CN114469343B - 标定件、手术导航坐标系配准系统、方法、设备和介质 - Google Patents

标定件、手术导航坐标系配准系统、方法、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种标定件、手术导航坐标系配准系统、方法、设备和介质。手术导航坐标系配准系统包括医学成像装置、标定件、机械臂、距离检测装置和处理装置。所述医学成像装置用于对患者成像，得到患者图像。所述标定件的材料为所述医学成像装置可识别材料，所述标定件用于与植入患者骨骼的骨钉连接，以标定所述患者的位置信息。所述距离检测装置固定设置于所述机械臂，用于检测与所述标定件之间的距离，得到第一距离。所述处理装置与所述医学成像装置和所述距离检测装置通信连接，用于根据所述患者图像和所述第一距离，对患者图像坐标系和机械臂基座坐标系进行配准。本申请提供的手术导航坐标系配准系统使用简单方便。

Description

标定件、手术导航坐标系配准系统、方法、设备和介质
本申请为申请日为“2019年10月31日”，申请号为“2019110502242”，发明名称为“手术导航系统、坐标系配准系统、方法、设备和介质”的案件的分案申请。
技术领域
本申请涉及手术导航技术领域，特别是涉及一种标定件、手术导航坐标系配准系统、方法、设备和介质。
背景技术
手术导航是机器人辅助外科手术的关键性技术之一。手术导航是机器人高精度完成手术的基础。手术导航技术中，最重要的就是各个空间坐标的配准。空间坐标的配准主要包括患者图像坐标系、患者实际坐标系、机械臂基座坐标系等之间的配准，其中，最主要的配准就是机械臂基座坐标系与患者图像坐标系的配准。
传统技术中，手术导航坐标系配准方案大致分为基于面的配准和基于点的配准。其中，基于点的配准方案中，精确度最高的一种是在患者骨骼上植入一定数量的标记点，并在机械臂末端安装相应的接触工具。通过拖动机械臂，使得机械臂末端的接触工具接触标记点。在基础工具接触标记点时，获取机械臂末端工具的位置坐标，从而得到标记点的位置坐标，进而实现机械臂基座坐标系与患者图像坐标系的配准。
然而，一般配准完成后，需要在机械臂末端安装验证工具进行验证，以保证配准的精确度。以上配准方法在配准和验证阶段需要更换机械臂末端工具，存在操作复杂的问题。
发明内容
基于此，有必要针对以上问题，提供一种标定件、手术导航坐标系配准系统、方法、设备和介质。
第一方面，本申请一个实施例提供一种手术导航坐标系配准系统，包括：
医学成像装置，用于对患者成像，得到患者图像；
标定件，所述标定件的材料为所述医学成像装置可识别材料，所述标定件用于与植入所述患者骨骼的骨钉连接，以标定所述患者的位置信息；
机械臂；
距离检测装置，固定设置于所述机械臂，用于检测与所述标定件之间的距离，得到第一距离；
处理装置，与所述医学成像装置和所述距离检测装置通信连接，用于根据所述患者图像和所述第一距离，对患者图像坐标系和机械臂基座坐标系进行配准。
在其中一个实施例中，所述距离检测装置包括激光距离检测装置、雷达距离检测装置、深度相机中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述标定件表面设置有指示图案，所述指示图案用于指示所述距离检测装置的测量位置。
在其中一个实施例中，所述标定件为球体或球体内接正多面体。
在其中一个实施例中，所述距离检测装置固定设置于所述机械臂的机械臂关节坐标系中的XY平面。
第二方面，本申请一个实施例提供一种手术导航系统，包括：
如上所述的手术导航坐标系配准系统；
机械臂控制装置，与所述处理装置及所述机械臂通信连接，用于控制所述机械臂移动；
所述处理装置还用于根据所述患者图像坐标系和所述机械臂基座坐标系的配准结果控制所述机械臂控制装置。
本申请实施例提供的手术导航坐标系配准系统及手术导航系统包括医学成像装置、标定件、机械臂、距离检测装置和处理装置。医学成像装置对患者成像，得到患者图像。距离检测装置能够检测与标定件之间的距离，得到第一距离。处理装置能够根据患者图像和第一距离，对患者图像坐标系和机械基座坐标系进行配准。本申请实施例提供的手术导航坐标系配准系统及手术导航系统通过设置距离检测装置，不接触标定件即可实现坐标系配准。手术导航坐标系配准系统无需机械臂夹持工具接触标定件，因此无需占用机械臂的工具夹持位置，所以，坐标系配准和配准验证两个阶段无需更换机械臂末端的工具，简化了操作。另外，距离检测装置不接触安装在患者体内的标定件，因此，不需进行消毒，简化了操作。同时，距离检测装置固定安装于机械臂，可以省去传统技术中，末端工具更换中需要位置标定件对末端工具进行位置标定的程序，简化操作，且能够避免工具更换过程中带来的安装误差，提高了坐标系配准的准确性。最后，距离检测装置不需要与标定件接触，因此，相较于传统技术，机械臂的移动空间更大，使用者使用更方便。
