一种定位标尺及标志点定位方法与流程

本发明涉及空间定位技术领域，具体涉及一种定位标尺及标志点定位方法。

背景技术：

随着人机交互技术的发展，越来越多的手术机器人被用于辅助医生进行手术。为了提高手术精度，减少透视辐射，则需要对手术的目标位置进行准确的空间定位。

现阶段，通常将现有的定位标尺作为空间定位的参考基准。具体的，现有的定位标尺通常基于双平面定位算法的原理，在进行双平面定位时，首先，在每个平面的前后坐标系中设置三个标记点，将现有的定位标尺安于x光(x-ray)光源和x光成像设备之间，并调整x光(x-ray)光源使得光源的光轴与定位标尺的标记点垂直，以使得生成的x光透视图像中同时包括有手术部位及坐标系标记点。然后，可以基于比例变换原理计算目标位置的坐标。

现有技术中，在实操中，受手术情况的限制，通常需要多次调整位置才可以使得光轴与定位标尺的标记点垂直，导致定位耗时较长，从而导致定位效率较低。

技术实现要素：

由于存在以上技术问题，本发明实施例提出一种定位标尺及标志点定位方法。

第一方面，本发明实施例提出一种定位标尺，包括第一平面板、第二平面板及连接面板；所述第一平面板和第二平面板不相交；所述第一平面板和第二平面板通过所述连接面板连接；

其中，所述第一平面板、第二平面板及连接面板均透x光；所述第一平面板和第二平面板上分别设置有四个标志点，且每个标志点均为不透x光部件。

可选的，所述连接面板的厚度、所述第一平面板的厚度及所述第二平面板的厚度均相同；所述连接面板为平面板或曲面板；

所述连接面板底面的下表面设置有第一连接接口，所述第一连接接口用于连接多自由度把持装置。

可选的，所述连接面板的一个侧面设置有第二连接接口，所述第二连接接口用于连接光学跟踪装置。

可选的，所述每个标志点均为不透x光的硬质小球；每个平面板上设置的四个标志点中，任意两个标志点的间距均不同；所述第一平面板上设置的标志点对应的交比，与第二平面板上设置的标志点对应的交比不同。

第二方面，本发明实施例还提出一种由第一方面所述的定位标尺执行的标志点识别方法，包括：

确定定位标尺的每个平面板上的标志点对应的基准交比，通过医学成像设备拍摄定位标尺的x光透视图像，在所述x光透视图像中提取八个标志点的坐标，并根据所述八个标志点的坐标在所述八个标志点中选取一个基准标志点；

在除所述基准标志点之外的七个标志点中确定三个共线标志点与所述基准标志点四点共线，确定所述基准标志点和所述三个共线标志点的顺序，并确定除所述基准标志点和所述三个共线标志点之外的四个标志点的顺序；

