CN115530978A - 一种导航定位方法及系统 - Google Patents

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CN115530978A CN202211359239.9A CN202211359239A CN115530978A CN 115530978 A CN115530978 A CN 115530978A CN 202211359239 A CN202211359239 A CN 202211359239A CN 115530978 A CN115530978 A CN 115530978A
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Abstract

本说明书提供了一种导航定位方法及系统，借助定位组件上不共面的两个标记面在不同方位上成像得到第一透视图像、第二透视图像，在第一透视图像上确定第一目标点之后，确定第一目标点变换至第一平面得到的第一虚拟点、变换至第二平面得到的第二虚拟点；在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点之后，确定第二目标点变换至第三虚拟平面得到的第三虚拟点、变换至第四虚拟平面得到的第四虚拟点；将过第一虚拟点、第二虚拟点的第一直线与过第三虚拟点、第四虚拟点的第二直线的空间交点的坐标确定为目标点的空间坐标。由于标记点的空间坐标以及成像平面在成像光线的中末段，因此，计算误差被放大的幅度较小，从而确定的目标点的空间坐标的误差较小。

Description

一种导航定位方法及系统
技术领域
本说明书涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种导航定位方法及系统。
背景技术
手术机器人在导航定位过程中，通常需要利用二维影像(例如X光透视图像)进行定位和手术规划。现有导航定位方法通常是利用定位组件作为空间定位的参考基准，将定位组件放置在光源与成像平面之间的患者身边进行成像。在手术时，从患者的正位、侧位两个角度对目标部位进行图像采集，结合正位图像、侧位图像确定目标部位中规划目标点的空间坐标。
现有技术结合正位图像、侧位图像进行空间定位的方法，通常需要先计算出正位图像、侧位图像成像时光源的空间坐标，再结合光源的空间坐标来确定规划目标点的空间坐标。
然而，这种方法得到的规划目标点的空间坐标通常误差较大。
发明内容
本申请实施方式的目的是提供一种导航定位方法及系统，以解决现有导航定位方法的误差较大的问题。
本说明书第一方面提供一种导航定位方法，包括：一种术中的导航定位方法，包括：获取包括目标对象和定位组件的第一透视图像和第二透视图像，第一透视图像中定位组件相对目标对象处于第一成像姿态，第二透视图像中定位组件相对目标对象处于第二成像姿态，第一成像姿态和第二成像姿态相异；所述定位组件至少包括第一标记面、第二标记面；计算第一成像姿态下的所述第一标记面与所述第一透视图像的第一变换矩阵、所述第二标记面与所述第一透视图像的第二变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第一标记面与所述第二透视图像的第三变换矩阵、所述第二标记面与所述第二透视图像的第四变换矩阵；在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第一变换矩阵计算得到第一虚拟点，根据第二变换矩阵计算得到第二虚拟点，根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线；在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第三变换矩阵计算得到第三虚拟点，根据第四变换矩阵计算得到第四虚拟点，根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线；将所述第二直线与所述第一直线的交点确定为规划目标点，规划目标点显示于被规划的图像上。
在一些实施例中，所述定位组件包括至少一个第三标记面，相应地，所述方法还包括：计算第一成像姿态下的所述第三标记面与所述第一透视图像的第五变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第三标记面与所述第二透视图像的第六变换矩阵；根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线，包括：在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第五变换矩阵计算得到第七虚拟点，计算所述第一虚拟点、所述第二虚拟点、所述第七虚拟点的拟合直线，并将所述拟合直线作为第一直线；和/或，根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线，包括：在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第六变换矩阵计算得到第八虚拟点，计算所述第三虚拟点、所述第四虚拟点、所述第八虚拟点的拟合直线，并将所述拟合直线作为第二直线。