第三方面，本申请一个实施例提供一种手术导航坐标系配准方法，应用于如上所述的手术导航坐标系配准系统，所述方法包括：
获取所述距离检测装置与所述标定件之间的距离信息，得到所述第一距离；
根据所述第一距离确定所述标定件在所述机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标；
获取所述标定件在所述患者图像坐标系中的位置坐标，得到第二坐标；
根据所述第一坐标和所述第二坐标，对所述患者图像坐标系与所述机械臂基座坐标系进行配准。
在其中一个实施例中，所述根据所述第一距离确定所述标定件在所述机械臂坐标系中的位置坐标，得到第一坐标，包括：
获取所述距离检测装置在机械臂关节坐标系中的位置坐标，得到检测装置坐标；
根据所述第一距离和所述检测装置坐标得到所述标定件在所述机械臂关节坐标系中的坐标；
获取所述机械臂关节坐标系与所述机械臂基座坐标系的转换关系；
根据所述机械臂关节坐标系与所述机械臂基座坐标系的转换关系以及所述标定件在所述机械臂关节坐标系中的坐标，确定所述第一坐标。
在其中一个实施例中，所述获取所述距离检测装置与所述标定件之间的距离信息，得到第一距离，包括：
获取所述距离检测装置与所述标定件的测量表面的距离信息，得到表面距离；
获取所述标定件的测量表面与所述标定件的中心的距离信息，得到中心距离；
根据所述表面距离和所述中心距离，得到所述第一距离。
在其中一个实施例中，所述手术导航坐标系配准系统还包括距离粗检装置，所述距离粗检装置与所述处理装置通信连接，用于检测与所述标定件之间的距离；
所述获取所述距离检测装置与所述标定件的距离信息，得到第一距离，包括：
获取所述距离粗检装置与所述标定件之间的距离，得到初步距离；
根据所述初步距离确定所述标定件在所述机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到初步坐标；
根据所述初步坐标控制所述机械臂移动，以获取所述距离检测装置与所述标定件之间的距离信息，得到所述第一距离。
第四方面，本申请一个实施例提供一种手术导航坐标系配准系统，包括医学成像装置、标定件、机械臂、距离检测装置和处理装置，所述处理装置包括：
第一距离获取模块，用于获取所述距离检测装置与所述标定件之间的距离信息，得到所述第一距离；
第一坐标确定模块，用于根据所述第一距离确定所述标定件在机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标；
第二坐标获取模块，用于获取所述标定件在患者图像坐标系中的位置坐标，得到第二坐标；
配准模块，用于根据所述第一坐标和所述第二坐标，对所述患者图像坐标系与所述机械臂基座坐标系进行配准。
第五方面，本申请一个实施例提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
第六方面，本申请一个实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。
本申请实施例提供的标定件、手术导航坐标系配准系统、方法、设备和介质，通过获取距离检测装置与标定件的距离信息，得到第一距离，并根据第一距离进一步确定标定件在机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标。本申请实施例提供的手术导航坐标系配准方法、系统、计算机设备及可读存储介质相较于传统技术通过工具接触获取标定件在机械臂基座坐标系中位置的方法，剔除了因接触不充分导致的位置坐标提取不准确的因素，提高了坐标配准的准确性。
附图说明
图1为本申请一个实施例提供的手术导航坐标系配准系统结构示意图；
图2为本申请一个实施例提供的标定件结构示意图；
图3为本申请一个实施例提供的手术导航系统结构的流程示意图；
图4为本申请一个实施例提供的手术导航坐标系配准系统示意图；
图5为本申请一个实施例提供的手术导航坐标系配准方法的流程示意图；
图6为本申请一个实施例提供的手术导航坐标系配准方法的流程示意图；
图7为本申请一个实施例提供的手术导航系统结构的流程示意图；
