CN114681058B - 用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法及装置，方法包括：获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系；接收第一、第二及第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值并接收误差阈值；获取各时刻下多个光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值；通过坐标转化得到各时刻下多个光学反光球的反光球转换空间坐标值；依据反光球转换空间坐标值与反光球理论空间坐标值对探针标定架的精度进行验证。本发明利用图像采集和处理等自动化手段，避免了现有技术中测量误差大、结果可信度低等问题，显著提升了探针标定架的精度验证效果。

Description

用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法及装置
技术领域
本发明属于一种精度验证方案，具体为一种用于关节置换术的导航定位系统探针标定架精度验证方法及装置，涉及手术器械及数据处理技术领域。
背景技术
近年来，随着医疗机器人技术的发展和相关设备的持续更新，手术导航系统在医疗领域内的应用越来越广泛。
手术导航系统在实际应用时，特别是机器人手术系统自动配准或注册的过程中，对于探针标定架的使用都是不可或缺的。可以说，探针标定架作为整个机器人手术系统的参考基准，直接关系到手术定位精度、影响着最终的手术效果。也正因如此，在探针标定架临床使用前，首要操作就是对其进行精度验证、特别是要保证能够准确获取其上所设置的光学反光球的实际空间位置。一旦精度验证过程中出现误差，那么轻则会影响后续的手术精度、重则会直接导致手术失败。
现有技术在进行探针标定架的精度验证时，通常利用人工手动操作三维坐标测量仪，测量出探针标定架的各项基本尺寸数据后，再通过繁琐的计算得出各位置的误差值，进而得到精度验证结果。上述方案虽然能够达到验证目的，但是在实际操作过程中对于人员操作熟练度的要求非常高、稍有不慎就很容易产生错误，加之手工操作过程中存在不可避免的误差，因此这一方案的测量结果可信度较低；此外，上述方案还存在着验证效率低下、对人力资源浪费严重等其他问题。
综上所述，如果能够提出一种针对手术导航系统的精度验证方案，实现对探针标定架的精度控制，那么必将极大地提升手术导航系统的使用效果，保证高精度机器人手术作业的顺利进行。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法及装置。
一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，包括：
获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系，所述第一三维坐标系为所述基准坐标系组件的三维坐标系；
分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值，在所述第一时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第一参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第二时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第二参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第三时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第三参考位点中且二者刚性固定连接；
通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述第二三维坐标系为所述光学采集设备的三维坐标系；
将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值；
依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证。
优选地，所述获取所述基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系，包括：
获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，所述多个标志物至少包括第一标志物、第二标志物以及第三标志物；
根据所述第一标志物及所述第二标志物的标志物实测空间坐标值拟合出一条参考直线，结合所述第三标志物的标志物实测空间坐标值及所述参考直线拟合出一个参考平面，以所述第一标志物的标志物实测空间坐标值为原点、以所述参考直线为Y轴、以垂直于所述参考平面的直线为Z轴，建立得到第一三维坐标系。
优选地，所述分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值，包括：
接收并记录预设的第一时刻、第二时刻以及第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值，所述反光球理论空间坐标值均为所述第一三维坐标系内的固定坐标值；
接收并记录预设的误差阈值。
优选地，所述通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，包括：
通过具备图像处理和被测物坐标值输出功能的光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述光学采集设备为光学摄像头。
优选地，所述将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值，包括：
利用坐标系转换矩阵，将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值。
优选地，所述依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证，包括：
依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，分别计算得到单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离，计算公式为：
D＝sqrt[(X1-X2)^2+(Y1-Y2)^2+(Z1-Z2)^2]，
其中，D表示误差距离，X1、Y1、Z1分别表示当前时刻下所述反光球转换空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值，X2、Y2、Z2分别表示当前时刻下所述反光球理论空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值；
依据所得到的单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离与所述误差阈值，对探针标定架的精度进行验证。
优选地，所述依据所得到的单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离与所述误差阈值，对探针标定架的精度进行验证，包括：
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离平均值，将所述误差距离平均值与所述误差阈值相比较，若所述误差距离平均值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过；或者，
