光源与接收板之间的空间位置关系，便可得到该部位点的实际点三维位置，从而便确定该实际点与手术机械臂之间的位空间位置关系，依此可控制机械臂移动至实际点定位；无需在手术前进行ct扫描三维建模及手术规划，降低辐射危害，也减少了患者手术等待的时间；可以在术前或术中进行定位，操作者只需要点选透视图像中的部位点，不需要进行手术规划或者根据标记件的显影来控制手术机械臂的移动达到定位目的，降低了操作复杂度与定位的难度，提高了定位的自动化控制程度；标定体不会影响手术部位，通过图像点选确定位置关系后控制手术机械臂的行程，可提高定位精确度；

通过感测b组标定体的空间变化情况来确定拍摄角度的变化，可以使得透视设备可以任意变换姿态进行拍摄，操作起来更方便，而且无论怎样动作均可保证精度，避免动作超出预期而产生误差的问题；

将两个拍摄角度下的光源和目标投影点之间的位置关系转换为了相对于同一图像接收平面而言，计算两个交点光源和目标投影点之间的投影线相交处交点位置确定实际点的位置，通过点选的两个二维位置得到了目标实际点的三维位置，可以通过在透视图像上点选而将手术机械臂定位到任意希望定位的位置，十分有利于手术进行。

附图说明

图1为本发明一实施例的手术机械臂定位系统的结构框图；

图2为本发明一实施例的目标实际点确定关系的示意图。

图中标记说明：

1-手术机械臂，2-透视设备，21-光源，22-接收板，3-处理装置，4-空间立体定位设备，5-控制装置，6-手术工具或者手术辅助工具，100-a组标定体，200-b组标定体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1，在一个实施例中，手术机械臂定位系统包括：手术机械臂1，透视设备2，处理装置3，空间立体定位设备4和控制装置5。

手术机械臂1上相对固定有a组标定体100，手术机械臂1可以是现有的手术机械臂或者在结构上做合适的改动，例如设置a组标定体100的固定部位，其中a组标定体100的位置与手术机械臂1上安装的手术工具或者手术辅助工具6的位置在工作过程中最好始终保持不变，例如可以将a组标定体100固定在手术机械臂1的末端或末端靠近部位，如果改变则根据变化后的相对位置计算定位所需移动的行程。手术机械臂1优选是三维六自由度可动的机械臂，动作由关节处的驱动机构驱动，具体如何动作并不作为限制，只要能够最终将待定位点移动到定位的位置即可。

透视设备2上相对固定有b组标定体200。优选的，透视设备2可以是x光透视扫描设备。采用x光透视扫描设备，可以实现骨头的显影，进而使得整个系统可以实现钻骨点位置等的定位。

以x光透视扫描设备为例，透视设备2工作时，x光源21发射x光将目标对象(图1中为患者的部位)投射到接收板22上形成透视图像，接收板22的板面即为该透视图像的图像接收平面。

透视设备2从至少两个角度针对目标对象拍摄形成至少两个透视图像，目标对象例如是图中的患者上的一部位。其中，b组标定体200与透视设备2的光源21和接收板22的相对位置不变，为了与图像接收平面上的目标投影点位置关系计算更方便些，可以将b组标定体200固定在接收板22附近，当然不影响透视设备2的拍摄。如果从两个角度拍摄，该两个角度下的光源21位置错开、不相对。

透视设备2至少从两个角度拍摄到了两个透视图像，由于光源21与接收板22两者之间的位置关系没有发生过变化，因而患者部位位于图像接收平面的对应投影点与对应光源位置的连线上，从两个不同角度拍摄后，可以得到三维空间中针对同一部位点的两条光源到图像接收平面投影点的连线，连线交点便是该同一部位点的三维位置点，当然拍摄更多角度下的透视图像来确定同一部位点的三维位置点同样适用。