图8为本申请一个实施例提供的手术导航坐标系配准方法的流程示意图；
图9为本申请一个实施例提供的处理装置的结构示意图；
图10为本申请一个实施例提供的第一距离获取模块的结构示意图；
图11为本申请一个实施例提供的计算机设备的内部结构图。
附图标记说明：
手术导航坐标系配准系统 10
医学成像装置 100
标定件 200
机械臂 300
验证工具 301
距离检测装置 400
处理装置 500
距离粗检装置 600
骨钉 20
指示图案 201
机械臂控制装置 30
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的手术导航坐标系配准系统、手术导航系统以及手术导航坐标系配准方法可以应用于机器人辅助外科手术中。手术导航坐标系统配准系统用于实现患者图像坐标系和机械臂基座坐标系的配准。手术导航系统是在完成坐标系配准的基础上，用于实现导航，以完成机器人辅助外科手术。所述手术导航坐标系配准方法可以应用于如上所述的手术导航坐标系配准系统及手术导航系统中，具体可以应用于处理装置中。以下结合具体实施例进行详细说明。
请参见图1，本申请一个实施例提供一种手术导航坐标系配准系统10。所述手术导航坐标系配准系统10包括医学成像装置100、标定件200、机械臂300、距离检测装置400和处理装置500。
医学成像装置100用于对患者成像，得到患者图像。医学成像装置可以为超声成像装置，可以为磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)装置，还可以为计算机断层扫描(CT,Computerized tomography)装置或正子发射断层扫描(PET,Positron emissiontomography)装置等。本申请对医学成像装置100不做限定，只要能够对患者成像即可。
患者骨骼中植入骨钉20。标定件200与骨钉20连接，用于标定患者的位置信息。标定件200的数量可以与骨钉20的数量一致。标定件200由医学成像装置100可以识别的材料制成，例如：钽金属。标定件200的具体结构不做限定，只要能够被医学成像装置100识别，且能够被距离检测装置400检测到即可。例如，标定件200可以为球形、正方体、长方体或其他多面体结构。标定件200与骨钉20可以通过螺纹连接、铆接或其他方式连接。可选的，骨钉20为圆柱状结构，具有相对的第一端部(可嵌入骨骼内)及第二端部，所述第二端部可嵌入标定件200内，且第二端部的末端延伸至与标定件200的中心区域，从而更加精准的实现手术导航坐标系配准。
机械臂300用于夹持手术工具或检测工具。机械臂300可以包括机械臂基座和多个活动关节，每个活动关节相对于机械臂基座的位置可以不同。也就是说，机械臂300所在空间内，主要包括两种坐标系，一种为机械臂基座坐标系，另一种为机械臂关节坐标系。本申请对机械臂300的具体结构不做任何限定，可以根据实际需求选择。
距离检测装置400固定设置于机械臂300。距离检测装置400在机械臂300上的具体设置位置可以根据实际需求选择。在一个具体的实施例中，距离检测装置400可以设置于机械臂300末端，且不占据夹持工具的位置。例如，如图1所示，机械臂300的某一关节末端为圆柱状，圆柱状关节末端的圆端面为工具夹持位置，用于夹持手术工具或其他测量工具。距离检测装置400可以设置于该关节末端的圆周表面。距离检测装置400固定设置于机械臂300，因此距离检测装置400与机械臂300的该关节的相对位置已知。距离检测装置400用于检测与标定件200之间的距离，得到第一距离。距离检测装置400可以为光学测距装置，也可以为雷达测距装置等。本申请对距离检测装置400的具体结构和测距原理不做限定，只要能够实现距离检测即可。可选的，距离检测装置400可以绕关节末端的圆周表面旋转，从而使距离检测装置可以有更佳的检测视角。例如，该距离检测装置可以按照每5°、30°或者5°-30°一个挡位转动并定位。可选的，该距离检测装置设有驱动马达，且其可被处理装置500控制，从而实现角度位置自动调整。
处理装置500用于处理数据。处理装置500可以为任何包括处理器的装置。处理装置500可以但不限于为是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备等。处理装置500与医学成像装置100和距离检测装置400通信连接，用于接收医学成像装置100输出的患者图像和距离检测装置400检测得到的第一距离。处理装置500根据患者图像和第一距离，对患者图像坐标系和机械基座坐标系进行配准。