在一些实施例中，所述第一变换矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的第一标记面上的各标记点在第一透视图像中的第一图像坐标，并采集定位组件的第一标记面上的各标记点在第一成像姿态下目标对象坐标系中的第一空间坐标；基于一一对应的第一图像坐标和第一空间坐标，计算所述第一变换矩阵；和/或，所述第二变换矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的第二标记面上的各标记点在第一透视图像中的第二图像坐标，并采集定位组件的第二标记面上的各标记点在第一成像姿态下目标对象坐标系中的第二空间坐标；基于一一对应的第二图像坐标和第二空间坐标，计算所述第二变换矩阵；和/或，所述第三变换矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的第一标记面上的各标记点在第二透视图像中的第三图像坐标，并采集定位组件的第一标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的第三空间坐标；基于一一对应的第三图像坐标和第三空间坐标，计算所述第三变换矩阵；和/或，所述第四变换矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的第二标记面上的各标记点在第二透视图像中的第四图像坐标，并采集定位组件的第二标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的第四空间坐标；基于一一对应的第四图像坐标和第四空间坐标，计算所述第四变换矩阵。
在一些实施例中，通过以下方法采集定位组件的目标标记面上的各标记点在目标成像姿态下目标坐标系中的空间坐标：采集目标成像姿态下，定位组件的目标标记面上的各标记点在工具坐标系下的第五空间坐标；根据工具坐标系和目标对象坐标系的转换矩阵，将所述第五空间坐标转换为目标坐标系中的空间坐标。
在一些实施例中，在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点之前，还包括：获取第二成像姿态下的投影矩阵；采用所述投影矩阵将第一虚拟点、第二虚拟点分别投影至第二透视图像平面下得到第五虚拟点和第六虚拟点；根据所述第五虚拟点和所述第六虚拟点确定目标直线；在所述第二透视图像中显示所述目标直线，以用于在所述第二目标直线上选取第二目标点。
在一些实施例中，所述投影矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的目标标记面上的各标记点在第二透视图像中的图像坐标，并采集定位组件的目标标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的空间坐标；所述目标标记面包括第一标记面和/或第二标记面；确定定位组件的目标标记面上各标记点的图像坐标与空间坐标的对应关系，并按照所述对应关系构造图像坐标矩阵和空间坐标矩阵；构造投影矩阵，所述投影矩阵中的元素含有未知的变量；根据所述图像坐标矩阵、所述空间坐标矩阵，求解投影矩阵中的变量，得到元素均为常数值的投影矩阵。
在一些实施例中，所述规划目标点的数量为两个，两个规划目标点之间的连线作为植入物的植入路径。
在一些实施例中，所述植入物为螺钉。
本说明书第二方面提供一种术中的导航定位装置，包括：第一获取单元，用于获取包括目标对象和定位组件的第一透视图像和第二透视图像，第一透视图像中定位组件相对目标对象处于第一成像姿态，第二透视图像中定位组件相对目标对象处于第二成像姿态，第一成像姿态和第二成像姿态相异；所述定位组件至少包括第一标记面、第二标记面；第一计算单元，用于计算第一成像姿态下的所述第一标记面与所述第一透视图像的第一变换矩阵、所述第二标记面与所述第一透视图像的第二变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第一标记面与所述第二透视图像的第三变换矩阵、所述第二标记面与所述第二透视图像的第四变换矩阵；第二计算单元，用于在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第一变换矩阵计算得到第一虚拟点，根据第二变换矩阵计算得到第二虚拟点，根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线；第三计算单元，用于在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第三变换矩阵计算得到第三虚拟点，根据第四变换矩阵计算得到第四虚拟点，根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线；第一确定单元，用于将所述第二直线与所述第一直线的交点确定为规划目标点，规划目标点显示于被规划的图像上。
本说明书第三方面提供一种导航定位系统，包括：图像台车，所述图像台车被配置为用于实现第一方面任一项所述的方法。
在一些实施例中，所述导航定位系统还包括：光学成像设备，包括相对设置的光源和成像平面；定位组件，包括杆体和两个标记面；所述杆体的第一端可拆卸的设置在机械臂的末端，所述杆体的第二端上设置所述两个标记面；所述两个标记面不共面，并且每个标记面上各设置有一组标记点；其中，所述定位组件上的所述标记点用于和目标对象一并在所述光源和所述成像平面之间成像。
在一些实施例中，所述导航定位系统还包括：执行台车，所述执行台车包括上位机和机械臂；末端工具，可拆卸地安装在所述机械臂的末端；工具示踪器，所述示踪器安装在所述机械臂的末端；目标对象示踪器，所述目标对象示踪器安装在所述目标对象上；位置追踪设备，所述位置追踪设备用于识别所述工具示踪器、目标对象示踪器，以跟踪所述末端工具和目标对象；其中，所述上位机根据植入物的植入路径控制所述机械臂动作以使所述末端工具的位姿与所述植入路径相匹配，所述植入物的植入路径包括两个规划目标点之间的连线。
在一些实施例中，所述图像台车包括：人机交互子系统，用于显示所述第一透视图像、所述第二透视图像，并获取选取的第一目标点和第二目标点。
本说明书第四方面提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被执行时实现第一方面任一项所述方法的步骤。
