CN111388089A - 治疗设备及其配准方法、配准装置 - Google Patents

治疗设备及其配准方法、配准装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种治疗设备，所述治疗设备包括摄像机构和机械臂，所述治疗设备还包括标定板，所述标定板上限定有标定平面；所述摄像机构包括参照板和拍摄方向可调节的摄像元件，所述摄像元件与所述参照板相对、且间隔设置，且所述参照板朝向所述摄像元件的表面为参考面；所述机械臂包括机械臂本体、固定端和操作端，所述固定端和所述操作端分别位于所述机械臂本体的不同位置处，所述机械臂本体能够通过所述固定端固定在安装基础上，所述标定板设置在所述操作端，且所述机械臂本体能够带动所述操作端移动至所述摄像元件与所述参照板之间，并带动所述标定板移动至所述标定平面与所述参考面平行。

Description

治疗设备及其配准方法、配准装置
技术领域
本公开涉及医疗器械领域，具体地，涉及一种治疗设备和该治疗设备的配准方法、以及所述治疗设备的配准装置。
背景技术
随着人工智能的发展，已经出现了用于治疗的机器人。但是，对于骨科治疗而言，机器人并未普及。
具体地，骨科治疗包括骨折复位。更进一步地，骨折复位又包括开放式复位和闭合式复位。相对于开放式复位而言，闭合式复位具有无创伤、恢复快、费用低等优点。尤其在闭合式复位过程中，尚无可靠的机器人应用，严重依赖于医生的经验。
发明内容
本公开的目的在于提供一种治疗设备、该治疗设备的配准方法和所述治疗设备的配准装置。
作为本公开的第一个方面，提供一种治疗设备，所述治疗设备包括摄像机构和机械臂，其中，所述治疗设备还包括标定板，所述标定板上限定有标定平面；
所述摄像机构包括参照板和拍摄方向可调节的摄像元件，所述摄像元件与所述参照板相对、且间隔设置，且所述参照板朝向所述摄像元件的表面为参考面；
所述机械臂包括机械臂本体、固定端和操作端，所述固定端和所述操作端分别位于所述机械臂本体的不同位置处，所述机械臂本体能够通过所述固定端固定在安装基础上，所述标定板设置在所述操作端，且所述机械臂本体能够带动所述操作端移动至所述摄像元件与所述参照板之间，并带动所述标定板移动至所述标定平面与所述参考面平行。
可选地，所述标定板包括标定板基体和设置在所述标定板基体上的多个标定件，多个所述标定件限定出所述标定平面。
可选地，多个所述标定件包括第一标定件、第二标定件和第三标定件，所述第一标定件与所述第二标定件之间的第一连线与所述第二标定件和所述第三标定件之间的第三连线互相垂直。
可选地，所述标定板基体为透明基体，所述标定件嵌入所述标定板基体中。
可选地，所述摄像元件为X光摄像元件，所述标定件为金属球。
可选地，所述治疗设备还包括设置在所述机械臂的操作端的夹具。
可选地，所述摄像机构还包括安装架，所述摄像元件和所述参照板均设置在所述安装架上。
可选地，所述安装架能够带动所述摄像元件和所述参照板移动，改变所述摄像元件的朝向，且所述摄像元件和所述参照板移动时，所述摄像元件和所述参照板之间的相对位置关系保持不变。
可选地，所述安装架包括基座和设置在所述基座上的安装臂，所述安装臂包括安装臂本体、形成在所述安装臂本体上的参照板安装端、和形成在所述安装臂本体上的摄像元件安装端，所述参照板安装端和摄像元件安装端相对、且间隔设置，所述参照板安装在所述参照板安装端，所述摄像元件设置在所述摄像元件安装端。
可选地，所述安装臂本体形成为弧形杆，所述摄像元件安装端位于所述安装臂本体的一端，所述参照板安装端位于所述安装臂本体的另一端，所述安装臂本体能够绕所述安装臂本体的圆心转动，以改变所述摄像元件的朝向。
可选地，所述基座和所述安装臂本体的一者上形成有滑槽，所述基座和所述安装臂本体的另一者上形成有与所述滑槽匹配的凸块，以使得所述安装臂本体能够在所述基座上产生绕所述安装臂本体的圆心的转动。
作为本公开的第二个方面，提供一种配准方法，所述配准方法用于本公开所提供的上述治疗设备，其中，所述配准方法包括：
驱动所述机械臂本体移动，以将所述标定板移动至所述摄像元件与所述参考面之间、所述标定平面与所述参考面平行，且所述标定平面位于治疗位置的高度处，所述参考面与水平面之间的角度为第一角度；
控制所述摄像元件拍照；
根据所述标定平面在拍摄获得的图像中的位置确定所述图像与机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述机械臂的坐标系设置在所述机械臂固定端，并且，所述机械臂的坐标系中的XY平面为水平面。
可选地，所述摄像元件为X光摄像元件，所述标定件为金属球，根据所述标定平面在拍摄获得的照片中的位置确定所述照片与机械臂的坐标系之间的配准关系包括：
确定所述机械臂本体的关节角度信息；
确定各个所述标定件的球心在所述图像的坐标系中的坐标；
计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标；