确定所述基准标志点和所述三个共线标志点的第一实际交比，及除所述基准标志点和所述三个共线标志点之外的四个标志点的第二实际交比；

基于所述基准交比、所述第一实际交比及所述第二实际交比确定所述x光透视图像中的八个标志点在定位标尺上的位置。

可选的，所述根据所述八个标志点的坐标在所述八个标志点中选取一个基准标志点，包括：

确定所述八个标志点的坐标中的x坐标值/y坐标值，选取所有x坐标值/y坐标值中的最大/小值，将所述最大/小值对应的标志点确定为基准标志点。

可选的，所述在除所述基准标志点之外的七个标志点中确定三个共线标志点与所述基准标志点四点共线，包括：

计算所述基准标志点与除基准标志点之外的每个标志点的向量，得到七个向量，并计算所述七个向量中任意两个向量的叉积；

计算每个叉积的模，对所有叉积的模进行升序排列，将序列中的前三个叉积的模对应的三个标志点，确定为与所述基准标志点四点共线的三个共线标志点。

可选的，所述确定所述基准标志点和所述三个共线标志点的顺序，包括：

将所述基准标志点和所述三个共线标志点确定为第一组标志点，计算所述第一组标志点中任意两个标志点的距离；

基于所述任意两个标志点的距离确定所述基准标志点和所述三个共线标志点的顺序；

所述确定除所述基准标志点和所述三个共线标志点之外的四个标志点的顺序，包括：

将除所述基准标志点和所述三个共线标志点之外的四个标志点确定为第二组标志点，计算所述第二组标志点中任意两个标志点的距离；

基于所述任意两个标志点的距离确定除所述基准标志点和所述三个共线标志点之外的四个标志点的顺序。

可选的，所述基于所述基准交比、所述第一实际交比及所述第二实际交比确定所述x光透视图像中的八个标志点在定位标尺上的位置，包括：

确定所述定位标尺的每个平面板上标志点对应的基准交比中，是否存在与所述第一实际交比相同的第一基准交比；

若存在与所述第一实际交比相同的第一基准交比，则确定所述基准标志点和所述三个共线标志点的位置为所述第一基准交比对应的标志点；

确定所述定位标尺的每个平面板上标志点对应的基准交比中，除所述第一基准交比外的第二基准交比是否与所述第二实际交比相同；

若除所述第二基准交比是否与所述第二实际交比相同，则确定除所述基准标志点和所述三个共线标志点之外的四个标志点的位置为所述第二基准交比对应的标志点。

可选的，确定交比的计算公式为：

其中，r表示交比，a，b，c，d分别表示四个共线标志点，r(a，b，c，d)表示标志点a，b，c，d的交比；ac表示标志点a和c的距离；bc表示标志点b和c的距离；ad表示标志点a和d的距离；bd表示标志点b和d的距离。

由上述技术方案可知，本发明实施例通过确定定位标尺的每个平面板上标志点对应的基准交比、x光透视图像基准标志点和三个共线标志点的第一实际交比，及除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的第二实际交比，并基于前述基准交比、第一实际交比及第二实际交比确定所述x光透视图像中的八个标志点在定位标尺上的位置。这样，一方面，无需调整定位标尺的角度，基于在任意角度拍摄的x光透视图像均可以进行标志点定位，从而可以有效减少定位耗时，提高定位效率，并可以有效缩短手术耗时；同时，标志点的定位也不会受光轴与定位标尺的角度影响，从而还可以有效提高定位精度。另一方面，由于x光成像设备视野通常较小，标志点定位时通常需要采集两张不同角度的x光透视图像，而本发明提供的标志点定位方法基于定位标尺的两个平面板，通过一次拍摄即可获得所需的x光透视图像，从而可以减少手术过程中的x光透视次数，有效降低辐射、缩短手术时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种定位标尺的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种标志点定位方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种标志点的分布示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种标志点的分布示意图；

图5为本发明一实施例提供的一种x光透视图像示意图；

图6为本发明一实施例提供的一种射影变换示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了本实施例提供的一种定位标尺，包括第一平面板2、第二平面板3及连接面板1；所述第一平面板2和第二平面板3不相交；所述第一平面板2和第二平面板3通过所述连接面板1连接；图1中连接面板1包括用于第一平面板2和第二平面板3的各个侧面的面板。

其中，所述第一平面板2、第二平面板3及连接面板1均透x光，所述第一平面板2和第二平面板3上分别设置有四个标志点21和31，且每个标志点均为不透x光部件。其中，四个标志点21设置在第一平面板2上，四个标志点31设置在第二平面板3上。

进一步地，所述连接面板1的厚度、所述第一平面板2的厚度及所述第二平面板3的厚度均相同，如假设第一平面板2的厚度为1mm，则连接面板1的厚度及所述第二平面板3的厚度均为1mm；所述连接面板1可以为平面板或曲面板；

所述连接面板1底面的下表面设置有第一连接接口11，所述第一连接接口11用于连接多自由度把持装置。

其中，第一连接接口11即为图1中的柱形凸起结构，该柱形凸起结构可以是两个，也可以根据实际需要设定数量及大小，该柱形凸起结构可以用于连接多自由度把持装置等其他装置。

进一步地，连接面板1的一个侧面设置有第二连接接口4，第二连接接口4可以用于连接光学跟踪装置。

进一步地，每个标志点均为不透x光的硬质小球；每个平面板上设置的四个标志点中，任意两个标志点的间距均不同；所述第一平面板上设置的标志点对应的交比，与第二平面板上设置的标志点对应的交比不同。即第一平面板2上的四个标志点21对应的交比，与第二平面板3上的四个标志点31对应的交比不同。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的定位标尺包括两个不相交的平面板，每一平面均有标记点。这样，无需进行角度调整，在任意角度都能够进行x光透视图像的拍摄，从而可以有效减少定位耗时，有效提高定位效率，进而可以有效减小手术耗时。

图2示出了本实施例提供的一种标志点定位方法的流程示意图，本方法实施例是基于图1所示的定位标尺实现的，所述标志点定位方法，包括：

s201，确定定位标尺的每个平面板上的标志点对应的基准交比，通过医学成像设备拍摄定位标尺的x光透视图像，在x光透视图像中提取八个标志点的坐标，并根据八个标志点的坐标在八个标志点中选取一个基准标志点。

其中，所述基准交比指基于定位标尺的每个平面板上的四个标志点确定出的交比。

所述基准标志点指根据标志点的坐标选出的一个作为基准的标志点。

确定基准交比的计算公式为：

其中，r表示交比，a，b，c，d分别表示四个共线标志点，r(a，b，c，d)表示标志点a，b，c，d的交比；ac表示标志点a和c的距离；bc表示标志点b和c的距离；ad表示标志点a和d的距离；bd表示标志点b和d的距离。