本说明书所提供的导航定位方法、装置及系统，借助定位组件上不共面的两个标记面在不同方位上进行成像得到第一透视图像、第二透视图像，根据各标记面上各标记点在两个图像上的图像坐标以及各透视图像进行成像时各标记点的空间坐标确定规划目标点的空间坐标，由于标记点的空间坐标以及成像平面在成像光线的中末段，因此，计算误差被放大的幅度较小，从而根据该导航定位方法确定的规划目标点的空间坐标的误差较小。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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申请中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了导航定位系统的示意图；
图2示出了机械臂末端安装定位组件的示意图；
图3示出了定位组件的一种结构示意图；
图4示出了定位组件的另一种结构示意图；
图5示出了采用定位组件进行成像得到正位图像；
图6示出了采用定位组件进行成像得到侧位图像；
图7示出了图像坐标系的示意图；
图8示出了本说明书提供的一种导航定位方法的流程图；
图9示出了根据正位图像和侧位图像确定空间中规划目标点坐标的一个原理示意图；
图10示出了识别正位图像中第一标记面、第二标记面上各标记点的图像的示意图；
图11示出了识别侧位图像中第一标记面、第二标记面上各标记点的图像的示意图；
图12示出了本说明书提供的另一种导航定位方法的流程图；
图13示出了根据正位图像和侧位图像确定空间中规划目标点坐标的另一个原理示意图；
图14示出了对图7所示的正位图像进行标记点提取的示意图；
图15示出了对图8所示的侧位图像进行标记点提取的示意图；
图16示出了用针孔相机模型对光学成像设备的成像原理进行建模的示意图；
图17示出了本说明书提供的导航定位装置的原理框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本申请保护的范围。
针对现有定位方法得到的规划目标点的空间坐标通常误差较大的问题，发明人进行了研究后发现，在计算光源的空间坐标时，需要先根据定位组件上多个标记点的空间坐标、图像坐标计算得到多条射线，然后采用最小二乘法计算这些射线的交点的空间坐标作为光源的空间坐标。由于最小二乘法的计算得到的光源空间坐标与实际有偏差，而光源位置处于成像光线的首端，距离规划目标点及成像平面较远，光源坐标的计算误差在投影时会被放大，这就导致结合光源的空间坐标来确定规划目标点的空间坐标就容易出现较大偏差。基于此，本说明书提出一种无需计算光源坐标的导航定位方法。
首先，本说明书提供一种导航定位系统，包括图像台车，该图像台车被配置为实现本说明书所提供的导航定位方法。
在一些实施例中，导航定位系统还包括光学成像设备和定位组件。
光学成像设备用于对目标对象的目标部位进行成像以得到二维影像。光学成像设备采用投影原理进行成像。如图1所示，成像设备可以包括相对设置的光源11和成像平面12，光源11用于产生成像用的光线，例如，光源11可以产生X光、伽马光等。成像平面12上通常设置有胶片。
以X光成像为例，成像设备的成像原理为：X光具有穿透性、荧光效应和感光效应，当X光透过人体不同组织结构时，人体组织之间在密度和厚度的差别使得X光被接收的程度不同，从而到达成像平面上的X光的能量有差异，这样就在成像平面上形成了明暗或黑白对比不同的影像。
在一些实施例中，成像设备可以为C型臂产品6。
定位组件，如图1、图2和图3所示，包括杆体21和第一标记面21、第二标记面22。杆体21的第一端可拆卸地设置在机械臂4的末端，杆体21的第二端上设置第一标记面22和第二标记面23。两个标记面不共平面，可以是平行的关系(也即，第一标记面所在的平面与第二标记面所在的平面是两个平行的平面，而不是一个平面)，并且每个标记面上各设置有多个标记点。每个标记面上的多个标记点不共线，即根据任意三个标记点可以唯一确定一个平面。在成像时，定位组件上的标记点与目标对象一并在光源和成像平面之间成像。
本说明书所提及的“两个面平行”可以不是严格的平行，而是两个面之间可以存在夹角，但是夹角小于预定角度，在误差允许范围内。
第一标记面22上设置的第一组标记点和第二标记面23上设置的第二组标记点在材质、大小、布局方式等方面中的至少一个方面不同，以便于从图像上区分两个标记面上的标记点。标记点通常为金属材质的小球。
例如，如图2和图3所示，第一标记面22和第二标记面23上的标记点小球的直径不同、布局方式也不同。
每个标记面上的标记点的数量为三个以上，并且每个面上的这些标记点是不完全共线的，也即，通过一个面上的标记点理论上能够唯一确定一个平面。在一些实施例中，每个标记面上标记点的数量可以多一些，例如图3中每个标记面上有9个标记点；在一些实施例中，每个标记面上标记点的数量可以少一些，例如图4中每个标记面上有5个标记点。每个标记面上的标记点较少时，可以减少作为标记点的金属小球对诊断和手术规划的影响。但是较少的标记点会降低定位的精度。图3和图4所示的定位组件可以用于对精度要求不同的应用场景。
在一些实施例中，第一标记面22和第二标记面23可以是相对设置的，也可以是不相对设置的，都可以用于实现本说明书所提供的导航定位方法。不相对设置的结构如图3所示。图5示出了采用第一标记面和第二标记面不相对设置的定位组件进行成像得到的正位图像，图6示出了采用第一标记面和第二标记面不相对设置的定位组件进行成像得到的侧位图像，由此可以看出，在采用第一标记面和第二标记面不相对设置的定位组件进行成像得到的图像中，第一标记面和第二标记面上标记点的影像不会重合，较容易分辨，从而能够减少图像处理的工作量。
在一些实施例中，该导航定位系统还可以包括人机交互子系统，用于向手术医生呈现下文所提及的第一透视图像、第二透视图像，并获取选取的第一目标点和第二目标点。该人机交互子系统可以为图1中所示的上位机5，也可以是VR(Virtual Reality，虚拟现实)设备等。