通过坐标变换确定所述图像的坐标系与所述机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述配准关系由图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的平移参数、图像坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转参数、图像的缩放比例来表征。
可选地，所述第一角度为0°，在计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标的步骤中，计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Y坐标。
可选地，通过坐标变换确定所述图像与所述机械臂的坐标系之间的配准关系的步骤包括：
利用公式(1)确定平移参数；
Figure BDA0002417010250000031
通过公式(2)至公式(4)计算旋转参数：
θ＝A-a (2)
Figure BDA0002417010250000032
Figure BDA0002417010250000033
通过公式(5)计算图像的缩放比例：
Figure BDA0002417010250000034
其中，Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离、Dy为图像的坐标系的y坐标相对于机械坐标系的y坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp2为第二标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp3为第三标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
L为第一标定件和第二标定件之间的距离；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度；
α为图像缩放比例。
可选地，所述第一角度为90°，在计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标的步骤中，计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Z坐标。
可选地，通过坐标变换确定所述图像与所述机械臂的坐标系之间的配准关系的步骤包括：
利用公式(6)确定平移参数；
Figure BDA0002417010250000041
通过公式(7)至公式(9)计算旋转参数：
θ＝A-a (7)
Figure BDA0002417010250000042
Figure BDA0002417010250000043
Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离；
Dz为图像的坐标系的z坐标相对于机械坐标系的z坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp2为第二标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp3为第三标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
L为第一标定件和第二标定件之间的距离；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度。
作为本公开的第三个方面，提供一种配准控制装置，所述配准控制装置用于本公开所提供的上述治疗设备，其中，所述配准控制装置包括：
驱动机构，用于驱动所述机械臂本体移动，以将所述标定板移动至所述摄像元件与所述参考面之间、所述标定平面与所述参考面平行，且所述标定平面位于治疗位置的高度处，所述参考面与水平面之间的角度为第一角度；
拍照控制其，用于控制所述摄像元件拍照；
配准处理器，用于根据所述标定平面在拍摄获得的图像中的位置确定所述图像与机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述机械臂的坐标系设置在所述机械臂固定端，并且，所述机械臂的坐标系中的XY平面为水平面。
可选地，所述摄像元件为X光摄像元件，所述标定件为金属球，所述配准模块还包括：
关节角度确定单元，用于确定所述机械臂本体的关节角度信息；
图像识别单元，用于确定各个所述标定件的球心在所述图像的坐标系中的坐标；
坐标计算单元，用于计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标；
