CN116269763A - 坐标转换关系的标定方法、装置、手术导航系统和介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坐标转换关系的标定方法、装置、手术导航系统和介质，其中，方法包括：将机械臂末端调整至第一目标位置，校准板与机械臂的底座刚性连接，至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及至少四个预设标记物在机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置和末端坐标系中的第三空间位置，对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定。本发明解决了基于激光雷达的手术导航存在精度不高的问题，提高了激光雷达用于手术导航的准确度，降低了手术导航系统的成本。

Description

坐标转换关系的标定方法、装置、手术导航系统和介质

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及坐标转换关系的标定方法、装置、手术导航系统和介质。

背景技术

现有的手术导航基于结构光进行手术定位，由于结构光容易受到手术台无影灯等环境光照的影响，影响手术导航的准确性。与结构光相比，激光雷达不易受环境光照的影响。但是，受激光雷达技术的精度限制，需要对激光雷达坐标系和手术导航系统的导航坐标系进行标定，才能用于手术中的定位。因此，基于激光雷达的手术导航存在精度限制的问题。

发明内容

本发明提供了一种坐标转换关系的标定方法、装置、手术导航系统和介质，以解决基于激光雷达的手术导航存在精度不高的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种坐标转换关系的标定方法，该方法包括：

将机械臂末端调整至第一目标位置，以使机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离，校准板上设置了至少四个预设标记物，校准板与机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；

获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及至少四个预设标记物在机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，其中，激光雷达设置于机械臂末端，基坐标系与机械臂的末端坐标系之间的映射关系已知；

以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标转换关系的标定装置，该装置包括：

机械臂控制模块，用于将机械臂末端调整至第一目标位置，以使机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离，校准板上设置了至少四个预设标记物，校准板与机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；

空间位置获取模块，用于获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及至少四个预设标记物在机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，其中，激光雷达设置于机械臂末端，基坐标系与机械臂的末端坐标系之间的映射关系已知；

映射关系标定模块，用于以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定。

根据本发明的又一方面，提供了一种手术导航系统，该系统包括：

机械臂，机械臂的末端用于固定手术器械；

校准板，被配置有至少四个预设标记物，与机械臂的底座刚性连接，至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；

激光雷达装置，设置于机械臂的末端，用于获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置；

至少一个处理器；以及

与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，计算机程序被至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够获取至少四个预设标记物在机械臂的基坐标系中的第二空间位置，并执行本发明任一实施例的坐标转换关系的标定方法。

根据本发明的再一方面，提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例的坐标转换关系的标定方法。

本发明实施例的技术方案，通过获取预设标记物在激光雷达坐标系和机械臂的基坐标系中的空间位置对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定，提高了激光雷达用于手术导航的精度，降低了手术导航系统的成本。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。本申请技术方案中对数据的获取、存储、使用和处理等均符合国家法律法规的相关规定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例提供的一种手术导航系统的结构框图；

图2是根据本发明实施例提供的一种坐标转换关系的标定方法的流程图；

图3是根据本发明实施例提供的另一种坐标转换关系的标定方法的流程图；

图4A是根据本发明实施例提供的一种坐标转换关系的标定装置的结构框图；

图4B是根据本发明实施例提供的另一种坐标转换关系的标定装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和“第五”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是根据本发明实施例提供的一种手术导航系统的结构框图，本文所示的部件、它们的连接和关系以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。

如图1所示，该手术导航系统10包括机械臂4，机械臂4的末端用于固定手术器械；校准板5，被配置有至少四个预设标记物，与机械臂4的底座刚性连接，至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；激光雷达装置6，设置于机械臂4的末端，用于获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置；至少一个处理器11，以及与至少一个处理器11通信连接的存储器，如只读存储器(ROM)12、随机访问存储器(RAM)13等。

在外科手术中，尤其是脑颅外科手术的手术导航中，仅在体表手术部位达到1mm以内精度即可满足手术需要，虽然激光雷达的平均空间定位精度在厘米和亚厘米级水平，但是可以通过校准板限定目标空间内的精度范围，也就是说，每次目标对象手术中的位置，都位于设定标定距离范围之内的位置，以使该目标空间的定位精度满足手术要求。