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离的中值，将所述中值与所述误差阈值相比较，若所述中值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过。
一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证装置，包括：
基准坐标系建立模块，用于获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系，所述第一三维坐标系为所述基准坐标系组件的三维坐标系；
理论坐标值接收模块，用于分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值，在所述第一时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第一参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第二时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第二参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第三时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第三参考位点中且二者刚性固定连接；
实测坐标值获取模块，用于通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述第二三维坐标系为所述光学采集设备的三维坐标系；
坐标值转换模块，用于将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值；
精度验证模块，用于依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证。
一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法中的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行所述计算机程序时实现如上所述用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法中的步骤。
本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明所提出的一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，通过将图像采集和处理等自动化手段融入精度检测，避免了现有技术中人工操作所带来的测量误差较大、测量结果可信度低等问题，显著地提升了探针标定架的精度验证效果。同时，也使得探针标定架的精度验证过程摆脱了对人工的依赖，不仅大幅节约了人力资源、减少了人员操作的工作量，而且保证了验证效率、加快了手术导航系统的使用进程。
与上述方法相对应的，本发明所提出的一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证装置、终端及存储介质，能够以系统化、标准化的处理流程，高效且准确地实现对手术导航系统中探针标定架的精度验证，显著地提高了探针标定架精度验证的准确性和效率，规避了现有技术中所存在的各类问题。本发明硬件部分的适配性和兼容性较高，能够切实地应用于手术导航系统的日常使用过程中。
此外，本发明还为其他与手术器械精度验证相关的技术方案提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸和深入研究，方案整体具有十分广阔的应用前景。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法的实现流程图；
图2为本发明实施例中所使用的导航定位系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中所使用的基准坐标组件的结构示意图；
图4为本发明实施例中第一时刻下导航定位系统与基准坐标组件之间的相对位置关系示意图；
图5为本发明实施例中第一三维坐标系与第二三维坐标系间的实测位置关系示意图；
图6为本发明实施例提供的一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证装置的架构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种终端的架构示意图。
其中：11、针头；12、探针架；131、第一光学反光球；132、第二光学反光球；133、第三光学反光球；134、第四光学反光球；141、第一安装柱；142、第二安装柱；143、第三安装柱；144、第四安装柱；15、固定销；21、组件框架；221、第一参考位点；222、第二参考位点；223、第三参考位点；231、第一标志物；232、第二标志物；233、第三标志物；234、第四标志物；31、基准坐标系建立模块；32、理论坐标值接收模块；33、实测坐标值获取模块；34、坐标值转换模块；35、精度验证模块；41、处理器；42、存储器；43、计算机程序；44、通讯接口；45、通信总线。
具体实施方式
本发明揭示了一种针对手术导航系统、特别是骨关节手术导航系统中所使用的、用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法及装置，具体方案如下。其中，下文以导航定位系统为探针标定架为例进行说明。
一方面，本发明的一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，方法的实现依托于探针标定架及基准坐标组件的使用。
所述探针标定架的结构如图2所示，其主体部分由一个针头11和一个探针架12构成，所述针头11与所述探针架12二者通过固定销15实现固定连接，所述探针架12上设置有多个光学反光球，分别为，借助第一安装柱141实现与所述探针架12固定连接的第一光学反光球131、借助第二安装柱142实现与所述探针架12固定连接的第二光学反光球132、借助第三安装柱143实现与所述探针架12固定连接的第三光学反光球133以及借助第四安装柱144实现与所述探针架12固定连接的第四光学反光球134，所述第二光学反光球132、所述第三光学反光球133以及所述第四光学反光球134三者共同形成一个用于定位的三角形结构。
所述基准坐标组件的结构如图3所示，其包括一个组件框架21和多个标志物，所述组件框架21上开设有三个参考位点，分别为第一参考位点221、第二参考位点222以及第三参考位点223，每个所述参考位点均与所述针头11相匹配、可供所述针头11的针尖部分插入固定。此外，所述多个标志物的数量至少为3，在本实施例中，所述多个标志物分别为第一标志物231、第二标志物232、第三标志物233以及第四标志物234，所述多个标志物均借助安装柱与所述组件框架21固定连接。
本发明的方法整体流程如图1所示，包括如下步骤。
S1、获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系；所述第一三维坐标系为所述基准坐标系组件的三维坐标系。这一步骤进一步包括如下流程。
S11、获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，考虑到三点确定一个平面的原理，方案中所述多个标志物至少包括第一标志物231、第二标志物232以及第三标志物233。
S12、根据所述第一标志物231及所述第二标志物232的标志物实测空间坐标值拟合出一条参考直线，结合所述第三标志物233的标志物实测空间坐标值及所述参考直线拟合出一个参考平面，以所述第一标志物231的标志物实测空间坐标值为原点、以所述参考直线为Y轴、以垂直于所述参考平面的直线为Z轴，建立得到第一三维坐标系、即所述基准坐标组件的理论三维坐标系。