采用图1所示的导航定位系统进行成像时的操作时，在目标对象躺在床7上之后，调整成像设备的光源11和成像平面12，使得光源11在目标对象目标部位的上方，成像平面12在目标对象的下方，这样的成像姿态可以称为正位，将定位组件2放置于目标对象目标部位附近并保持定位组件2的平面与成像平面12之间的异面夹角在第一预定角度范围内(例如，在0-10°)，采用该方位进行成像得到的第一透视图像也可以称为正位图像，如图5所示。然后，保持目标对象目标部位不动，调整成像设备的光源11和成像平面12分别在目标对象目标部位的左、右两侧，这样的成像姿态可以称为侧位，将定位组件2放置于目标对象目标部位附近并保持定位组件2的平面与成像平面12之间的异面夹角在第一预定角度范围内(例如，在0-10°)，采用该方位进行成像得到的第二透视图像也可以称为侧位图像，如图6所示。在得到第一透视图像和第二透视图像后，控制器便可以结合第一透视图像和第二透视图像执行本说明书提供的导航定位方法。
在成像时，目标对象示踪器31安装在目标对象上，通过位置追踪设备33识别目标对象示踪器31，以跟踪目标对象。
在骨科手术中，可以先进行上述正位图像、侧位图像的成像操作，然后移开光学成像设备，开始使用执行台车，该手术设备上包括上位机5和机械臂4，机械臂4的末端可拆卸地安装有末端工具，该末端工具作为手术的辅助工具，末端工具具体可以为植入物的植入位姿导向器。机械臂4的末端还安装有工具示踪器32，位置追踪设备33看可以识别工具示踪器32，以跟踪末端工具。上位机5可以根据规划目标点确定末端工具的摆位位姿，从而在手术空间中框定植入物的植入位姿。手术医生在该定位导向器的辅助下将植入物按照定位导向器所框定的位姿植入螺钉。
在得到第一透视图像、第二透视图像后，可以计算得到成像相关的变换矩阵，包括第一成像姿态下第一透视图像至第一标记面所在的虚拟平面的第一变换矩阵、第一成像姿态下第一透视图像至第二标记面所在的虚拟平面的第二变换矩阵、第二成像姿态下第二透视图像至第一标记面所在的虚拟平面的第三变换矩阵、第二成像姿态下第二透视图像至第二标记面所在的虚拟平面的第四变换矩阵，还可以计算第一成像姿态下的第一投影矩阵、第二成像姿态下的第二投影矩阵。计算得到的这些矩阵用于根据在第一透视图像上选取的第一目标点、第二透视图像上选取的第二目标点来确定目标对象坐标系下的规划目标点。
目标对象坐标系可以是以目标对象上任意一点作为原点的空间坐标系。
图8示出了本说明书所提供的导航定位方法的流程图，该导航定位方法可以根据上述第一透视图像、第二透视图像确定规划目标点的空间坐标。如图8所示，该方法包括如下步骤：
S10：获取目标对象和定位组件的第一透视图像和第二透视图像，第一透视图像中定位组件相对于目标对象处于第一成像姿态，第二透视图像中定位组件相对于目标对象处于第二成像姿态，第一成像姿态和第二成像姿态相异。所述定位组件至少包括两个不共面的第一标记面、第二标记面。
在成像时，目标对象位于光源和成像平面(即成像平面)之间，定位组件位于目标对象附近，并且第一标记面与成像平面之间的异面夹角在第一预定角度范围内(例如，在0-10°)，第二标记面与成像平面之间的异面夹角在第一预定角度范围内(例如，在0-10°)。
目标对象可以是指人或动物等。
相异的第一成像姿态、第二成像姿态，可以是指上述正位成像姿态和侧位成像姿态，也可以是其他第一成像姿态、第二成像姿态。以第一成像姿态、第二成像姿态进行成像时的成像方向之间的夹角应当在在第二预定角度范围内(例如，夹角为30°至90°的任一角度)，其中成像方向是指光源至成像平面的方向。两个方位的成像方向之间的夹角越接近90°，导航定位方法的准确度越高。
由于定位组件的第一标记面与第二标记面不共面，第一标记面和第二标记面可以是平行的关系，并且第一标记面、第二标记面与成像平面可以是大致平行的，因此，光源至第一标记面、第二标记面的距离是不同的。
图9示出了正位图像和侧位图像的成像原理图。其中，N为目标对象的目标部位；Q1为正位图像成像时的光源位置，P1为正位图像对应的定位组件的第一标记面所在的平面(即第一平面)，P2为正位图像对应的定位组件的第二标记面所在的平面(即第二平面)，M1表示正位图像；Q2为侧位图像成像时的光源位置，P3为侧位图像对应的定位组件的第一标记面所在的平面(第三平面)，P4为侧位图像对应的定位组件的第二标记面所在的平面(第四平面)，M2表示侧位图像。从图9中可以看出，在进行成像时，光源至第一标记面所在平面的第一距离，与光源至第二标记面所在平面的第二距离是不同的。本说明书所提供的导航定位方法，正是基于第一距离与第二距离不同来实现空间定位的。
S20：计算第一成像姿态下的所述第一标记面与所述第一透视图像的第一变换矩阵、所述第二标记面与所述第一透视图像的第二变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第一标记面与所述第二透视图像的第三变换矩阵、所述第二标记面与所述第二透视图像的第四变换矩阵。
所述第一变换矩阵可以通过以下方法确定：获取定位组件的第一标记面上的各标记点在第一透视图像中的第一图像坐标，并采集定位组件的第一标记面上的各标记点在第一成像姿态下目标对象坐标系中的第一空间坐标；基于一一对应的第一图像坐标和第一空间坐标，计算所述第一变换矩阵。
例如，可以通过以下步骤S91至S94求取第一变换矩阵。
S91：从第一透视图像提取出定位组件的第一标记面上各标记点的图像，并确定所述各标记点在第一透视图像上的第一图像坐标。
本说明书中的图像坐标是指，在图像上建立的二维坐标系，如图7所示，坐标原点可以设置在图像的边缘上，则图像坐标系为uov。
图10示出了对图5所示的正位图像进行标记点提取的示意图，图11示出了对图6所示的侧位图像进行标记点提取的示意图，其中，L1至L9为定位组件第一标记面上标记点的图像，S1至S9为定位组件第二标记面上标记点的图像。步骤S91即确定图9中标记点L1至L9在图像中的图像坐标。
S92：获取在第一成像姿态下定位组件的第一标记面上各标记点的第一空间坐标。
例如，在图5所示正位图像进行成像时，第一标记面上各标记点在目标对象坐标系下的第一空间坐标。
S93：确定定位组件的第一标记面上各标记点的第一图像坐标与第一空间坐标的对应关系，并按照所述对应关系构造第一图像坐标矩阵和第一空间坐标矩阵。
其中，第一图像坐标矩阵中的元素为第一标记面上的各标记点在第一图像上的图像坐标，第一空间坐标矩阵中的元素为在第一图像成像时第一标记面上各标记点的空间坐标。