在一个实施例中，预设标记物为锥形标记物。为了模拟面部/腹部等部位的高低起伏，设置了多个锥形标记物，锥形标记物的数量大于或等于四个，且该锥形标记物被设置于校准板5上，校准板5与机械臂4的底座刚性连接，以保证在激光雷达装置6拍摄过程和手术过程中该校准板5相对于机械臂4的底座不会发生位置的改变，即锥形标记物在机械臂4的基坐标系中的实际空间位置不会发生改变。进一步的，由于锥形标记物在基坐标系中的实际空间位置不会发生变化，因此，根据实际空间位置对应的机械臂4的末端的当前位姿确定末端坐标系中的锥形标记物的第三空间位置，对激光雷达坐标系中锥形标记物的第一空间位置进行标定，实现对手术台对应的目标空间的激光雷达坐标系和机械臂的末端坐标系之间的坐标转换关系标定。

可以理解的是，也可以放置多个锥形标记物，这样做的好处是，可以提高激光雷达坐标系和机械臂坐标系之间坐标转换关系的精度和准确度。此外，还可以根据目标对象的人体区域的体表起伏在校准板上设定位置处放置与人体区域体表至少四个关键点高度对应的至少四个预设标记物，用于模拟目标对象对应区域的体表的高低起伏。示例性的，可以是腹部校准板、背部校准板或面部校准板。具体的，面部校准板可以是在校准板的中央放置至少4个锥形标记物，用于模拟目标对象的鼻尖和眼睛；还可以根据目标对象的背部的起伏，设计不同高度的预设标记物，作为背部校准板；根据目标对象的腹部起伏高度在校准板5的对应位置放置各种高度的预设标记物，作为腹部校准板。

在一个实施例中，校准板5与机械臂4的底座为可拆卸的刚性连接，在完成坐标转换关系的标定以后，可以将校准板拆卸。

其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器11可以根据存储在只读存储器(ROM)12中的计算机程序或者从存储单元18加载到随机访问存储器(RAM)13中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 13中，还可存储该手术导航系统的操作所需的各种程序和数据。处理器11、ROM 12以及RAM 13通过总线14彼此相连。输入/输出(I/O)接口15也连接至总线14。该手术导航系统10中的多个部件连接至I/O接口15，包括：输入单元16，例如键盘、鼠标等；输出单元17，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元18，例如磁盘、光盘等；以及通信单元19，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元19允许电子设备10通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理器11可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器11的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器11能够获取至少四个预设标记物在机械臂的基坐标系中的第二空间位置，并执行下文所描述的坐标转换关系的标定方法。

图2是根据本发明实施例提供的一种坐标转换关系的标定方法的流程图，本实施例可适用于基于激光雷达坐标系和机械臂进行手术导航的场景，该方法配置于手术导航系统的处理器中。

如图2所示，一种坐标转换关系的标定方法包括以下步骤：

S210、将机械臂末端调整至第一目标位置，以使机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离，校准板上设置了至少四个预设标记物，校准板与机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应。

为了将设置于机械臂末端的激光雷达用于手术导航，需要将激光雷达与校准板之间的距离作为设定标定距离，对设定标定距离内的激光雷达坐标系与机械臂的末端坐标系之间的映射关系进行标定。所以，为了使机械臂末端与校准板之间的距离范围内进行末端坐标系和激光雷达坐标系之间坐标转换关系的标定，需要控制机械臂末端调整至第一目标位置，以使机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离。

当位于校准板正上方的机械臂末端与校准板之间的垂直距离为设定标定距离时，机械臂末端的位置为第一目标位置。示例性的，可以是机械臂末端与校准板之间的垂直距离为28-30cm时，机械臂末端在世界坐标系中的坐标。

S220、获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及至少四个预设标记物在机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，其中，激光雷达设置于机械臂末端，基坐标系与机械臂的末端坐标系之间的映射关系已知。

其中，第一空间位置为预设标记物在激光雷达坐标系中的坐标。示例性的，第一空间位置为机械臂末端的三维激光雷达设备扫描预设标记物得到的点云数据集，点云数据集中每一个点都包含了预设标记物在激光雷达坐标系中的三维坐标。

其中，第二空间位置为预设标记物在机械臂的基坐标系中的空间位置。由于预设标记物设置于校准板上，而校准板与机械臂的底座刚性连接，所以预设标记物与机械臂底座的相对位置关系不会发生变化，示例性的，第二空间位置为预设标记物在机械臂的基坐标系中的三维坐标。