手术导航坐标系配准系统10的工作原理如下：
患者的骨骼中可以预先植入骨钉20。将标定件200与骨钉20连接。控制医学成像装置100对患者进行成像，得到患者图像。患者图像中可识别出标定件200的位置。医学成像装置100将患者图像发送至处理装置500。处理装置500根据患者图像建立患者三维立体图像，形成患者图像坐标系。同时，处理装置500获取每个标定件200在患者图像坐标系中的位置坐标。
控制机械臂300移动，带动距离检测装置400移动寻找并测量该距离检测装置400与每个标定件200的距离，得到每个标定件200的第一距离。距离检测装置400将第一距离发送至处理装置500。处理装置500基于第一距离和距离检测装置400与机械臂300的相对位置关系，根据预设的计算方法，计算每个标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标。在一个具体的实施例中，距离检测装置400为激光距离传感器，处理装置500计算标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标的过程可以如下：假定每个标定件200的第一距离为d，那么标定件200中心点在距离传感器坐标系中的坐标即为(0,0，d)；根据预先安装好的激光距离传感器与机械臂基座坐标之间的旋转关系R和平移关系T，得到标定件200中心点在机械臂坐标系中的坐标为：R*(0,0，d)’+T。
处理装置500根据每个标定件200在患者图像坐标系中的位置坐标和其在机械臂基座坐标系中的位置坐标，建立患者图像坐标系与机械臂基座坐标系之间的平移和变换关系，实现患者图像坐标系与机械基座坐标系的配准。
完成坐标系配准后，若需要进行配准验证，可以在机械臂300末端安装验证工具301。验证工具301用于与标定件200接触，确定标定件200的位置坐标，进而对如上通过距离检测装置400检测得到的标定件200的位置坐标的正确性的进行验证。验证工具301安装于机械臂300末端，控制机械臂300移动，使验证工具301接触标定件200。此时获取验证工具301的在机械臂基座坐标系中的位置坐标，可以得到标定件200在机械臂基座坐标系中的验证位置坐标。将此验证位置坐标与上述计算得到的该标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标进行比较，可实现配准的验证。
本实施例中，手术导航坐标系配准系统10包括医学成像装置100、标定件200、机械臂300、距离检测装置400和处理装置500。医学成像装置100对患者成像，得到患者图像。距离检测装置400能够检测与标定件200之间的距离，得到第一距离。处理装置500能够根据患者图像和第一距离，对患者图像坐标系和机械基座坐标系进行配准。本实施例提供的手术导航坐标系配准系统10通过设置距离检测装置400，不接触标定件200即可实现坐标系配准。手术导航坐标系配准系统10无需机械臂300夹持工具接触标定件，因此无需占用机械臂300的工具夹持位置，所以，坐标系配准和配准验证两个阶段无需更换机械臂末端的工具，简化了操作。另外，距离检测装置400不接触安装在患者体内的标定件200，因此，不需进行消毒，简化了操作。同时，距离检测装置400固定安装于机械臂300，可以省去传统技术中，末端工具更换中需要位置标定件对末端工具进行位置标定的程序，简化操作，且能够避免工具更换过程中带来的安装误差，提高了坐标系配准的准确性。最后，距离检测装置400不需要与标定件200接触，因此，相较于传统技术，机械臂300的移动空间更大，使用者使用更方便。
在一个实施例中，距离检测装置400包括激光距离检测装置、雷达距离检测装置、深度相机中的至少一种。本申请对激光距离检测装置、雷达距离检测装置、深度相机的结构、型号及尺寸不做任何限定，只要能够测量其与标定件200之间的距离即可。
在一个具体的实施例中，深度相机可以为结构光深度相机、可以为TOF(Time ofFlight，飞行时间)单目深度相机，还可以为双目相机。
在一个实施例中，距离检测装置400可以固定设置于机械臂300的机械臂关节坐标系中的XOY平面。也就是说，距离检测装置400与标定件200之间的连线与机械臂关节坐标系的Z轴平行。距离检测装置400的零点位置在机械臂关节坐标系中的位置坐标为(x，y，0)。假设距离检测装置400测得标定件200与距离检测装置400之间的距离为d，则，标定件200在机械臂关节坐标系中的位置坐标为(x,y,d)。进一步的，通过机械臂关节坐标系与机械臂基座坐标系之间的转换关系，可以计算出标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标。本实施例中，通过将距离检测装置400固定设置于机械臂300的机械臂关节坐标系中的XOY平面，能够简化计算过程，提高坐标系配置的效率。