S93可以是按照预定的第一标记面上标记点顺序，依次确定标记点的空间坐标，得到第一空间坐标序列，并按照该预定的第一标记面上标记点顺序，依次确定标记点的图像坐标，得到第一图像坐标序列，则第一空间坐标序列与第一图像坐标序列中对应位置上的坐标便是对应于同一个标记点的，从而可以根据第一空间坐标序列构造第一空间坐标矩阵，根据第一图像坐标序列构造第一图像坐标矩阵。
S94：根据第一图像坐标矩阵、第一空间坐标矩阵，确定从第一图像至第一平面的第一变换矩阵。
所述第二变换矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的第二标记面上的各标记点在第一透视图像中的第二图像坐标，并采集定位组件的第二标记面上的各标记点在第一成像姿态下目标对象坐标系中的第二空间坐标；基于一一对应的第二图像坐标和第二空间坐标，计算所述第二变换矩阵。
该第二变换矩阵的计算方式可以参考第一变换矩阵的计算方式，区别在于计算第二变换矩阵时关注的是第二标记面。
所述第三变换矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的第一标记面上的各标记点在第二透视图像中的第三图像坐标，并采集定位组件的第一标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的第三空间坐标；基于一一对应的第三图像坐标和第三空间坐标，计算所述第三变换矩阵。
该第三变换矩阵的计算方式可以参考第一变换矩阵的计算方式，区别在于计算第二变换矩阵时关注的是第二成像姿态、第二透视图像。
所述第四变换矩阵通过以下方法确定：获取定位组件的第二标记面上的各标记点在第二透视图像中的第四图像坐标，并采集定位组件的第二标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的第四空间坐标；基于一一对应的第四图像坐标和第四空间坐标，计算所述第四变换矩阵。
该第三变换矩阵的计算方式可以参考第一变换矩阵的计算方式，区别在于计算第二变换矩阵时关注的是第二成像姿态、第二透视图像以及第二标记面。
在计算上述各变换矩阵之前，可以通过以下方法采集定位组件的目标标记面上的各标记点在目标成像姿态下目标坐标系中的空间坐标：采集目标成像姿态下，定位组件的目标标记面上的各标记点在工具坐标系下的第五空间坐标；根据工具坐标系和目标对象坐标系的转换矩阵，将所述第五空间坐标转换为目标坐标系中的空间坐标。
例如，在图1所示的系统中，可以通过位置追踪设备33确定各标记点在工具示踪器32所确定的工具坐标系下的第五空间坐标，位置追踪设备33还可以确定目标对象示踪器31上各靶点的坐标、工具示踪器32上各靶点的坐标，根据目标对象示踪器31上各靶点的坐标、工具示踪器32上各靶点的坐标确定工具坐标系和目标坐标系的转换矩阵，根据该转换矩阵将第五空间坐标转换为目标坐标系中的空间坐标。其中，目标坐标系是根据目标对象示踪器31确定的。
S30：在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第一变换矩阵计算得到第一虚拟点，根据第二变换矩阵计算得到第二虚拟点，根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线。
第一平面为第一透视图像成像时第一标记面所在的平面；第二平面为第一透视图像成像时第二标记面所在的平面。
可以采用第一变换矩阵将第一目标点变换至第一平面上得到第一虚拟点，采用第二变换矩阵将第一目标点变换至第二平面上得到第二虚拟点。
第一目标点可以是手术医生确定的，也可以是由手术系统自动确定、并由手术医生确认的。在由手术医生确定第一目标点的情况下，可以在该步骤S30之前通过人机交互子系统向手术医生呈现第一透视图像。
如图9所示，第一目标点为X。S30可以根据第一变换矩阵将第一目标点X变换至第一平面P1上得到第一虚拟点X1的坐标，根据第二变换矩阵将第一目标点变换至第二平面P2上得到第二虚拟点X2的坐标，将过第一虚拟点X1、第二虚拟点X2的直线作为第一直线。
S40：在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第三变换矩阵计算得到第三虚拟点，根据第四变换矩阵计算得到第四虚拟点，根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线。
第三平面为第二透视图像成像时第一标记面所在的平面，第四平面为第二透视图像成像时第二标记面所在的平面。
可以采用第三变换矩阵将第二目标点变换至第三平面上得到第三虚拟点，采用第四矩阵将第二目标点变换至第四平面上得到第四虚拟点。
第二目标点可以是手术确定的，也可以是由手术系统自动确定、并由手术医生确认的。在由手术医生确定第二目标点的情况下，可以在该步骤S40之前通过人机交互子系统向手术医生呈现第二透视图像。
如图9所示，第二目标点为Y。S40可以根据第三变换矩阵将第二目标点Y变换至第三平面P3上得到第三虚拟点Y1的坐标，根据第四变换矩阵将第二目标点变换至第四平面P4上得到第四虚拟点Y2的坐标，将过第三虚拟点Y1、第四虚拟点Y2的直线作为第二直线。
S50：将所述第二直线与所述第一直线的交点确定为规划目标点，规划目标点显示于被规划的图像上。
由于第一虚拟点、第二虚拟点的空间坐标已经确定，因此可以根据这两点的坐标确定过这两点的第一直线的表达式；由于第三虚拟点、第四虚拟点的空间坐标已经确定，因此可以根据这两点的坐标确定过这两点的第二直线的表达式。根据第一直线和第二直线的表达式可以求解得到这两条直线的交点的坐标，即得到规划目标点的空间坐标。
在一些实施例中，定位组件上还可以有三个或三个以上的标记面。在有三个以上标记面的情况下，第一直线、第二直线可以是三个以上的虚拟点拟合得到的直线。