进一步的，通过以下步骤获取至少四个预设标记物在机械臂对应的末端坐标系中的第三空间位置，包括：

步骤a1、获取至少四个预设标记物相对于底座的设定已知位置点的位置关系以及设定已知位置点在基坐标系中的位置。

其中，设定已知位置点是机械臂底座上的点，其在基坐标系中的位置是已知的，且不会发生变化。设定已知位置点在基坐标系中的位置不会发生变化，可以是机械臂底座上的点。示例性的，由于校准板与机械臂底座为刚性连接，所以预设标记物与机械臂底座上任意点的相对位置不变。进一步的，通过确定设定已知位置点与预设标记物的位置关系可以得到预设标记物在基坐标系中的三维坐标。

步骤a2、根据设定已知位置点在基坐标系中的位置、位置关系和机械臂的当前位姿对应的末端坐标系与基坐标系之间的已知映射关系，确定至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置。

首先，确定在基座上与预设标记物刚性连接的固定点与设定已知位置点的距离；根据设定位置点到基坐标系的坐标原点的距离和固定点与设定已知位置点的距离，确定预设标记物在基坐标系的坐标；根据机械臂的当前位姿对应的末端坐标系与基坐标系之间的已知映射关系，将预设标记物在基坐标系的坐标通过已知映射关系转换到末端坐标系，得到预设标记物在末端坐标系中的坐标，作为第三空间位置。

示例性的，根据在基座上与预设标记物刚性连接的固定点与设定已知位置点的距离和设定已知位置点在基坐标系中的三维坐标，确定预设标记物在基坐标系下的三维坐标，根据机械臂的当前位姿对应的末端坐标系与基坐标系之间的已知映射关系，确定预设标记物在末端坐标系下的三维坐标。

S230、以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定。

可以使用现有的根据两个坐标系之间的对应坐标求解两个坐标系之间的坐标转换矩阵的算法、程序或工具等求解两个坐标系之间的坐标转换矩阵的方法，以求解激光雷达坐标系与末端坐标系之间的坐标转换关系，实现对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定。

在一个具体的实施例中，以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置为因变量，确定激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系；将映射关系作为标定结果。具体的，通过迭代就近点(Iterative Closest Point，ICP)搜索法/牛顿迭代法/奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)算法对每个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的坐标和对应预设标记物分别在末端坐标系中的坐标进行转换矩阵求解，得到求解激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系，作为标定结果。

示例性的，通过奇异值分解算法确定激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系，预设标记物的数量为至少四个。可以理解的是，如果对n(n≥4)个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的坐标和对应预设标记物分别在末端坐标系中的坐标对应的n对不共线匹配点通过SVD算法进行转换矩阵求解，就可以得到唯一解。具体的，首先，计算激光雷达坐标系下每个预设标记物的点云数据集的平均坐标，计算末端坐标系下每个预设标记物的平均坐标；其次，将激光雷达坐标系下每个预设标记物的点云数据集的坐标减去激光雷达坐标系下的平均坐标，得到激光雷达坐标系中去中心化的坐标，将末端坐标系下每个预设标记物的坐标减去基坐标系下的平均坐标，得到末端坐标系中去中心化的坐标；然后，通过激光雷达坐标系中去中心化的坐标与末端坐标系中去中心化的坐标相乘，得到关于第一空间位置和第三空间位置的矩阵；最后对该矩阵进行奇异值分解得到姿态矩阵，基于姿态矩阵得到激光雷达坐标系与末端坐标系之间的旋转矩阵，也就是激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系，将该映射关系作为激光雷达坐标系与基坐标系之间的标定结果。

本实施例的技术方案，通过获取预设标记物在激光雷达坐标系和机械臂的末端坐标系中的空间位置对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定，得到用于手术导航的标定结果，提高了激光雷达用于手术导航的精度，降低了手术导航系统的成本。

图3是根据本发明实施例提供的另一种坐标转换关系的标定方法的流程图，本实施例与上述实施例中的坐标转换关系的标定方法属于同一个发明构思，在上述实施例的基础上，在对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定之后，增加了以下步骤：控制机械臂末端移动至第二目标位置，第二目标位置位于目标对象的目标区域的上方，且与目标区域正上方体表之间的距离为设定标定距离；获取目标对象的激光雷达图像；对激光雷达图像与已存储的医学图像进行图像融合以得到融合图像，医学图像包括已规划的目标路径；根据融合图像中的目标路径与激光雷达图像之间的对应关系以及映射关系控制机械臂末端带动手术器械运动。

S310、将机械臂末端调整至第一目标位置，以使机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离，校准板上设置了至少四个预设标记物，校准板与机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应。

S320、获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及至少四个预设标记物在机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，其中，激光雷达设置于机械臂末端，基坐标系与机械臂的末端坐标系之间的映射关系已知。