配准单元，用于通过坐标变换确定所述图像的坐标系与所述机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述配准关系由图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的平移参数、图像坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转参数、图像的缩放比例来表征。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开所提供的治疗设备处于第一治疗位置；
图2是本公开所提供的治疗设备处于第二治疗位置；
图3是本公开所提供的治疗设备的结构示意图；
图4是标定板的示意图；
图5是拍摄图像的示意图；
图6是本公开所提供的配准方法的流程图；
图7是本公开所提供的配准方法中，步骤S130的流程图；
图8是本公开所提供的配准装置的模块示意图；
图9是本公开所提供的配准装置中，配准处理器的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
作为本公开的一个方面，提供一种治疗设备，所述治疗设备包括摄像机构200和机械臂300，其中，如图1所述治疗设备还包括标定板100，该标定板100上限定有标定平面A。
摄像机构200包括参照板210和拍摄方向可调节的摄像元件220，摄像元件220与参照板210相对、且间隔设置，且参照板210朝向摄像元件220的表面为参考面B。需要指出的是，参照板210和摄像元件220之间的相对位置关系保持不变。
机械臂300包括机械臂本体310、固定端F和操作端O，固定端F和操作端O分别位于机械臂本体300的不同位置处，机械臂本体310能够通过固定端F固定在安装基础上，标定板100设置在操作端O，且机械臂本体310能够带动操作端O移动至摄像元件220与参照板210之间，并带动标定板100移动至标定平面A与参考面B平行。
在利用本公开所提供的治疗设备进行治疗时，首先需要进行机械臂与摄像元件220所拍摄的图像之间的配准。
在进行配准时，需要将操作端O移动至摄像元件220和参照板210之间，然后将待治疗的部位与操作端O相连。调整标定板100的位置，使得标定板100的标定平面A与参照板210的参考面B平行，并且将标定板的标定平面A设置在与待治疗部位等高的位置。
由于参照板210与摄像元件220相对，因此，在进行配准时拍摄到的照片包括标定平面A和待治疗部位的图像，并且所述图像的坐标系与标定平面A的坐标系是相同的。利用标定平面A的坐标系与机械手的坐标系进行配准，即可实现摄像元件220所拍摄的图像中的坐标系与机械手的坐标系之间的配准。
经过配准后，确定机械手300的坐标系与摄像元件220拍摄图像的坐标系之间的转换关系，从而可以确定机械臂300的操作端330的移动距离、以及移动至的位置，从而可以更加精确地执行闭合式复位。
由于所述标定平面与所述参考平面平行，因此，标定平面的坐标与摄像元件拍摄的图像的坐标是相同的，由于标定板设置在机械臂上，从而可以容易地确定标定板与机械臂的坐标系之间的配准关系。
在利用本公开所提供的配准方法进行配准时，不需要进行图像三维重建，不需要在待治疗部位上固定标记点，不会带来额外创伤，减小患者伤痛，并且使用简单方便。
作为一种可选实施方式，所述配准包括“正位配准”和“侧位配准”两个方面，因此，在利用所述治疗设备在进行治疗时，需要正位配准和侧位配准。图1中所示的是本公开所提供的治疗设备进行正位配准时的示意图。如图1所示，将摄像元件220和参照板210沿竖直方向间隔设置，并将标定板100设置在待治疗部位等高的位置处，且标定平面A与机械臂300的XY平面平行，然后利用摄像元件220进行拍照。
图2中所示的是侧位配准时的示意图，如图2中所示，改变标定板100的标定平面A的朝向，使得标定平面A与机械臂的XZ平面平行。调整摄像元件220与参照板210位置，使得摄像元件220与参照板210沿水平方向间隔设置，并使得参照板210的参照面B与标定半100的标定平面A平面保持平行。随后利用摄像元件220进行拍照，并完成图像坐标与机械臂300的坐标之间的侧位配准。
在利用本公开实施例所提供的治疗设备进行治疗时，可以实现图像坐标与机械臂坐标之间的配准，以在对机械臂进行操作时，精确地控制机械臂的移动，并更精确地实现治疗。
在本公开中，对如何具体设置摄像元件220和参照板210并不做特殊的限定，只要能够保证摄像元件220与参照板210间隔、且二者之间的相对位置关系保持不变即可。为了简化摄像机构的结构，可选地，如图1和图2所示，所述摄像机构还包括安装架230，摄像元件220和参照板210均设置在安装架230上。
在本公开中，可以通过整体移动摄像机构200的姿态的方式来改变摄像元件220和参照板210与机械臂300之间的相对位置关系。
作为一种可选实施方式，安装架230能够带动摄像元件220和参照板210移动，改变摄像元件220的朝向，且摄像元件220和参照板210移动时，摄像元件220和参照板210之间的相对位置关系保持不变。