以下结合实施例对标定件200进行说明。
标定件200的结构可以为多种，在一个实施例中，标定件200为球体或球体内接正多面体结构。图2所示为标定件200为球体内接正多面体结构。标定件200的尺寸可以根据实际需求选择，只要能够被距离检测装置400测量到，且能够被医学成像装置100识别即可。
请继续参见图2，在一个实施例中，标定件200表面设置有指示图案201。指示图案201用于指示距离检测装置400的测量位置。指示图案201的具体形状和尺寸可以根据实际选择，例如，指示图案201可以为圆形，还可以进一步标出圆形的圆心。激光距离检测装置的光照射于圆的圆心时开始检测。通过在标定件200的表面设置指示图案201，便于距离检测装置400识别，提高检测效率和准确性。
请参见图3，本申请一个实施例还提供一种手术导航系统，其包括如上所述的手术导航坐标系配准系统10。另外，手术导航系统还包括机械臂控制装置30。机械臂控制装置30与机械臂300通信连接，用于控制机械臂300工作。机械臂控制装置30可以为计算机设备，也可以为PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，还可以为其他包括处理器的装置。机械臂控制装置30还与处理装置500通信连接。处理装置500还可以用于根据患者图像坐标系和机械基座坐标系的配准结果向机械臂控制装置30发送控制信息，从而控制机械臂控制装置30工作，进而使得机械臂控制装置30根据此控制信息控制机械臂300移动。
本实施例提供的手术导航系统包括如上所述的手术导航坐标系配准系统10，因此，具有手术导航坐标系配准系统的所有有益效果，在此不再赘述。
请参见图4，本申请实施例还提供一种手术导航坐标系配准方法，其可以用于如上所述的手术导航坐标系配准系统10。本实施例中的手术导航坐标系配准系统10的具体结构参见上述实施例，不再赘述。本申请实施例以执行主体为处理装置500为例，对手术导航坐标系配准方法进行说明。所述方法包括：
S10，获取距离检测装置400与标定件200之间的距离信息，得到第一距离。
距离检测装置400检测与标定件200之间的距离，得到第一距离，并传输至处理装置500。
S20，根据第一距离确定标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标。
处理装置500以第一距离作为一个输入参数，结合其他的参数(例如，安装距离检测装置400与机械臂基座之间的相对位置关系参数)，确定标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标，记为第一坐标。
S30，获取标定件200在患者图像坐标系中的位置坐标，得到第二坐标。
医学成像装置100将患者图像信息传输至处理装置500。处理装置500对患者图像信息进行处理，建立患者图像信息的三维模型，确定患者图像坐标系。同时，识别患者图像中标定件200的位置，确定标定件200在患者图像坐标系中的位置坐标，记为第二坐标。
S40，根据第一坐标和第二坐标，对患者图像坐标系与机械臂基座坐标系进行配准。
处理装置500根据以上得到的第一坐标和第二坐标，计算第一坐标与第二坐标的平移和变换关系，实现患者图像坐标系与机械基座坐标系的配准。其中，第一距离和第一坐标的数量可以根据需要设置多组。可以理解，采集的第一距离和第一坐标越多，配准的结果越精确。
本实施例中，通过获取距离检测装置400与标定件200的距离信息，得到第一距离，并根据第一距离进一步确定标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标。本实施例提供的手术导航坐标系配准方法相较于传统技术通过工具接触获取标定件在机械臂基座坐标系中位置的方法，剔除了因接触不充分导致的位置坐标提取不准确的因素，提高了坐标配准的准确性。
请参见图5，本实施例涉及根据第一距离确定标定件200再机械臂坐标系中的位置，得到第一坐标的一种可能的实现方式，即，S20包括：
S210，获取距离检测装置400在机械臂关节坐标系中的位置坐标，得到检测装置坐标。