具体地，可以先计算第一成像姿态下的所述第三标记面与所述第一透视图像的第五变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第三标记面与所述第二透视图像的第六变换矩阵。那么，根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线，包括：在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第五变换矩阵计算得到第七虚拟点，计算所述第一虚拟点、所述第二虚拟点、所述第七虚拟点的拟合直线，并将所述拟合直线作为第一直线。类似地，根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线，包括：在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第六变换矩阵计算得到第八虚拟点，计算所述第三虚拟点、所述第四虚拟点、所述第八虚拟点的拟合直线，并将所述拟合直线作为第二直线。
可以采用图8所示的方法获得一个规划目标点或者多个目标点。在骨科植入手术中，规划目标点的数量可以为两个，这两个规划目标点之间的连线作为植入物的植入路径。例如，在植入螺钉的情况下，这两个规划目标点分别为螺钉的入钉点和出钉点，两个规划目标点之间的连线作为植入物的植入路径，也即通过这两个规划目标点，可以确定螺钉植入骨内的位姿。
本说明书所提供的导航定位方法、装置及系统，借助定位组件上不共面的两个标记面在不同方位上进行成像得到第一透视图像、第二透视图像，根据各标记面上各标记点在两个透视图像上的图像坐标以及各透视成像时各标记点的空间坐标确定规划目标点的空间坐标，由于标记点的空间坐标以及成像平面在成像光线的中末段，因此，计算误差被放大的幅度较小，从而根据该导航定位方法确定的规划目标点的空间坐标的误差较小。
在一些实施例中，图8和图9所示的实施例中，第一目标点、第二目标点都可以是手术医生根据经验选取的，也即，选取第二目标点时并不会参考第一目标点的选取结果，而只会参考第一透视图像、第二透视图像上原本显示的图像。
在一些实施例中，如图12和图13所示，在S30和S40之间，还包括如下步骤：S50-S80。
S50：获取第二成像姿态下的投影矩阵。
S60：采用所述投影矩阵将第一虚拟点、第二虚拟点分别投影至第二透视图像平面下得到第五虚拟点和第六虚拟点。
S70：根据所述第五虚拟点和所述第六虚拟点确定目标直线。
S80：在所述第二透视图像中显示所述目标直线，以用于在所述第二目标直线上选取第二目标点。
S60可以采用预先计算的第二投影矩阵将第一虚拟点投影至第二透视图像平面得到第五虚拟点，并采用预先计算的第二投影矩阵将第二虚拟点投影至第二透视图像平面得到第六虚拟点。在确定第五虚拟点、第六虚拟点在第二透视图像上的坐标后，便可以在第二透视图像上唯一确定一条直线，将该直线作为目标直线显示在第二透视图像上。手术医生在选取第二目标点时，可以仅考虑在该目标直线上选取，从而能够降低通过第一透视图像、第二透视图像交互定位的难度。
如图13所示，可以根据第二投影矩阵确定第一虚拟点X1投影至第二透视图像平面上得到的第五虚拟点Z1的坐标，根据第二投影矩阵确定第二虚拟点X2投影至第二透视图像上得到的第六虚拟点Z2的坐标，将直线Z1Z2显示在第二透视图像上。
图14示出了在正位图像选取了第一目标点T，图15示出了图14上选取的第一目标点T在侧位图像上的示意图，从图15中可以看出，正位图像上的点投影至侧位图像上显示为一条线。
在定位组件上有三个以上标记面的情况下，在第一透视图像上选取的第一目标点变换得到第七虚拟点，上述步骤S60还可以采用投影矩阵将第七虚拟点投影至第二透视图像平面下得到第八虚拟点，那么，步骤S70便可以通过第五虚拟点、第六虚拟点、第八虚拟点拟合得到目标直线。
在S50之前，可以通过以下步骤S101至S104求取投影矩阵：
S101：获取定位组件的目标标记面上的各标记点在第二透视图像中的图像坐标，并采集定位组件的目标标记面上各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的空间坐标。所述目标标记面包括第一标记面和/或第二标记面。
对应于图10和图11，步骤S101即获取标记点L1至L9在图像中的图像坐标，和/或，标记点S1至S9在图像中的图像坐标。
S102：确定定位组件的目标标记面上各标记点的图像坐标与空间坐标的对应关系，并按照所述对应关系构造第五图像坐标矩阵和第五空间坐标矩阵。
其中，第五图像坐标矩阵中的元素为目标标记面上的各标记点在所述第二透视图像上的图像坐标，第五空间坐标矩阵中的元素为在第二透视图像成像时目标标记面上各标记点的空间坐标。
S102可以是按照预定的目标标记面上标记点顺序，依次确定标记点的空间坐标，得到第五空间坐标序列，并按照该预定的目标标记面上标记点顺序，依次确定标记点的图像坐标，得到第五图像坐标序列，则第五空间坐标序列与第五图像坐标序列中对应位置上的坐标便是对应于同一个标记点的，从而可以根据第五空间坐标序列构造第五空间坐标矩阵，根据第五图像坐标序列构造第五图像坐标矩阵。
S103：构造投影矩阵，所述投影矩阵中的元素含有未知的变量。
成像设备的成像原理可以用针孔相机模型进行建模，如图16所示，光源11相当于针孔相机的针孔，而成像用的光线(例如X射线)则相当于针孔相机模型中的普通光线。相机模型包括内部参数和外部参数，内部参数与相机本身有关，外部参数与相机在世界坐标系中的位置和姿态相关。这里的世界坐标系是指图1所示导航定位系统的绝对位置坐标系。
假设相机成像的图像如图7所示，图像坐标系为uov，世界坐标系为xwywzw，空间任意一点的坐标(在本说明书中，空间坐标也即是在世界坐标系下的坐标)至图像坐标系下的投影变换关系可以表示为：
Figure BDA0003921495660000131
其中
Figure BDA0003921495660000132
Zc表示空间任意一点在相机坐标系中的z轴坐标；M1为内参矩阵，相机及镜头一旦确定后，内参矩阵是不变的；M2为外参矩阵，与相机在世界坐标系中的位置和姿态相关；u0、v0为图像中心点的坐标，f为镜头焦距，dx、dy为像元尺寸，tx、ty、tz为，r11至r33为参数。