在本公开中，对安装架的具体结构不做特殊的限定，如图3所示，所述安装架可以包括基座240和设置在该基座240上的安装臂，该安装臂包括安装臂本体230、形成在安装臂本体230上的参照板安装端、和形成在安装臂本体230上的摄像元件安装端，所述参照板安装端和摄像元件安装端相对、且间隔设置，参照板210安装在所述参照板安装端，摄像元件220设置在所述摄像元件安装端。
在本公开中，对安装臂本体230的具体结构不做特殊的限定，例如，在图3中所示的实施方式中，安装臂本体230形成为弧形杆，摄像元件220安装端位于安装臂本体230的一端，参照板210安装端位于安装臂本体230的另一端。并且，安装臂本体230可以绕该安装臂本体230的圆心转动，以改变摄像元件220得朝向。
由于安装臂本体230为刚性的弧形杆，一旦摄像元件220和参照板210安装在安装臂本体230上之后，摄像元件220与参照板210之间的相对位置关系即可以保持不变。
在本公开中，对安装臂本体230的圆心角不做特殊限定，作为一种可选实施方式，安装臂本体230为半圆形杆，这样安装臂本体230旋转90°，可以实现在正位配准的位置和侧位配准的位置之间切换。
在本公开中，对如何实现安装臂本体230绕自身圆心旋转不做特殊限定。作为一种可选实施方式，基座240和安装臂本体230的一者上形成有滑槽，基座240和安装臂本体230的另一者上形成有与所述滑槽匹配的凸块，以使得安装臂本体230能够在基座240上产生绕安装臂本体230的圆心的转动。
在本公开中，对标定板100的具体结构也不做特殊的限定，只要标定板100能够被摄像元件220所拍摄即可。为了便于在摄像元件220所拍摄的图像中识别标定板100的标定平面A，可选地，如图4所示，标定板100包括标定板基体110和设置在标定板基体110上的多个标定件，多个所述标定件限定出所述标定平面。
在图4中所示的具体实施方式中，标定板100上设置的多个标定件分别为第一标定件121、第二标定件122和第三标定件123。可选地，第一标定件121与第二标定件之间的第一连线与第二标定件122和第三标定件123之间的连线互相垂直。
通过识别摄像元件220所拍摄的图像中的标定件，可以快速地建立图像的坐标系，并将所述图像的坐标系与机械臂300的坐标系进行配准。
为了便于设置标定板、且避免标定板影响摄像元件所拍摄的图像中目标物(例如，受伤骨骼)造成影响，可选地，标定板基体110为透明基体，所述标定件嵌入标定板基体110中。摄像元件220拍摄获得的图像中，标定板基体110并不明显，因此，可以容易地识别出标定件的位置，并快速地确定图像坐标系。
本公开所提供的治疗设备可以用于骨科治疗，可选地，摄像元件220为X光摄像元件，所述标定件为金属球。可选地，标定板基体110可以由有机玻璃制成。
图5中所示的是摄像元件220拍摄的图像的示意图，从途中可以明显地看到骨骼图像、第一标定件121的图像、第二标定件122的图像和第三标定件123的图像。
本公开所提供的治疗设备尤其适用于进行长骨骨折的闭合式复位，在进行所述闭合式复位时，仅通过设置在待治疗部位外部的标定板100即可实现配准，无需在伤患处打上金属钉，降低了治疗带来的痛苦。
为了便于对待治疗部位进行操作，可选地，所述治疗设备还包括设置在所述机械臂的操作端的夹具400。可以利用夹具400对待治疗部位进行夹持。
可选地，所述治疗设备还可以包括支撑件500，在利用所述治疗设备进行长骨骨折的闭合式复位时，患者支撑在支撑件500上，并且，夹具400夹持患者的身体部位。具体地，长骨的第一断裂部A1支撑在支撑件500上，长骨的第二断裂部A2由夹具400夹持。所述治疗设备利用摄像元件220拍摄的医学图像作为引导，通过多自由度的机械臂夹持患者骨折两端进行运动，实现骨折断裂处两端的对齐。
作为本公开的第二个方面，提供一种配准方法，所述配准方法用于本公开所提供的上述治疗设备，其中，如图6所示，所述配准方法包括：
在步骤S110中，驱动所述机械臂本体移动，以将所述标定板移动至所述摄像元件与所述参考面之间、所述标定平面与所述参考面平行，且所述标定平面位于治疗位置的高度处，所述参考面与水平面之间的角度为第一角度；
在步骤S120中，控制所述摄像元件拍照；
在步骤S130中，根据所述标定平面在拍摄获得的图像中的位置确定所述图像与机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述机械臂的坐标系设置在所述机械臂固定端，并且，所述机械臂的坐标系中的XY平面为水平面。
由于所述标定平面与所述参考平面平行，因此，标定平面的坐标与摄像元件拍摄的图像的坐标是相同的，由于标定板设置在机械臂上，从而可以容易地确定标定板与机械臂的坐标系之间的配准关系。
在利用本公开所提供的配准方法进行配准时，不需要进行图像三维重建，不需要在待治疗部位上固定标记点，不会带来额外创伤，减小患者伤痛，并且使用简单方便。
