CN116115338A - 一种手持式探针校准装置及校准方法 - Google Patents

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黄志俊
刘金勇
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Abstract

本发明公开了一种手持式探针校准装置及校准方法，包括：校准块，校准块上设置有至少六处用于放置探针尖端的凹槽点，且其中任意三点不共线；光学参考阵列，所述光学参考阵列远离所述校准块且与所述校准块刚性连接；手持式探针，其通过探针针尖接触所述凹槽点来确定探针针尖与探针上的光学参考阵列相对位置关系；光学定位相机，其用于采集所述校准块。能够快速便捷的实现探针校准，具有操作简单、准确度高，对校准环境要求低的优点。

Description

一种手持式探针校准装置及校准方法
技术领域
本发明涉及影像导航式手术技术领域，具体涉及一种手持式探针校准装置及校准方法。
背景技术
在影像导航式手术中，光学探针被用来进行精确定位。其工作原理简述如下：光学探针上附有若干可以被定位相机侦测的反光球，以探针上的反光球球心为基础建立一探针坐标系(坐标系建立方式有多种，例如以其中一个的球心为坐标系原点，任意两球心连线为第一轴，其中三个球心平面的法线为第二轴，第一轴向量叉乘第二轴向量得到第三轴)，探针尖端点在探针坐标系下的坐标为事先确定值，使用探针时，将探针尖端置于待测量点处，通过定位相机可以得到定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵，又因为探针尖端点的位置在探针坐标系下已知，借助上述关系可以得到探针尖端点即待测点在定位相机坐标系下的坐标值，从而实现空间点的定位。
探针尖端点在探针坐标系下的坐标值的准确性直接影响到探针定位的精准度。获取探针尖端点在探针坐标系下的准确坐标值的过程称为探针校准。
现有探针校准方法以及其各自存在的缺如下：
1)摇笔校准法：在定位相机视野范围内，将探针尖端固定于一点，摇动探针的同时采集探针的位姿，通过收集到的若干探针位姿拟合一空间球面与其球心(探针尖端点)，进一步计算得到探针尖端点在探针坐标系下的坐标值，此方法的缺点在于：需要采集点的数目需要很多才能拟合出准确的球面，摇笔操作较为费时繁琐
2)采集标准点校准法：探针上的反光球组成第一参考阵列，校准块上的反光球组成第二参考阵列，校准块上设有一标准点，该标准点在第二参考阵列坐标系下的坐标值精准符合设计值；将探针尖端点置于标准点处，通过坐标系转换将标准点坐标转至探针坐标系下，即确定了探针尖端点在探针坐标系下的坐标值。此方法的缺点在于：对校准块的加工精度与组装精度要求很高，尤其是反光球参考阵列与附有标准点的校准块基座之连接机构精度需要很高，一旦校准块发生形变偏离标准值，探针校准结果就会有误。
3)采集特征点位置进行探针校准：此方法的缺点在于：校准块在校准全过程中需要与定位相机保持相对静止，即需要一个非常稳固的平台用来放置校准块以确保其不移动，此条件在手术室环境内很难提供。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手持式探针校准装置及校准方法，以解决上述背景技术中提出的目前在影像导航式手术中，光学探针难以实现精确定位的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种手持式探针校准装置，包括：
校准块，所述校准块上设置有至少六处用于放置探针尖端的凹槽点，且其中任意三点不共线；
光学参考阵列，所述光学参考阵列远离所述校准块且与所述校准块刚性连接；
手持式探针，其通过探针针尖接触所述凹槽点来确定探针针尖与探针上的光学参考阵列相对位置关系；
光学定位相机，其用于采集所述校准块、所述光学参考阵列和所述手持式探针三者之间相互位置关系的变化情况。
一种探针校准方法，使用了如上述所述的一种手持式探针校准装置，包括以下步骤：
建立多个参考坐标系：即光学定位相机坐标系Fcamera，探针坐标系Fp和参考阵列坐标系Fr；特征点坐标系Fs；
手持校准块，使其参考阵列在校准全过程中位于光学定位相机视野范围内，手持所述手持式探针，将探针尖端依次置于六处凹槽点，采集所述校准块、所述光学参考阵列和所述手持式探针三者之间相互位置关系的变化情况；
结合已建立的多个参考坐标系，选取多个参考坐标系下所述校准块、所述光学参考阵列和所述手持式探针之间具有不变性关系多对参数，根据不变性原理建立相应的数学模型对探针位置进行计算与校准。
优选的，分别记录从定位相机获取的定位相机坐标系Fcamera至探针坐标系Fp的旋转矩阵Rpi(i＝1,2,3…6)和平移向量tpi(i＝1,2,3…6)，以及对应时刻Fcamera至配准块参考阵列坐标系Fr的旋转矩阵Rri(i＝1,2,3…6)和平移向量tri(i＝1,2,3…6)，根据校准块参考阵列与校准块为刚性连接二者的相对位置关系不会变化的原理建立相应的多个数学模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)校准全过程只需要手持探针采集6个点，操作相对简单。
2)校准块工装只需要保证6个点之间的相对位置关系符合设计值即可(因为Fs为任意确定)；校准块与其光学参考阵列只需要保证刚性连接，二者的实际相对位置关系不做约束，降低了硬件加工难度
3)校准块可以手持使用，校准全过程只需要保证其参考阵列位于定位相机视野范围内，无需特别准备一个稳固的平台定位校准块，增加了使用的灵活度。
附图说明