优选的，透视设备2在各个角度针对目标对象拍摄中，光源21与接收器22的图像接收平面之间的相对位置和相对方向始终保持不变，避免还需要图像尺寸变化或者位置转化等。

处理装置3接收透视设备2的透视图像，根据外部输入指令在至少两个透视图像中分别选定目标投影点，每个透视图像中的目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标对象上的同一目标实际点投影至对应图像接收平面上的点。也就是说，处理装置3接收到透视图像后，根据外部输入指令在各个透视图像上选择出透视图像中显示的患者同一部位点的目标投影点，每个透视图像中选择的部位点是相同的，例如在钻骨定位时，各个图中选择同一钻骨点的投影点，从而根据投影点和光源连线得到该钻骨点的至少两条投影线，计算投影线交点便可得到该钻骨点的位置。外部输入指令可以是操作者在显示的透视图像上点选相同部位点形成的，例如可以通过鼠标点击选中，触摸屏触摸选中，手写板写入等方式生成外部输入指令。

处理装置3根据至少两个目标投影点与光源的位置关系、及至少两个目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，已知至少两个目标投影点的图像接收平面之间的位置关系便可将全部目标投影点与光源映射到同一坐标系下，那么至少两个目标投影点与光源的位置关系便可在同一坐标系下计算交点，从而可以确定同一目标实际点的位置，由于b组标定体200与图像接收平面(接收板22)的相对位置已知，那么经过位置换算便可确定同一目标实际点相对于b组标定体200的空间位置，生成实际点空间位置数据。

空间立体定位设备4用以捕获a组标定体100与b组标定体200的空间位置，得到a组标定体100与b组标定体200的空间位置后，便可计算得到a组标定体100与b组标定体200的三维相对位置关系。捕获得到标定体空间位置可以根据现有的立体视觉定位技术实现，具体不再赘述。空间立体定位设备4可以通过双目立体视觉系统实现，b组标定体200、a组标定体100为能够被双目立体视觉系统感测到的标定体，具体不做限制。

控制装置5连接处理装置3和空间立体定位设备4，三者可以集成在同一设备中或分设在不同设备中或者各自一台独立设备。控制装置5接收处理装置3的实际点空间位置数据和空间立体定位设备4的a组标定体100与b组标定体200之间的三维相对位置关系，由于，患者的目标实际点与b组标定体200的空间位置关系已知，a组标定体100与b组标定体200之间的空间位置关系已知，a组标定体100与手术机械臂1的空间位置关系已知，从而根据三维相对位置关系和实际点空间位置数据控制手术机械臂1移动至目标实际点的空间位置。

通过在手术机械臂1上固定a组标定体100，得到手术机械臂1与a组标定体100之间的空间位置关系；通过在透视设备2上固定b组标定体200，得到接收板22与b组标定体200之间的位置关系；通过a组标定体100和b组标定体200之间的空间位置关系得到手术机械臂1与透视设备2之间的位置关系；通过透视设备2拍摄的至少两个关于患者病患部位的透视图像，操作者只需在透视图像上点选针对同一部位点的投影点，根据光源21与接收板22之间的空间位置关系，便可得到该部位点的实际点三维位置，从而便确定该实际点与手术机械臂1之间的空间位置关系，依此可控制机械臂移动至实际点定位；无需在手术前进行ct扫描三维建模及手术规划，降低辐射危害，也减少了患者手术等待的时间；可以在术前或术中进行定位，操作者只需要点选透视图像中的部位点，不需要进行手术规划或者根据标记件的显影来控制手术机械臂1的移动达到定位目的，降低了操作复杂度与定位的难度，提高了定位的自动化控制程度；标定体不会影响手术部位，通过图像点选确定位置关系后控制手术机械臂1的行程，可提高定位精确度。

同理也可推广到超过两个平面的立体定位系统，过程中再拍摄一个或多个平面透视，也可类似的通过刚体和映射，再直线方程算交点，不限于双平面拍摄定位。

在一个实施例中，处理装置3可以包括：图像采集处理模块，关系映射模块和空间位置数据生成模块。在本实施例中，以两个透视图像为例，可以理解，三个以上透视图像在本实施例中同样适用。