如上文中所述，作为一种可选实施方式，所述摄像元件为X光摄像元件，所述标定件为金属球，如图7所示，步骤S130可以包括：
在步骤S131中，确定所述机械臂本体的关节角度信息；
在步骤S132中，确定各个所述标定件的球心在所述图像的坐标系中的坐标；
在步骤S133中，计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标；
在步骤S134中，通过坐标变换确定所述图像与机械臂的坐标系之间的配准关系。
如上文中所述，“配准”可以包括“正位配准”和“侧位配准”，相应地，在本公开所提供的配准方法中，当所述第一角度为0°，所述参考面与水平面平行，从而可以实现正位配准。相应地，在步骤133中，计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Y坐标。
通过图像识别得到第二标定件122的球心在图像的坐标系(单位为像素)下的坐标为(xp2,yp2)，第三标定件123球心图像的坐标系下的表示为(xp3,yp3)。
根据标定板在机械臂上的安装位置，得到第二标定件122的球心在机械臂坐标系下的坐标的X和Y值为(xr2,yr2)，第三标定件123球心在机械臂坐标系下的坐标的X和Y值为(xr3,yr3)。
第二标定件122和第一标定件121的实际物理距离为L，因此，图像与实际世界的缩放比例α＝|xp2|/L。根据缩放比例α和第二标定件122、第三标定件123分别在图像坐标系和机械臂坐标系下的表示(xp2,yp2)、(xp3,yp3)、(xr2,yr2)和(xr3,yr3)，利用现有的二维坐标变换算法，可得到图像的坐标系与机械臂的X-Y坐标系的配准关系。
常用的二维坐标变换算法有直接参数法、最小二乘法等，由于本公开只用第二标定件122和第三标定件123两个公共点的坐标，只有直接参数法适合。实现步骤如下：
通过公式(1)计算平移参数：
Figure BDA0002417010250000101
通过公式(2)至公式(4)计算旋转参数：
θ＝A-a (2)
Figure BDA0002417010250000111
Figure BDA0002417010250000112
通过公式(5)计算图像的缩放比例：
Figure BDA0002417010250000113
其中，Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离、Dy为图像的坐标系的y坐标相对于机械坐标系的y坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp2为第二标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp3为第三标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
L为第一标定件和第二标定件之间的距离；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度；
α为图像缩放比例。
在进行侧位配准时，所述第一角度为90°，在计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标的步骤中，计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Z坐标。
通过图像识别得到第二标定件122的球心在图像的坐标系(单位为像素)下的坐标为(xp2,zp2)，第三标定件123球心图像的坐标系下的表示为(xp3,zp3)。
根据标定板在机械臂上的安装位置，得到第二标定件122的球心在机械臂坐标系下的坐标的X和Z值为(xr2,zr2)，第三标定件123球心在机械臂坐标系下的坐标的X和Z值为(xr3,yr3)。
第二标定件122和第一标定件121的实际物理距离为L，因此，图像与实际世界的缩放比例α＝|xp2|/L。根据缩放比例α和第二标定件122、第三标定件123分别在图像坐标系和机械臂坐标系下的表示(xp2,zp2)、(xp3,zp3)、(xr2,zr2)和(xr3,zr3)，利用现有的二维坐标变换算法，可得到图像的坐标系与机械臂的X-Z坐标系的配准关系。
利用公式(6)确定平移参数；
Figure BDA0002417010250000121
通过公式(7)至公式(9)计算旋转参数：
θ＝A-a (7)
Figure BDA0002417010250000122
Figure BDA0002417010250000123
Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离；
Dz为图像的坐标系的z坐标相对于机械坐标系的z坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp2为第二标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp3为第三标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