检测装置坐标是指距离检测装置400在安装其的机械臂300的末端关节的坐标系中的位置坐标，用于表征距离检测装置400与机械臂300的末端关节之间的相对位置关系。如前面实施例所述，距离检测装置400固定安装于机械臂300，因此，距离检测装置400与机械臂300的末端关节之间的相对位置关系固定。
S220，根据第一距离和检测装置坐标得到标定件200在机械臂关节坐标系中的坐标。
基于距离检测装置400检测到的第一距离，和距离检测装置400与机械臂末端关节之间的相对位置关系，即可计算出标定件200在机械臂关节坐标系中的位置坐标。例如，如前面实施例所述，距离检测装置400固定安装于机械臂关节坐标系中的X0Y平面，则检测装置坐标为(x，y，0)。假设第一距离为d，则，标定件200在机械臂关节坐标系中的坐标为(x，y，d)。
S230，获取机械臂关节坐标系与机械臂基座坐标系的转换关系。
机械臂关节坐标系与机械臂基座坐标系的转换关系由机械臂本身结构决定，为已知量，可以预先存储于处理装置500。
S240，根据机械臂关节坐标系与机械臂基座坐标系的转换关系以及标定件200在机械臂关节坐标系中的坐标，确定第一坐标。
处理装置500根据S220和S230分别得到的标定件200在机械臂关节坐标系中的坐标、机械臂关节坐标系与机械臂基座坐标系的转换关系进行计算，即可计算出标定件在机械臂基座坐标系中的位置坐标，即第一坐标。
请参见图6，本实施例涉及获取距离检测装置400与标定件200之间的距离信息，得到第一距离的一种可能的实现方式，即S10包括：
S110，获取距离检测装置400与标定件200的测量表面的距离信息，得到表面距离信息；
S120，获取标定件200的测量表面与标定件200的中心的距离信息，得到中心距离；
S130，根据表面距离和中心距离，得到第一距离。
由于标定件200结构固定的情况下，标定件的测量表面与标定件的中心之间的距离固定且已知。距离检测装置400(例如激光距离检测装置)，一般可以检测其与物体表面的距离。因此，通过表面距离和中心距离相加，可计算出距离检测装置400与标定件200中心的距离。以此距离作为第一距离，计算得到的标定件200的位置坐标即以标定件200的中心作为标定点，这样得到的患者位置标定更加准确，从而使得坐标系配准及后续的手术导航更加准确。
以上实施例中提供的方法中，距离检测装置400对标定件200的寻找和检测可以通过人工手动移动机械臂300，带动距离检测装置400移动实现。请参见图7，在一个实施例中，还可以通过自动控制的方法实现距离检测装置400对标定件200的寻找和检测。本实施例提供的方法可以基于如上所述的手术导航系统。另外，手术导航坐标系配准系统还可以进一步包括距离粗检装置600。距离粗检装置600用于检测与标定件200之间的距离。距离粗检装置600与处理装置500通信连接。距离粗检装置600可以与上述距离检测装置相同。距离粗检装置600也可以包括激光距离检测装置、雷达距离检测装置、深度相机中的至少一种。
距离粗检装置600可以固定设置于实现手术导航坐标系统配准的平台。距离粗装置600的具体设置位置可以根据需求调整，以能够检测到需要检测的标定件200为准。
请参见图8，基于上述结构，在一个实施例中，所述方法中，实现获取距离检测装置400与标定件200之间的距离信息，得到第一距离，可以通过如下步骤实现，即，S10包括：
S101，获取光学粗检装置600与标定件200之间的距离信息，得到初步距离。
光学粗检装置600测定初步距离的方法与上述距离检测装置400测定第一距离的原理相同，在此不再赘述。光学粗检装置600检测得到初步距离后传输至处理装置500。
S102，根据初步距离确定标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到初步坐标。
处理装置500根据初步距离确定标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标的方法也可以参考如上实施例，方法可以相同或相似，在此不再赘述。
S103，根据初步坐标控制机械臂300移动，以获取距离检测装置400与标定件200之间的距离信息，得到第一距离。
处理装置500根据得到的标定件200的初步坐标，规划机械臂的移动路线，并向机械臂控制装置30发送控制信号。机械臂控制装置30根据控制信号控制机械臂300移动，从而实现机械臂300的自动移动，以寻找需要检测的标定件200并进行检测。