图像采集处理模块接收透视设备2的两个透视图像，当然这两个透视图像是针对患者部位从不同角度拍摄获得的。图像采集处理模块还接收外部输入指令，外部输入指令例如是鼠标输入、屏幕输入、键盘输入等方式输入产生。图像采集处理模块根据外部输入指令在每个透视图像中选定一目标投影点。由于透视图像与图像接收平面是对应的，两者之间可以有尺寸的缩放，但不影响位置对应，因而在透视图像上点选相当于在图像接收平面对应位置点选。参看图2，在图像接收平面g1上点选目标投影点q1，在图像接收平面g2上点选目标投影点q2，目标投影点q1、q2是实际部位点q在不同角度下拍摄形成的。

关系映射模块用以根据透视设备2两个拍摄角度的空间变化关系确定两个图像接收平面之间的位置关系，也就是确定图2中图像接收平面g1和g2之间的关系。由于光源l2和目标投影点q2的位置是相对于图像接收平面g2而言的，由于光源l1和目标投影点q1的位置是相对于图像接收平面g1而言的，为了计算实际点q的位置，需要知道两个图像接收平面g1和g2之间的相对关系。关系映射模块通过图像接收平面g1和g2之间的位置关系，将其中一图像接收平面g2上的目标投影点q2与其对应拍摄角度下的光源l2之间的位置关系(q2、l2)，映射为相对于另一图像接收平面g1的位置关系，以确定两个目标投影点q1、q2与各自光源l1、l2之间的投影线相交处的同一目标实际点q相对于另一图像接收平面g1的空间位置。

较佳的，处理装置3还连接空间立体定位设备4，空间立体定位设备4还用以捕获在两个不同拍摄角度下的b组标定体200的空间位置，以确定b组标定体200在两个拍摄角度下的相对位置关系，并将该相对位置关系传输至处理装置3中，作为透视设备2两个拍摄角度的空间变化关系。也就是图像接收平面g1对应的b组标定体200位置、与图像接收平面g2对应的b组标定体200位置，两者之间的关系，可以得到两个角度下b组标定体200的空间变化情况，从而由于接收板22与b组标定体200之间有固定位置关系，可以获得图像接收平面g1和g2之间的转换关系。通过感测b组标定体200的空间变化情况来确定拍摄角度的变化，可以使得透视设备2可以任意变换姿态进行拍摄，操作起来更方便，而且无论怎样动作均可保证精度，避免动作超出预期而产生误差的问题。

或者，可选的，透视设备2两个拍摄角度的空间变化关系，可以预先设定，也就是在指定的拍摄角度下拍摄得到两个透视图像，从而透视图像之间的相对关系为已知，优选的，两个拍摄角度是垂直的，便于计算。

空间位置数据生成模块用以根据该另一图像接收平面g1与其对应拍摄角度下的b组标定体之间的空间关系，结合关系映射模块计算得到的目标实际点q相对于另另一图像接收平面g1的空间位置，确定同一目标实际点q相对于该b组标定体的空间位置，生成实际点空间位置数据。

将两个拍摄角度下的光源和目标投影点之间的位置关系转换为了相对于同一图像接收平面而言，计算两个交点光源和目标投影点之间的投影线相交处交点位置确定实际点的位置，通过点选的两个二维位置得到了目标实际点的三维位置，可以通过在透视图像上点选而将手术机械臂定位到任意希望定位的位置，十分有利于手术进行。

更具体来说，继续参看图2，图像采集处理模块在两个透视图像中分别选定一目标投影点q1、q2，确定两个目标投影点q1、q2在各自图像接收平面g1、g2的第一位置点(x1，y1)、第二位置点(x2，y2)。第一位置点(x1，y1)、第二位置点(x2，y2)是分别以图像接收平面g1、g2为xy平面的局部二维坐标系确定的二维位置点，将二维转为以图像接收平面g1、g2为xy平面的三维坐标系的三维位置点，第一位置点(x1，y1)转为(x1，y1，0)、第二位置点(x2，y2)转为(x2，y2，0)，转换可以在关系映射模块中进行。