L为第一标定件和第二标定件之间的距离；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度。
需要指出的是，所述配准并不局限于上文中所述的“正位配准”和“侧位配准”两个方面。当待治疗的部位情况复杂时，可以引入其他位置的配准。也就是说，所述第一角度可以为0°和90°之外的其他角度。
作为本公开的第三个方面，提供一种配准控制装置，所述配准控制装置用于本公开所提供的上述治疗设备，其中，如图8所示，所述配准控制装置包括驱动机构810、拍照控制器820、配准处理器830。
驱动机构810用于驱动所述机械臂本体移动，以将所述标定板移动至所述摄像元件与所述参考面之间、所述标定平面与所述参考面平行，且所述标定平面位于治疗位置的高度处，所述参考面与水平面之间的角度为第一角度。
拍照控制器820用于控制所述摄像元件拍照。
配准处理器830用于根据所述标定平面在拍摄获得的图像中的位置确定所述图像与机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述机械臂的坐标系设置在所述机械臂固定端，并且，所述机械臂的坐标系中的XY平面为水平面。
所述配准控制装置用于执行本公开所提供的上述配准方法，上文中已经对所述配准方法的工作原理进行了详细的描述，这里不再赘述。
在本公开中，对驱动机构810的具体结构不做特殊的限定。驱动机构810可以选自液压驱动机构、气压驱动机构、电气驱动机构和机械驱动机构中的任意一者。
在本公开中，对拍照控制器820的具体结构也不做特殊的限定，例如，拍照控制器820可以为电动快门。当电动快门接收到上位机(例如，由操作人员控制的电脑)发出的拍照信号时，可以动作，以使得摄像元件开始拍照。
在本公开中，对配准处理器830的具体结构也不做特殊的限定，配准处理器可以为具有计算能力的芯片。
可选地，所述摄像元件为X光摄像元件，所述标定件为金属球，如图9所示，配准模块830包括关节角度确定单元831、图像识别单元832、坐标计算单元833和配准单元834。
关节角度确定单元831用于确定所述机械臂本体的关节角度信息。
图像识别单元832用于确定各个所述标定件的球心在所述图像的坐标系中的坐标。
坐标计算单元833用于计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标。
配准单元834用于通过坐标变换确定所述图像的坐标系与所述机械臂的坐标系之间的配准关系。其中，所述配准关系由图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的平移参数、图像坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转参数、图像的缩放比例来表征。
可选地，所述第一角度为0°，所述坐标计算单元用于计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Y坐标。
可选地，所述配准单元用于通过以下步骤确定所述图像的坐标系与所述机械臂的坐标系之间的配准关系：
通过公式(1)计算平移参数：
Figure BDA0002417010250000141
通过公式(2)至公式(4)计算旋转参数：
θ＝A-a (2)
Figure BDA0002417010250000142
Figure BDA0002417010250000143
通过公式(5)计算图像的缩放比例：
Figure BDA0002417010250000144
其中，Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离、Dy为图像的坐标系的y坐标相对于机械坐标系的y坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp2为第二标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp3为第三标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
L为第一标定件和第二标定件之间的距离；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度；
α为图像缩放比例。
可选地，所述第一角度为90°，所述计算单元用于计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Z坐标。
可选地，所述配准单元用于通过以下步骤确定所述图像的坐标系与所述机械臂的坐标系之间的配准关系：
利用公式(6)确定平移参数；