本实施例提供的方法通过设置距离粗检装置600初步获取标定件200的距离，并进一步获取标定件200的位置坐标，得到初步坐标。初步坐标能够指导对机械臂300的自动控制，实现对机械臂300携带距离检测装置400对标定件200的自动寻找和检测。本实施例提供的方法提高了坐标系配准的智能性，且通过两次距离和坐标检测，提高了对标定件200检测的准确性，从而提高坐标系配准和手术导航的准确性。
应该理解的是，虽然流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
请参见图9，本申请实施例还提供一种手术导航坐标系配准系统10，其包括医学成像装置100、标定件200、机械臂300、距离检测装置400和处理装置500。处理装置500包括：第一距离获取模块510、第一坐标确定模块520、第二坐标获取模块530和配准模块540。其中，
第一距离获取模块510，用于获取距离检测装置400与标定件200之间的距离信息，得到所述第一距离；
第一坐标确定模块520，用于根据所述第一距离确定所述标定件200在机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标；
第二坐标获取模块530，用于获取所述标定件200在患者图像坐标系中的位置坐标，得到第二坐标；
配准模块540，用于根据所述第一坐标和所述第二坐标，对所述患者图像坐标系与所述机械臂基座坐标系进行配准。
在一个实施例中，第一坐标确定模块520具体用于获取所述距离检测装置400在机械臂关节坐标系中的位置坐标，得到检测装置坐标；根据所述第一距离和所述检测装置坐标得到所述标定件200在所述机械臂关节坐标系中的坐标；获取所述机械臂关节坐标系与所述机械臂基座坐标系的转换关系；根据所述机械臂关节坐标系与所述机械臂基座坐标系的转换关系以及所述标定件200在所述机械臂关节坐标系中的坐标，确定所述第一坐标。
在一个实施例中，第一距离获取模块510具体用于获取所述距离检测装置400与所述标定件200的测量表面的距离信息，得到表面距离；获取所述标定件200的测量表面与所述标定件200的中心的距离信息，得到中心距离；根据所述表面距离和所述中心距离，得到所述第一距离。
请参见图10，在一个实施例中，手术导航坐标系配准系统还包括距离粗检装置600。所述距离粗检装置600与所述处理装置500通信连接，用于检测与所述标定件200之间的距离；第一距离获取模块510包括初步距离获取单元511、初步坐标获取单元512和机械臂控制单元513。初步距离获取单元511用于获取所述距离粗检装置600与所述标定件200之间的距离，得到初步距离；初步坐标获取单元512用于根据所述初步距离确定所述标定件200在所述机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到初步坐标；机械臂控制单元513用于根据所述初步坐标控制所述机械臂300移动，以获取所述距离检测装置400与所述标定件200之间的距离信息，得到所述第一距离。
请参见图11，在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图11所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储源数据、报表数据等。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种报表生成方法。
本领域技术人员可以理解，图11中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
获取所述距离检测装置400与所述标定件200之间的距离信息，得到所述第一距离；
根据所述第一距离确定所述标定件200在所述机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标；
获取所述标定件200在所述患者图像坐标系中的位置坐标，得到第二坐标；
根据所述第一坐标和所述第二坐标，对所述患者图像坐标系与所述机械臂基座坐标系进行配准。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取所述距离检测装置400与所述标定件200之间的距离信息，得到所述第一距离；
根据所述第一距离确定所述标定件200在所述机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到第一坐标；