关系映射模块根据b组标定体200在两个拍摄角度下的相对位置关系确定两个图像接收平面之间的空间变化矩阵s：其中，为第一拍摄角度下的b组标定体200确定的坐标系，为第二拍摄角度下的b组标定体200确定的坐标系，两个坐标系的建立方式相同，具体建立方式将在下面给出一具体实施例，但不作为限制。

关系映射模块通过空间变化矩阵s将第二图像接收平面g2的第二位置点(x2，y2)(转为三维点(x2，y2，0))与其对应拍摄角度下的光源(xb，yb，zb)之间的位置关系映射为相对于第一图像接收平面g1的位置关系：

(x′2，y′2，z′2)＝s(x2，y2，0)......(1)，(x′b，y′b，z′b)＝s·(xb，yb，zb)、......(2)，

根据(1)和(2)确定空间变化后的第二位置点(x′2，y′2，z′2)和光源(x′b，y′b，z′b)之间的直线方程(3)，

关系映射模块在第一图像接收平面g1确定第一位置点(x1，y1)(转为三维点(x1，y1，0))和其对应拍摄角度下的光源(xa，ya，za)之间的直线方程(4)，

关系映射模块联立计算上述公式(3)和(4)得到便可得到两个直线方程的交点(x，y，z)，即同一目标实际点q相对于第一图像接收平面g1的空间位置。

空间位置数据生成模块根据接收板与b组标定体200之间的位置关系(相当于图像接收平面与对应角度下b组标定体200之间的关系)，将关系映射模块得到的同一目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置转换为同一目标实际点相对于b组标定体200之间的空间位置，生成实际点空间位置数据。

在一个实施例中，a组标定体和b组标定体200均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。三个标定体便可建立起对应的局部三维坐标系，作为一个整体来计算与其他部件之间的位置关系，计算的位置更为准确，也便于计算。

可选的，处理装置、空间立体定位设备或控制装置，均可根据空间立体定位设备测得的每组三个标定体的空间位置建立该组标定体局部o-xyz坐标系，坐标中心x轴方向定义为方向，y轴方向定义为方向，z轴方向定义为方向，该坐标建立的方式适用于a组标定体100和b组标定体200，例如前述实施例中的第一拍摄角度下的b组标定体200确定的坐标系第二拍摄角度下的b组标定体200确定的坐标系

在一个实施例中，控制装置包括：数据获取模块，位置数据处理模块和行程控制模块。

数据获取模块用以接收处理装置的实际点空间位置数据和空间立体定位设备的a组标定体100与至少一拍摄角度下的b组标定体200的三维相对位置关系。在处理装置已经完成图像接收平面对应的光源和目标投影点的空间变化后，便只需要变化到的空间中的图像接收平面的位置，因而获得该图像接收平面对应的b组标定体200与a组标定体100三维相对位置关系即可，当然获得两个拍摄角度下的三维相对位置关系也可以。

位置数据处理模块用以根据a组标定体100的至少三个标定体的位置数据建立a三维坐标系，根据a组标定体100与手术机械臂待定位点的位置关系，确定待定位点在a三维坐标系中的位置。位置数据处理模块根据b组标定体200的至少三个标定体的位置数据建立b三维坐标系，根据a组标定体100与b组标定体200的相对位置关系，将待定位点在a三维坐标系中的位置映射到b三维坐标系中，得到待定位点在b三维坐标系中的坐标值。位置数据处理模块根据目标实际点相对于b组标定体200的空间位置确定目标实际点在b三维坐标系中的坐标值。位置数据处理模块根据待定位点的坐标值和目标实际点的坐标值确定手术机械臂待定位点的行程，生成行程控制指令。

行程控制模块用以接收位置数据处理模块的行程控制指令，根据行程控制指令控制手术机械臂1动作，以使其待定位点移动至目标实际点处。

在一个实施例中，手术机械臂1上安装有手术工具或者手术辅助工具6，例如是手术刀、电钻、克氏针、套筒等。控制装置控制手术机械臂1动作，以带动手术工具或者手术辅助工具6的待定位点(例如末端)移动至目标实际点的空间位置。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。