在实施中，首先，可以确定定位标尺的每个平面板(即上述第一平面板和第二平面板)上的四个的标志点对应的基准交比，如可以基于第一平面板2的四个标志点21确定出第一平面板2的标志点对应的基准交比，基于第二平面板3的四个标志点31确定出第二平面板3的标志点对应的基准交比，参见图3，示出了第一平面板2的四个标志点21的一种分布情况，参见图4，示出了第二平面板3的四个标志点31的一种分布情况。然后，可以通过医学成像设备拍摄定位标尺的x光透视图像，即通过医学成像设备基于定位标尺的两个平面板及每个平面板上的标志点生成x光透视图像，并可以提取x光透视图像中每个标志点的坐标，此时，仅可识别出x光透视图像中的标志点，提取得到八个坐标，但是不同标志点和坐标的对应关系未知。参见图5，示出了定位标尺的一种x光透视图像。之后，可以根据前述x光透视图像中每个标志点的坐标在前述八个标志点中选一个作为基准标志点。

s202，在除基准标志点之外的七个标志点中确定三个共线标志点与基准标志点四点共线，确定基准标志点和三个共线标志点的顺序，并确定除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的顺序。

其中，所述共线标志点指与所述基准标志点四点共线的三个标志点。

在实施中，在确定出基准标志点之后，可以在除前述基准标志点之外的七个标志点中，确定出三个共线标志点与前述基准标志点四点共线，将这四个标志点确定为第一组标志点；除前述基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点为第二组标志点。然后，可以确定前述这两组标记点(即一组是基准标志点和三个共线标志点，另一组是除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点)的顺序，即可以确定第一组标志点中基准标志点和三个共线标志点的顺序，以及第二组标记点中除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的顺序。

s203，确定基准标志点和三个共线标志点的第一实际交比，及除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的第二实际交比。

其中，所述第一实际交比指基于前述基准标志点和三个共线标志点计算出的交比。

所述第二实际交比指基于除前述基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点计算出的交比。

确定基准交比的计算公式为：

其中，r表示交比，a，b，c，d分别表示四个共线标志点，r(a，b，c，d)表示标志点a，b，c，d的交比；ac表示标志点a和c的距离；bc表示标志点b和c的距离；ad表示标志点a和d的距离；bd表示标志点b和d的距离。

在实施中，在确定出与基准标志点四点共线的三个共线标志点，并确定基准标志点和三个共线标志点的顺序之后，可以基于前述基准标志点和三个共线标志点计算第一实际交比；确定除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的顺序之后，可以基于除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点，计算第二实际交比。

s204，基于基准交比、第一实际交比及第二实际交比确定x光透视图像中的八个标志点在定位标尺上的位置。

在实施中，在计算出基准交比、第一实际交比及第二实际交比之后，可以基于前述基准交比、第一实际交比及第二实际交比确定x光透视图像中的八个标志点(即前述两组标志点，一组是基准标志点和三个共线标志点，另一组是除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点)在定位标尺上的位置。

由上述技术方案可知，本发明实施例通过确定定位标尺的每个平面板上标志点对应的基准交比、x光透视图像基准标志点和三个共线标志点的第一实际交比，及除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的第二实际交比，并基于前述基准交比第一实际交比及第二实际交比确定所述x光透视图像中的八个标志点在定位标尺上的位置。这样，一方面，无需调整定位标尺的角度，基于在任意角度拍摄的x光透视图像均可以进行标志点定位，从而可以有效减少定位耗时，提高定位效率，并可以有效缩短手术耗时；同时，标志点的定位也不会受光轴与定位标尺的角度影响，从而还可以有效提高定位精度。另一方面，由于x光成像设备视野通常较小，标志点定位时通常需要采集两张不同角度的x光透视图像，而本发明提供的标志点定位方法基于定位标尺的两个平面板，通过一次拍摄即可获得所需的x光透视图像，从而可以减少手术过程中的x光透视次数，有效降低辐射、缩短手术时间。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，上述步骤s201中选取基准标志点的处理可以如下：确定八个标志点的坐标中的x坐标值/y坐标值，选取所有x坐标值/y坐标值中的最大/小值，将最大/小值对应的标志点确定为基准标志点。

在实施中，在选取基准标志点时，首先可以获取八个标志点中每个标志点的x坐标值或y坐标值。然后，可以在前述所有x坐标值或y坐标值中确定最大值或最小值，并可以将该最大值或最小值对应的标志点确定为基准标志点。如该基准标志点可以是前述八个标志点中x坐标值的最大值、x坐标值的最小值、y坐标值的最大值、y坐标值的最小值中任一个坐标值对应的标志点。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，可以根据向量的叉积确定共线标志点，相应的，上述步骤s202的部分处理可以如下：计算基准标志点与除基准标志点之外的每个标志点的向量，得到七个向量，并计算七个向量中任意两个向量的叉积；计算每个叉积的模，对所有叉积的模进行升序排列，将序列中的前三个叉积的模对应的三个标志点，确定为与基准标志点四点共线的三个共线标志点。