S2、分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值；在所述第一时刻下、所述探针标定架的针头11的针尖部分插入所述基准坐标组件上的第一参考位点221中且二者刚性固定连接，在所述第二时刻下、所述探针标定架的针头11的针尖部分插入所述基准坐标组件上的第二参考位点222中且二者刚性固定连接，在所述第三时刻下、所述探针标定架的针头11的针尖部分插入所述基准坐标组件上的第三参考位点223中且二者刚性固定连接。这一步骤进一步包括如下流程。
S21、接收并记录预设的第一时刻、第二时刻以及第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值，所述反光球理论空间坐标值均为已知的、所述第一三维坐标系内的固定坐标值。
例如，在第一时刻下所述探针标定架与所述基准坐标组件之间的相对位置关系如图4所示，此时，所述探针标定架上多个所述光学反光球的反光球理论空间坐标值依次为(X11，Y11，Z11)、(X21，Y21，Z21)、(X31，Y31，Z31)以及(X41，Y41，Z41)。同样的，第二时刻、第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球的反光球理论空间坐标值也可以按照上述过程进行确定。
S22、接收并记录预设的误差阈值；所述误差阈值的取值可参考机械臂的重复定位精度(即0.6mm)来设置，通常情况下设置为0.1mm。所述误差阈值主要用来判断实际测量得到的所述光学反光球的空间位置和图纸设计的所述光学反光球的理论位置间的误差值是否在允许范围内，若超过允许范围则说明探针标定架的精度不达标。
S3、通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值；所述第二三维坐标系为所述光学采集设备的三维坐标系。这一步骤进一步包括如下流程。
通过具备图像处理和被测物坐标值输出功能的光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值。
在本实施例中，所述光学采集设备为光学摄像头，其是一个完整设备，具有图像处理和被测物坐标值输出的功能，能够在采集被测物图像后实时获取其坐标值。
例如，在第一时刻下所述基准坐标组件的坐标系(第一三维坐标系)与所述光学采集设备的三维坐标系(第二三维坐标系)之间相对位置关系如图5所示，此时，所述探针标定架上多个所述光学反光球的反光球理论空间坐标值依次为(A11，B11，C11)、(A21，B21，C21)、(A31，B31，C31)以及(A41，B41，C41)。同样的，第二时刻、第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值也可以按照上述过程进行确定。
S4、将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值。这一步骤进一步包括如下流程。
利用坐标系转换矩阵进行所述第二三维坐标系至所述第一三维坐标系的坐标系转换，将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，分别得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值。
S5、依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证。这一步骤进一步包括如下流程。
S51、依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，分别计算得到单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离，计算公式如下，
D＝sqrt[(X1-X2)^2+(Y1-Y2)^2+(Z1-Z2)^2]，
其中，D表示误差距离，X1、Y1、Z1分别表示当前时刻下所述反光球转换空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值，X2、Y2、Z2分别表示当前时刻下所述反光球理论空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值。
S52、依据所得到的单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离与所述误差阈值，对探针标定架的精度进行验证。更进一步的流程如下。
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离平均值，将所述误差距离平均值与所述误差阈值相比较，若所述误差距离平均值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过；或者，
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离的中值，将所述中值与所述误差阈值相比较，若所述中值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过。
此处的验证不通过可以利用声光报警的形式对精度验证结果进行输出，以便操作者及时得到反馈。
综上所述，本发明所提出的一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，通过将图像采集和处理等自动化手段融入精度检测，避免了现有技术中人工操作所带来的测量误差较大、测量结果可信度低等问题，显著地提升了探针标定架的精度验证效果。同时，也使得探针标定架的精度验证过程摆脱了对人工的依赖，不仅大幅节约了人力资源、减少了人员操作的工作量，而且保证了验证效率、加快了手术导航系统的使用进程。
另一方面，本发明还涉及一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证装置，装置架构如图6所示，包括：
基准坐标系建立模块31，用于获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系，所述第一三维坐标系为所述基准坐标系组件的三维坐标系；
理论坐标值接收模块32，用于分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值，在所述第一时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第一参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第二时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第二参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第三时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第三参考位点中且二者刚性固定连接；
实测坐标值获取模块33，用于通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述第二三维坐标系为所述光学采集设备的三维坐标系；
坐标值转换模块34，用于将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值；
精度验证模块35，用于依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证。
在一种可能的实现方式中，所述基准坐标系建立模块31包括：
标志物坐标获取单元，用于获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，所述多个标志物至少包括第一标志物、第二标志物以及第三标志物；