图1为本发明的一种手持式探针校准装置及校准方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种手持式探针校准校准方法并提供相应的配套使用的硬件设备：其中一种手持式探针校准装置，包括：校准块，校准块上设置有至少六处用于放置探针尖端的凹槽点，且其中任意三点不共线；光学参考阵列，所述光学参考阵列远离所述校准块且与所述校准块刚性连接；手持式探针，其通过探针针尖接触所述凹槽点来确定探针针尖与探针上的光学参考阵列相对位置关系；光学定位相机，其用于采集所述校准块、所述光学参考阵列和所述手持式探针三者之间相互位置关系的变化情况。
使用上述校准装置采集相关数据，根据不变性关系建立数学模型，构筑数学方程组以精确求解探针的位置。
接下来分别对数学建模过程、数据采集过程和数据求解过程详细展开描述如下：
1)数学建模过程：
在校准块设计图纸上任意位置建立一空间坐标系(该坐标系后称特征点坐标系Fs)，获取各个特征点的坐标ai(i＝1,2,3…6)；特征点之间的实际相对位置关系需要精确符合设计值
Figure BDA0004011958660000041
校准块附有一光学参考阵列，光学参考阵列与校准块刚性连接，参考阵列与特征点坐标系Fs的相对位置关系无特别要求(即允许参考阵列存在安装误差)。
2)数据采集过程
手持校准块，使其参考阵列在校准全过程中位于光学定位相机视野范围内
手持探针，将探针尖端依次置于特征点1-6处，并分别记录从定位相机获取的定位相机坐标系Fcamera至探针坐标系Fp的旋转矩阵Rpi和平移向量tpi(i＝1,2,3…6)，以及对应时刻Fcamera至配准块参考阵列坐标系Fr的旋转矩阵Rri和平移向量tri(i＝1,2,3…6)。
3)数据求解过程
设Fr至Fs的旋转矩阵为Rs，平移向量为ts，因为校准块参考阵列与校准块为刚性连接，二者的相对位置关系不会变化，又因为参考阵列在安装时存在偏离设计值的误差，故Rs与ts为未知常量
Figure BDA0004011958660000051
Figure BDA0004011958660000052
-设探针尖端在Fp下的坐标值为t,t即为校准探针所需要获得的尖端偏移量
Figure BDA0004011958660000053
-在Fs，Fp，Fr，Fcamera构成的坐标系转换闭环中，下式成立
Figure BDA0004011958660000054
变形上式得到
Figure BDA0004011958660000055
计算括号内的部分得到
Figure BDA0004011958660000061
将上式等号左边的第一个矩阵的旋转矩阵部分设为Ri，平移向量部分设为ti，可以得到
Figure BDA0004011958660000062
其中
Figure BDA0004011958660000063
Figure BDA0004011958660000064
进而得到
Figure BDA0004011958660000065
即有
Rs.ai-Ri.t+ts＝ti
将上式展开得到
Figure BDA0004011958660000066
整理上式，将所有未知数置于一个未知向量x中(下式等号左边的第二项)，得到
Figure BDA0004011958660000071
设上式等号左边的第一项18*15矩阵为A，上式等号右边的向量为b，上式简写为
A·x＝b
使用最小二乘法可以得到
x＝(AT·A)-1·AT·b
探针尖端在Fp下的坐标值t为x的子部分，x已经解得，t就已经确定，至此探针校准完毕。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)校准全过程只需要手持探针采集6个点，操作相对简单。
2)校准块工装只需要保证6个点之间的相对位置关系符合设计值即可(因为Fs为任意确定)；校准块与其光学参考阵列只需要保证刚性连接，二者的实际相对位置关系不做约束，降低了硬件加工难度
3)校准块可以手持使用，校准全过程只需要保证其参考阵列位于定位相机视野范围内，无需特别准备一个稳固的平台定位校准块，增加了使用的灵活度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种手持式探针校准装置，其特征在于，包括：
校准块，所述校准块上设置有至少六处用于放置探针尖端的凹槽点，且其中任意三点不共线；
光学参考阵列，所述光学参考阵列远离所述校准块且与所述校准块刚性连接；
手持式探针，其通过探针针尖接触所述凹槽点来确定探针针尖与探针上的光学参考阵列相对位置关系；
光学定位相机，其用于采集所述校准块、所述光学参考阵列和所述手持式探针三者之间相互位置关系的变化情况。
2.一种探针校准方法，使用了如上述权利要求1所述的一种手持式探针校准装置，其特征在于，包括以下步骤：
建立多个参考坐标系：即光学定位相机坐标系Fcamera，探针坐标系Fp和参考阵列坐标系Fr；特征点坐标系Fs；
手持校准块，使其参考阵列在校准全过程中位于光学定位相机视野范围内，手持所述手持式探针，将探针尖端依次置于六处凹槽点，采集所述校准块、所述光学参考阵列和所述手持式探针三者之间相互位置关系的变化情况；
结合已建立的多个参考坐标系，选取多个参考坐标系下所述校准块、所述光学参考阵列和所述手持式探针之间具有不变性关系多对参数，根据不变性原理建立相应的数学模型对探针位置进行计算与校准。
3.根据权利要求2所述的一种探针校准方法，其特征在于，分别记录从定位相机获取的定位相机坐标系Fcamera至探针坐标系Fp的旋转矩阵Rpi(i＝1,2,3…6)和平移向量tpi(i＝1,2,3…6)，以及对应时刻Fcamera至配准块参考阵列坐标系Fr的旋转矩阵Rri(i＝1,2,3…6)和平移向量tri(i＝1,2,3…6)，根据校准块参考阵列与校准块为刚性连接二者的相对位置关系不会变化的原理建立相应的多个数学模型。
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