类比于上述相机成像的投影变换关系，可以假设成像子系统成像的投影变换关系为：
Figure BDA0003921495660000141
其中，如图7所示的图像坐标系为uov，世界坐标系为xyz，任意一点的坐标是指任意一点在世界坐标系下的坐标，q11至q34为投影矩阵的待求参数。步骤S103所构造的含有位置变量的矩阵便可以是上述矩阵Q。
S104：根据第五图像坐标矩阵、第五空间坐标矩阵，求解投影矩阵中的变量，得到元素均常数值的投影矩阵。
在一些实施例中，在S104之前，可以先对第五图像坐标矩阵、第五空间坐标矩阵中的元素进行归一化，然后S104采用归一化后的第五图像坐标矩阵、第五空间坐标矩阵求解投影矩阵，最后再将S104计算得到的投影矩阵进行反归一化，得到最终的投影矩阵。通过归一化、反归一化的过程，能够提高投影矩阵的计算精度。
本说明书提供一种导航定位装置，可以用于实现图8所示的导航定位方法。如图17所示，该装置包括第一获取单元10、第一计算单元20、第二计算单元30、第三计算单元40和第一确定单元50。
第一获取单元10用于获取包括目标对象和定位组件的第一透视图像和第二透视图像，第一透视图像中定位组件相对目标对象处于第一成像姿态，第二透视图像中定位组件相对目标对象处于第二成像姿态，第一成像姿态和第二成像姿态相异；所述定位组件至少包括第一标记面、第二标记面。
第一计算单元20用于计算第一成像姿态下的所述第一标记面与所述第一透视图像的第一变换矩阵、所述第二标记面与所述第一透视图像的第二变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第一标记面与所述第二透视图像的第三变换矩阵、所述第二标记面与所述第二透视图像的第四变换矩阵。
第二计算单元30用于在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第一变换矩阵计算得到第一虚拟点，根据第二变换矩阵计算得到第二虚拟点，根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线。
第三计算单元40用于在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第三变换矩阵计算得到第三虚拟点，根据第四变换矩阵计算得到第四虚拟点，根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线。
第一确定单元50用于将所述第二直线与所述第一直线的交点确定为规划目标点，规划目标点显示于被规划的图像上。
本说明书提供一种导航定位系统，包括：图像台车，所述图像台车被配置为用于实现图8所示的导航定位方法。
在一些实施例中，所述导航定位系统还包括：光学成像设备，包括相对设置的光源和成像平面；定位组件，包括杆体和两个标记面；所述杆体的第一端可拆卸的设置在机械臂的末端，所述杆体的第二端上设置所述两个标记面；所述两个标记面不共面，并且每个标记面上各设置有一组标记点；其中，所述定位组件上的所述标记点用于和目标对象一并在所述光源和所述成像平面之间成像。
在一些实施例中，所述导航定位系统还包括：执行台车，所述执行台车包括上位机和机械臂；末端工具，可拆卸地安装在所述机械臂的末端；工具示踪器，所述示踪器安装在所述机械臂的末端；目标对象示踪器，所述目标对象示踪器安装在所述目标对象上；位置追踪设备，所述位置追踪设备用于识别所述工具示踪器、目标对象示踪器，以跟踪所述末端工具和目标对象；其中，所述上位机根据植入物的植入路径控制所述机械臂动作以使所述末端工具的位姿与所述植入路径相匹配，所述植入物的植入路径包括两个规划目标点之间的连线。
在一些实施例中，所述图像台车包括：人机交互子系统，用于显示所述第一透视图像、所述第二透视图像，并获取选取的第一目标点和第二目标点。
上述导航定位系统的描述可以参考图1至图4对应的描述，不再赘述。
本说明书还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被执行时实现图8或图12对应实施例的步骤。
本领域技术人员可以理解，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，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种术中的导航定位方法，其特征在于，包括：
获取包括目标对象和定位组件的第一透视图像和第二透视图像，第一透视图像中定位组件相对目标对象处于第一成像姿态，第二透视图像中定位组件相对目标对象处于第二成像姿态，第一成像姿态和第二成像姿态相异；所述定位组件至少包括第一标记面、第二标记面；
计算第一成像姿态下的所述第一标记面与所述第一透视图像的第一变换矩阵、所述第二标记面与所述第一透视图像的第二变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第一标记面与所述第二透视图像的第三变换矩阵、所述第二标记面与所述第二透视图像的第四变换矩阵；
在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第一变换矩阵计算得到第一虚拟点，根据第二变换矩阵计算得到第二虚拟点，根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线；
在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第三变换矩阵计算得到第三虚拟点，根据第四变换矩阵计算得到第四虚拟点，根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线；