在实施中，在确定与基准标志点四点共线的三个共线标志点时，首先可以计算基准标志点与其他七个标志点间的向量，得到七个向量。然后，可以计算前述七个向量中每两个向量的叉积，得到21个叉积。之后，可以计算前述21个叉积中每个叉积的模，并可以对所有的叉积的模进行升序排列。之后，可以选取序列中前三个叉积的模，并确定这前三个叉积的模对应的三个标志点，将这三个标志点确定为与基准标志点四点共线的三个共线标志点。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，可以根据标志点的距离进行排序，相应的，上述步骤s202的处理可以如下：将基准标志点和三个共线标志点确定为第一组标志点，计算第一组标志点中任意两个标志点的距离；基于任意两个标志点的距离确定基准标志点和所述三个共线标志点的顺序；将除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点确定为第二组标志点，计算第二组标志点中任意两个标志点的距离；基于任意两个标志点的距离确定除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的顺序。

在实施中，可以将基准标志点和三个共线标志点确定为第一组标志点，并可以计算第一组标志点中任意两个标志点之间的距离。然后，可以根据前述任意两个标志点之间的距离确定第一组标志点中，基准标志点和所述三个共线标志点的顺序。假设最大距离为ad，最小距离cd，由此可以确定标志点a、c、d，另外一个标志点则为b。还可以将除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点确定为第二组标志点，并可以计算第二组标志点中任意两个标志点之间的距离。然后，可以基于前述计算出的任意两个标志点之间的距离，确定除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的顺序，即第二组标志点中的四个标志点的顺序。确定第二组标志点中四个标志点的顺序的具体处理与确定第一组标志点中的四个标志点的顺序的处理相同，在此不再赘述。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，基于基准交比、第一实际交比及第二实际交比确定x光透视图像中的八个标志点在定位标尺上的位置的处理可以如下：确定定位标尺的每个平面板上标志点对应的基准交比中，是否存在与第一实际交比相同的第一基准交比；若存在与第一实际交比相同的第一基准交比，则确定基准标志点和三个共线标志点的位置为第一基准交比对应的标志点；确定定位标尺的每个平面板上标志点对应的基准交比中，除第一基准交比外的第二基准交比是否与第二实际交比相同；若除第二基准交比是否与第二实际交比相同，则确定除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的位置为第二基准交比对应的标志点。

为使本发明实施例提供的方法更清楚，现对上述方法进行完整说明，具体的：步骤1、计算定位标尺的两不相交平面上标志点的交比，即基准交比。步骤2、对定位标尺的x光透视图像进行处理，识别出八个标志点(即球心)在x光透视图像上的坐标，标志点的识别顺序随机。步骤3、选取八个标志点中y坐标(或者x坐标二选一)最小(或者最大，二选一)的点为基准标志点。步骤4、在除基准点外的7个标志点中，找到三个共线标志点与基准标志点四点共线，具体的，分别计算基准标志点与其他七个标志点构成的向量，在七个向量两两之间计算叉积，得到21个叉积，并选择叉积的模最小的三个，构成这三组向量的三个标志点与基准标志点四点共线，即为与基准标志点共线的共线标志点。步骤5、将识别出的八个标志点分为两组：基准点和与其共线的三个点为第一组，其余四点为第二组。步骤6、计算每一组四个标志点两两之间的距离，并由距离大小确定四个标志点的顺序，如距离最大的两个标志点为ad(ad)，距离最小的两个标志点为cd(cd)，由此可以确定标志点a,c,d(a,c,d)，则剩下一个标志点为b(b)点。步骤7、计算排序后每组点的交比，即确定基准标志点和三个共线标志点的第一实际交比，及除基准标志点和三个共线标志点之外的四个标志点的第二实际交比；并根据交比不变，确定图像上的两组点分别对应的是定位标尺上的21标志点、31标志点。

其中，交比的计算方法为：参见图6，由有限次中心射影的积定义的两条直线间的一一对应变换称为一维射影变换，a，b，c，d分别表示四个共线标志点，a′，b′，c′，d′分别表示四个共线标志点a，b，c，d射影变换后对应的点，l1表示a，b，c，d分所在直线，l2表示a′，b′，c′，d所在直线。对于射影变换，有一个基本的不变量，称为交比不变量，以r表示。对于一维射影变换，交比的表达式为：

其中，r表示交比，a，b，c，d分别表示四个共线标志点，r(a，b，c，d)表示标志点a，b，c，d的交比；ac表示标志点a和c的距离；bc表示标志点b和c的距离；ad表示标志点a和d的距离；bd表示标志点b和d的距离。

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。

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。