Figure BDA0002417010250000151
通过公式(7)至公式(9)计算旋转参数：
θ＝A-a (7)
Figure BDA0002417010250000152
Figure BDA0002417010250000153
Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离；
Dz为图像的坐标系的z坐标相对于机械坐标系的z坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp2为第二标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp3为第三标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (18)

1.一种治疗设备，所述治疗设备包括摄像机构和机械臂，其特征在于，所述治疗设备还包括标定板，所述标定板上限定有标定平面；
所述摄像机构包括参照板和拍摄方向可调节的摄像元件，所述摄像元件与所述参照板相对、且间隔设置，且所述参照板朝向所述摄像元件的表面为参考面；
所述机械臂包括机械臂本体、固定端和操作端，所述固定端和所述操作端分别位于所述机械臂本体的不同位置处，所述机械臂本体能够通过所述固定端固定在安装基础上，所述标定板设置在所述操作端，且所述机械臂本体能够带动所述操作端移动至所述摄像元件与所述参照板之间，并带动所述标定板移动至所述标定平面与所述参考面平行。
2.根据权利要求1所述的治疗设备，其特征在于，所述标定板包括标定板基体和设置在所述标定板基体上的多个标定件，多个所述标定件限定出所述标定平面。
3.根据权利要求2所述的治疗设备，其特征在于，多个所述标定件包括第一标定件、第二标定件和第三标定件，所述第一标定件与所述第二标定件之间的第一连线与所述第二标定件和所述第三标定件之间的第三连线互相垂直。
4.根据权利要求2所述的治疗设备，其特征在于，所述标定板基体为透明基体，所述标定件嵌入所述标定板基体中。
5.根据权利要求4所述的治疗设备，其特征在于，所述摄像元件为X光摄像元件，所述标定件为金属球。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的治疗设备，其特征在于，所述治疗设备还包括设置在所述机械臂的操作端的夹具。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的治疗设备，其特征在于，所述摄像机构还包括安装架，所述摄像元件和所述参照板均设置在所述安装架上。
8.根据权利要求7所述的治疗设备，其特征在于，所述安装架能够带动所述摄像元件和所述参照板移动，改变所述摄像元件的朝向，且所述摄像元件和所述参照板移动时，所述摄像元件和所述参照板之间的相对位置关系保持不变。
9.根据权利要求8所述的治疗设备，其特征在于，所述安装架包括基座和设置在所述基座上的安装臂，所述安装臂包括安装臂本体、形成在所述安装臂本体上的参照板安装端、和形成在所述安装臂本体上的摄像元件安装端，所述参照板安装端和摄像元件安装端相对、且间隔设置，所述参照板安装在所述参照板安装端，所述摄像元件设置在所述摄像元件安装端。
10.根据权利要求9所述的治疗设备，其特征在于，所述安装臂本体形成为弧形杆，所述摄像元件安装端位于所述安装臂本体的一端，所述参照板安装端位于所述安装臂本体的另一端，所述安装臂本体能够绕所述安装臂本体的圆心转动，以改变所述摄像元件的朝向。
11.根据权利要求10所述的治疗设备，其特征在于，所述基座和所述安装臂本体的一者上形成有滑槽，所述基座和所述安装臂本体的另一者上形成有与所述滑槽匹配的凸块，以使得所述安装臂本体能够在所述基座上产生绕所述安装臂本体的圆心的转动。
12.一种配准方法，所述配准方法用于权利要求1至11中任意一项所述的治疗设备，其特征在于，所述配准方法包括：
驱动所述机械臂本体移动，以将所述标定板移动至所述摄像元件与所述参考面之间、所述标定平面与所述参考面平行，且所述标定平面位于治疗位置的高度处，所述参考面与水平面之间的角度为第一角度；
控制所述摄像元件拍照；
根据所述标定平面在拍摄获得的图像中的位置确定所述图像与机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述机械臂的坐标系设置在所述机械臂固定端，并且，所述机械臂的坐标系中的XY平面为水平面。
13.根据权利要求12所述的配准方法，其特征在于，所述摄像元件为X光摄像元件，所述标定件为金属球，多个所述标定件包括第一标定件、第二标定件和第三标定件，所述第一标定件与所述第二标定件之间的第一连线与所述第二标定件和所述第三标定件之间的第三连线互相垂直，根据所述标定平面在拍摄获得的照片中的位置确定所述照片与机械臂的坐标系之间的配准关系包括：
确定所述机械臂本体的关节角度信息；
确定各个所述标定件的球心在所述图像的坐标系中的坐标；