获取所述标定件200在所述患者图像坐标系中的位置坐标，得到第二坐标；
根据所述第一坐标和所述第二坐标，对所述患者图像坐标系与所述机械臂基座坐标系进行配准。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种手术导航坐标系配准系统，其特征在于，包括：医学成像装置、标定件、距离检测装置、距离粗检装置、处理装置；
所述医学成像装置用于对患者成像得到患者图像；所述患者图像中可识别出所述标定件的位置；
所述距离检测装置固定设置于机械臂，用于获取所述距离检测装置与所述标定件的测量表面之间的表面距离，以及获取所述标定件的测量表面与所述标定件的中心之间的中心距离，并根据所述表面距离和所述中心距离得到第一距离；
所述距离粗检装置用于测量所述距离粗检装置与所述标定件之间的距离信息，得到初步距离；所述初步距离用于确定所述标定件在机械臂基座坐标系中的位置坐标，得到初步坐标；
所述距离检测装置，还用于根据所述初步坐标控制所述机械臂移动，获取所述表面距离和所述中心距离；
所述处理装置用于根据所述患者图像和所述第一距离，对患者图像坐标系和机械臂基座坐标系进行配准。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂包括有圆柱状的关节末端，且所述圆柱状关节末端的圆端面为工具夹持位置，所述工具夹持位置用于夹持所述距离检测装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述距离检测装置固定设置于所述机械臂关节末端的圆周表面，可以绕关节末端的圆周表面旋转。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述距离检测装置绕关节末端的圆周表面旋转时以预设的不同挡位转动定位。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述距离检测装置包括激光距离检测装置、雷达距离检测装置、深度相机中的至少一种。
6.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述距离检测装置与所述标定件之间的连线与机械臂关节坐标系的Z轴平行。
7.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述标定件用于在手术导航坐标系配准中标定所述患者的位置，与植入患者骨骼的骨钉连接；所述骨钉具有相对的第一端部及第二端部，所述第一端部植入患者骨骼内，所述第二端部与所述标定件连接；
所述标定件为多面体结构，且多面体每个面的中心设置有指示所述距离检测装置的测量位置的指示图案；所述测量位置表示检测所述距离检测装置与所述标定件之间的第一距离的位置。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二端部与所述标定件连接时，所述第二端部的末端延伸至与标定件的中心区域。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述标定件为球体或球体内接正多面体。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述指示图案为标出了圆心的圆形图案。
11.一种手术导航坐标系配准方法，其特征在于，应用于权利要求1-10任一项的手术导航坐标系配准系统，所述方法包括：
根据患者图像建立的患者三维立体图像形成患者图像坐标系，并获取所述标定件在所述患者图像坐标系中的位置坐标；所述患者图像为中可识别出所述标定件的位置；
基于第一距离相对于所述距离检测装置与机械臂的位置关系，获取所述标定件在机械臂基座坐标系中的位置坐标；所述第一距离表示所述距离检测装置与所述标定件之间的距离；
根据所述标定件在所述患者图像坐标系中的位置坐标和所述标定件在机械臂基座坐标系中的位置坐标建立所述患者图像坐标系与所述机械臂基座坐标系之间的平移和变换关系；
根据所述平移和变换关系，对所述患者图像坐标系和所述机械臂基座坐标系进行配准。
12.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求11所述方法的步骤。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求11所述的方法的步骤。
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