基准坐标系建立单元，用于根据所述第一标志物及所述第二标志物的标志物实测空间坐标值拟合出一条参考直线，结合所述第三标志物的标志物实测空间坐标值及所述参考直线拟合出一个参考平面，以所述第一标志物的标志物实测空间坐标值为原点、以所述参考直线为Y轴、以垂直于所述参考平面的直线为Z轴，建立得到第一三维坐标系。
在一种可能的实现方式中，所述理论坐标值接收模块32包括：
反光球理论坐标值接收单元，用于接收并记录预设的第一时刻、第二时刻以及第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值，所述反光球理论空间坐标值均为所述第一三维坐标系内的固定坐标值；
误差阈值接收单元，用于接收并记录预设的误差阈值。
在一种可能的实现方式中，所述实测坐标值获取模块33包括：
反光球实测坐标值获取单元，用于通过具备图像处理和被测物坐标值输出功能的光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述光学采集设备为光学摄像头。
在一种可能的实现方式中，所述坐标值转换模块34包括：
反光球坐标值转换单元，用于利用坐标系转换矩阵，将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值。
在一种可能的实现方式中，所述精度验证模块35包括：
误差距离计算单元，用于依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，分别计算得到单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离，计算公式为：
D＝sqrt[(X1-X2)^2+(Y1-Y2)^2+(Z1-Z2)^2]，
其中，D表示误差距离，X1、Y1、Z1分别表示当前时刻下所述反光球转换空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值，X2、Y2、Z2分别表示当前时刻下所述反光球理论空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值；
精度核验单元，用于依据所得到的单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离与所述误差阈值，对探针标定架的精度进行验证。
在一种可能的实现方式中，所述精度验证模块35，在依据所得到的单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离与所述误差阈值，对探针标定架的精度进行验证时，具体用于：
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离平均值，将所述误差距离平均值与所述误差阈值相比较，若所述误差距离平均值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过；或者，
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离的中值，将所述中值与所述误差阈值相比较，若所述中值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过。
又一方面，本发明还涉及一种终端，所述终端结构如图7所示，包括存储器42、处理器41以及存储在所述存储器42中并可在所述处理器41上运行的计算机程序43，所述处理器41执行所述计算机程序43时实现如前文中所述用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法中的步骤，例如图1所示的步骤S1～S5。或者，处理器执行计算机程序时实现上述装置实施例中各模块/单元的功能，例如图6所示的各模块/单元的功能。所述终端内还包括用于连接其他外部装置的通讯接口44，所述处理器41、所述存储器42以及所述通讯接口44三者通过通信总线45实现信号交互。本方案中的所述通信总线为485通信总线。
再一方面，本发明还涉及一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行所述计算机程序时实现如前文中所述用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法中的步骤。
其中，可读存储介质可以是计算机存储介质，也可以是通信介质。通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。计算机存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。例如，可读存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该可读存储介质读取信息，且可向该可读存储介质写入信息。当然，可读存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和可读存储介质可以位于专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)中。另外，该ASIC可以位于用户设备中。当然，处理器和可读存储介质也可以作为分立组件存在于通信设备中。可读存储介质可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
与上述方法内容相对应的，本发明所提出的一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证装置、终端及存储介质，能够以系统化、标准化的处理流程，高效且准确地实现对手术导航系统中探针标定架的精度验证，显著地提高了探针标定架精度验证的准确性和效率，规避了现有技术中所存在的各类问题。本发明硬件部分的适配性和兼容性较高，能够切实地应用于手术导航系统的日常使用过程中。
此外，本发明还为其他与手术器械精度验证相关的技术方案提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸和深入研究，方案整体具有十分广阔的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，其特征在于，所述方法的实现依托于探针标定架及基准坐标组件的使用；
所述探针标定架的主体部分由一个针头和一个探针架构成，所述针头与所述探针架通过固定销固定连接；所述探针架上设置有多个光学反光球，分别为第一光学反光球、第二光学反光球、第三光学反光球和第四光学反光球，所述第二光学反光球、所述第三光学反光球以及所述第四光学反光球共同形成用于定位的三角形结构；
所述基准坐标组件包括组件框架和多个标志物；所述组件框架为平面连接框架结构，多个所述标志物分别沿同一平面方向设置于所述组件框架的连接顶点，相邻两个所述标志物之间的连接杆上开设参考位点；所述组件框架上开设三个参考位点；所述多个标志物的数量为四个；
所述方法包括：
获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系，所述第一三维坐标系为所述基准坐标组件的三维坐标系；
分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值，在所述第一时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第一参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第二时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第二参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第三时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第三参考位点中且二者刚性固定连接；