计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标；
通过坐标变换确定所述图像的坐标系与所述机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述配准关系由图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的平移参数、图像坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转参数、图像的缩放比例来表征。
14.根据权利要求13所述的配准方法，其特征在于，所述第一角度为0°，在计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标的步骤中，计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Y坐标。
15.根据权利要求14所述的配准方法，其特征在于，通过坐标变换确定所述图像与所述机械臂的坐标系之间的配准关系的步骤包括：
利用公式(1)确定平移参数；
Figure FDA0002417010240000031
通过公式(2)至公式(4)计算旋转参数：
θ＝A-a (2)
Figure FDA0002417010240000032
Figure FDA0002417010240000033
通过公式(5)计算图像的缩放比例：
Figure FDA0002417010240000041
其中，Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离、Dy为图像的坐标系的y坐标相对于机械坐标系的y坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp2为第二标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
yp3为第三标定件在图像的坐标系下的y轴坐标；
yr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的y轴坐标；
L为第一标定件和第二标定件之间的距离；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度；
α为图像缩放比例。
16.根据权利要求13所述的配准方法，其特征在于，所述第一角度为90°，在计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的坐标的步骤中，计算标定件的球心在所述机械臂的坐标系中的X坐标和Z坐标。
17.根据权利要求16所述的配准方法，其特征在于，通过坐标变换确定所述图像与所述机械臂的坐标系之间的配准关系的步骤包括：
利用公式(6)确定平移参数；
Figure FDA0002417010240000042
通过公式(7)至公式(9)计算旋转参数：
θ＝A-a (7)
Figure FDA0002417010240000051
Figure FDA0002417010240000052
Dx为图像的坐标系的x坐标相对于机械坐标系的x坐标的平移距离；
Dz为图像的坐标系的z坐标相对于机械坐标系的z坐标的平移距离；
xp2为第二标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp2为第二标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr2为第二标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
xp3为第三标定件在图像的坐标系下的x轴坐标；
xr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的x轴坐标；
zp3为第三标定件在图像的坐标系下的z轴坐标；
zr3为第三标定件在机械臂的坐标系下的z轴坐标；
θ为图像的坐标系相对于机械臂的坐标系的旋转角度。
18.一种配准控制装置，所述配准控制装置用于权利要求1至11中任意一项所述的治疗设备，其特征在于，所述配准控制装置包括：
驱动机构，用于驱动所述机械臂本体移动，以将所述标定板移动至所述摄像元件与所述参考面之间、所述标定平面与所述参考面平行，且所述标定平面位于治疗位置的高度处，所述参考面与水平面之间的角度为第一角度；
拍照控制器，用于控制所述摄像元件拍照；
配准处理器，用于根据所述标定平面在拍摄获得的图像中的位置确定所述图像与机械臂的坐标系之间的配准关系，其中，所述机械臂的坐标系设置在所述机械臂固定端，并且，所述机械臂的坐标系中的XY平面为水平面。
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