将所述第二直线与所述第一直线的交点确定为规划目标点，规划目标点显示于被规划的图像上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位组件包括至少一个第三标记面，相应地，所述方法还包括：
计算第一成像姿态下的所述第三标记面与所述第一透视图像的第五变换矩阵，以及第二成像姿态下的所述第三标记面与所述第二透视图像的第六变换矩阵；
根据所述第一虚拟点和所述第二虚拟点确定第一直线，包括：在获取到在第一透视图像上选取的第一目标点后，根据第五变换矩阵计算得到第七虚拟点，计算所述第一虚拟点、所述第二虚拟点、所述第七虚拟点的拟合直线，并将所述拟合直线作为第一直线；
和/或，
根据所述第三虚拟点和所述第四虚拟点确定第二直线，包括：在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点后，根据第六变换矩阵计算得到第八虚拟点，计算所述第三虚拟点、所述第四虚拟点、所述第八虚拟点的拟合直线，并将所述拟合直线作为第二直线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一变换矩阵通过以下方法确定：
获取定位组件的第一标记面上的各标记点在第一透视图像中的第一图像坐标，并采集定位组件的第一标记面上的各标记点在第一成像姿态下目标对象坐标系中的第一空间坐标；
基于一一对应的第一图像坐标和第一空间坐标，计算所述第一变换矩阵；
和/或，
所述第二变换矩阵通过以下方法确定：
获取定位组件的第二标记面上的各标记点在第一透视图像中的第二图像坐标，并采集定位组件的第二标记面上的各标记点在第一成像姿态下目标对象坐标系中的第二空间坐标；
基于一一对应的第二图像坐标和第二空间坐标，计算所述第二变换矩阵；
和/或，
所述第三变换矩阵通过以下方法确定：
获取定位组件的第一标记面上的各标记点在第二透视图像中的第三图像坐标，并采集定位组件的第一标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的第三空间坐标；
基于一一对应的第三图像坐标和第三空间坐标，计算所述第三变换矩阵；
和/或，
所述第四变换矩阵通过以下方法确定：
获取定位组件的第二标记面上的各标记点在第二透视图像中的第四图像坐标，并采集定位组件的第二标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的第四空间坐标；
基于一一对应的第四图像坐标和第四空间坐标，计算所述第四变换矩阵。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方法采集定位组件的目标标记面上的各标记点在目标成像姿态下目标坐标系中的空间坐标：
采集目标成像姿态下，定位组件的目标标记面上的各标记点在工具坐标系下的第五空间坐标；
根据工具坐标系和目标对象坐标系的转换矩阵，将所述第五空间坐标转换为目标坐标系中的空间坐标。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取到在第二透视图像上选取的第二目标点之前，还包括：
获取第二成像姿态下的投影矩阵；
采用所述投影矩阵将第一虚拟点、第二虚拟点分别投影至第二透视图像平面下得到第五虚拟点和第六虚拟点；
根据所述第五虚拟点和所述第六虚拟点确定目标直线；
在所述第二透视图像中显示所述目标直线，以用于在所述第二目标直线上选取第二目标点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述投影矩阵通过以下方法确定：
获取定位组件的目标标记面上的各标记点在第二透视图像中的图像坐标，并采集定位组件的目标标记面上的各标记点在第二成像姿态下目标对象坐标系中的空间坐标；所述目标标记面包括第一标记面和/或第二标记面；
确定定位组件的目标标记面上各标记点的图像坐标与空间坐标的对应关系，并按照所述对应关系构造图像坐标矩阵和空间坐标矩阵；
构造投影矩阵，所述投影矩阵中的元素含有未知的变量；
根据所述图像坐标矩阵、所述空间坐标矩阵，求解投影矩阵中的变量，得到元素均为常数值的投影矩阵。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述规划目标点的数量为两个，两个规划目标点之间的连线作为植入物的植入路径。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述植入物为螺钉。
9.一种导航定位系统，其特征在于，包括：
图像台车，所述图像台车被配置为用于实现权利要求1至8任一项所述的方法。
10.根据权利要求9所述的导航定位系统，其特征在于，还包括：
光学成像设备，包括相对设置的光源和成像平面；
定位组件，包括杆体和两个标记面；所述杆体的第一端可拆卸的设置在机械臂的末端，所述杆体的第二端上设置所述两个标记面；所述两个标记面不共面，并且每个标记面上各设置有一组标记点；其中，所述定位组件上的所述标记点用于和目标对象一并在所述光源和所述成像平面之间成像。
11.根据权利要求9所述的导航定位系统，其特征在于，还包括：
执行台车，所述执行台车包括上位机和机械臂；
末端工具，可拆卸地安装在所述机械臂的末端；
工具示踪器，所述示踪器安装在所述机械臂的末端；
目标对象示踪器，所述目标对象示踪器安装在所述目标对象上；
位置追踪设备，所述位置追踪设备用于识别所述工具示踪器、目标对象示踪器，以跟踪所述末端工具和目标对象；
其中，所述上位机根据植入物的植入路径控制所述机械臂动作以使所述末端工具的位姿与所述植入路径相匹配，所述植入物的植入路径包括两个规划目标点之间的连线。
12.根据权利要求9所述的导航定位系统，其特征在于，所述图像台车包括：
人机交互子系统，用于显示所述第一透视图像、所述第二透视图像，并获取选取的第一目标点和第二目标点。
13.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
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