通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述第二三维坐标系为所述光学采集设备的三维坐标系；
将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值；
依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证。
2.根据权利要求1所述的用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，其特征在于，所述获取所述基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系，包括：
获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，所述多个标志物至少包括第一标志物、第二标志物以及第三标志物；
根据所述第一标志物及所述第二标志物的标志物实测空间坐标值拟合出一条参考直线，结合所述第三标志物的标志物实测空间坐标值及所述参考直线拟合出一个参考平面，以所述第一标志物的标志物实测空间坐标值为原点、以所述参考直线为Y轴、以垂直于所述参考平面的直线为Z轴，建立得到第一三维坐标系。
3.根据权利要求1所述的用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，其特征在于，所述分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值，包括：
接收并记录预设的第一时刻、第二时刻以及第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值，所述反光球理论空间坐标值均为所述第一三维坐标系内的固定坐标值；
接收并记录预设的误差阈值。
4.根据权利要求1所述的用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，其特征在于，所述通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，包括：
通过具备图像处理和被测物坐标值输出功能的光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述光学采集设备为光学摄像头。
5.根据权利要求1所述的用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，其特征在于，所述将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值，包括：
利用坐标系转换矩阵，将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下所述探针标定架上多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值。
6.根据权利要求1所述的用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，其特征在于，所述依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证，包括：
依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，分别计算得到单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离，计算公式为：
D＝sqrt[(X1-X2)^2+(Y1-Y2)^2+(Z1-Z2)^2]，
其中，D表示误差距离，X1、Y1、Z1分别表示当前时刻下所述反光球转换空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值，X2、Y2、Z2分别表示当前时刻下所述反光球理论空间坐标值中的X轴、Y轴、Z轴的数值；
依据所得到的单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离与所述误差阈值，对探针标定架的精度进行验证。
7.根据权利要求6所述的用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法，其特征在于，所述依据所得到的单一时刻下每个所述光学反光球的误差距离与所述误差阈值，对探针标定架的精度进行验证，包括：
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离平均值，将所述误差距离平均值与所述误差阈值相比较，若所述误差距离平均值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过；或者，
确定全部所述光学反光球在三个时刻下的误差距离的中值，将所述中值与所述误差阈值相比较，若所述中值不大于所述误差阈值则精度验证通过，否则精度验证不通过。
8.一种用于关节置换术的导航定位系统精度验证装置，其特征在于，依托于探针标定架及基准坐标组件的使用；
所述探针标定架的主体部分由一个针头和一个探针架构成，所述针头与所述探针架通过固定销固定连接；所述探针架上设置有多个光学反光球，分别为第一光学反光球、第二光学反光球、第三光学反光球和第四光学反光球，所述第二光学反光球、所述第三光学反光球以及所述第四光学反光球共同形成用于定位的三角形结构；
所述基准坐标组件包括组件框架和多个标志物；所述组件框架为平面连接框架结构，多个所述标志物分别沿同一平面方向设置于所述组件框架的连接顶点，相邻两个所述标志物之间的连接杆上开设参考位点；所述组件框架上开设三个参考位点；所述多个标志物的数量为四个；
所述装置包括：
基准坐标系建立模块，用于获取基准坐标组件上多个标志物的标志物实测空间坐标值，依据所述标志物实测空间坐标值建立第一三维坐标系，所述第一三维坐标系为所述基准坐标组件的三维坐标系；
理论坐标值接收模块，用于分别接收第一时刻、第二时刻、第三时刻下探针标定架上多个光学反光球的反光球理论空间坐标值以及误差阈值，在所述第一时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第一参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第二时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第二参考位点中且二者刚性固定连接，在所述第三时刻下、所述探针标定架的针尖插入所述基准坐标组件上的第三参考位点中且二者刚性固定连接；
实测坐标值获取模块，用于通过光学采集设备分别获取所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在第二三维坐标系中的反光球实测空间坐标值，所述第二三维坐标系为所述光学采集设备的三维坐标系；
坐标值转换模块，用于将所述反光球实测空间坐标值转换至所述第一三维坐标系中，得到所述第一时刻、第二时刻以及第三时刻下多个所述光学反光球在所述第一三维坐标系中的反光球转换空间坐标值；
精度验证模块，用于依据所述反光球转换空间坐标值与所述反光球理论空间坐标值，对探针标定架的精度进行验证。
9.一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一所述用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一所述用于关节置换术的导航定位系统精度验证方法中的步骤。
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