S330、以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定。

S3401、控制机械臂末端移动至第二目标位置，第二目标位置位于目标对象的目标区域的上方，且与目标区域正上方体表之间的距离为设定标定距离。

由于在设定标定距离处的激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系已经进行了标定，为了实现进一步的医学图像的坐标系与激光雷达图像的坐标系之间的配准，所以，控制机械臂末端移动至控制机械臂末端移动至第二目标位置，第二目标位置位于目标对象的目标区域的上方，且与目标区域正上方体表之间的距离为设定标定距离。

S3402、获取目标对象的激光雷达图像。

具体的，当机械臂末端位于第二目标位置时，获取激光雷达拍摄的目标对象的激光雷达图像。可以理解的是，获得的激光雷达图像包括目标对象的目标区域。

S3403、对激光雷达图像与已存储的医学图像进行图像融合以得到融合图像，医学图像包括已规划的目标路径。

医学图像可以是术前获得的包括目标对象目标区域的临床医学图像。其图像类型可以是通过电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)、正电子发射型计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography，PET)、数字X线摄影术(digitalradiography，DR)或磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)等得到的医学图像。

其中，目标路径是术前标注在医学图像中的手术路径，示例性的，可以是医生手动标注的，也可以使用经过训练的神经网络模型生成该目标对象的手术路径并标注在医学图像中。

使用现有的算法、程序或工具等对激光雷达图像与包括已规划的目标路径的医学图像进行图像融合，以实现医学图像坐标系与激光雷达图像坐标系之间的配准。

在一个具体的实施例中，医学图像为包括已规划的目标路径的目标对象的目标区域的CT图像，将该CT图像与包括目标对象的目标区域的激光雷达图像进行图像融合，得到融合图像，实现医学图像坐标系与激光雷达图像坐标系之间的配准。

进一步的，对激光雷达图像与医学图像进行图像融合以得到融合图像，包括：

步骤b1、在激光雷达图像与医学图像中选取至少四个对应的特征点。

可以理解的是，如果对n(n≥4)个特征点分别在激光雷达坐标系中的坐标和对应特征点在医学图像坐标系中的坐标对应的n对不共线匹配点通过SVD算法进行转换矩阵求解，就可以得到唯一解。因此需要至少四个特征点。

具体的，确定激光雷达图像中至少四个特征点的坐标，作为第四空间位置，在医学图像中确定与激光雷达图像中每个特征点对应的坐标，作为第五空间位置。

步骤b2、基于奇异值分解算法，根据激光雷达图像与医学图像中的至少四个对应的特征点位置，对激光雷达图像与医学图像进行图像融合。

具体的，通过奇异值分解算法对激光雷达图像坐标系中至少四个特征点的第四空间位置和医学图像中对应特征点的第五空间位置求解，实现激光雷达图像坐标系和医学图像坐标系的对应关系；根据激光雷达图像坐标系和医学图像坐标系的对应关系将激光雷达图像与医学图像进行融合，得到包括已规划目标路径的融合图像。

S3404、根据融合图像中的目标路径与激光雷达图像之间的对应关系以及映射关系控制机械臂末端带动手术器械运动。

首先，确定融合图像中的目标路径；其次，根据融合图像中，目标路径在激光雷达图像中的位置，确定激光雷达坐标系中的目标路径；然后，根据激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系，确定该目标路径在末端坐标系中的位置；最后，控制机械臂末端按照该目标路径带动手术机械运动，进行手术导航。

可以理解的是，得到融合图像之后，可以关闭激光雷达，根据融合图像中已规划的目标路径以及激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系控制机械臂移动，进行手术导航。

本实施例的技术方案，在对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定之后，根据激光雷达图像与医学图像的融合图像中手术路径在末端坐标系中的位置，控制机械臂末端移动进行手术导航，进一步提高了激光雷达用于手术导航的准确度和精度。

图4A是根据本发明实施例提供的一种坐标转换关系的标定装置的结构框图。如图4A所示，该装置包括：

机械臂控制模块401，用于将机械臂末端调整至第一目标位置，以使机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离，校准板上设置了至少四个预设标记物，校准板与机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；

空间位置获取模块402，用于获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及至少四个预设标记物在机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，其中，激光雷达设置于机械臂末端，基坐标系与机械臂的末端坐标系之间的映射关系已知；

映射关系标定模块403，用于以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定。

可选的，空间位置获取模块402具体用于：

获取至少四个预设标记物相对于底座的设定已知位置点的位置关系以及设定已知位置点在基坐标系中的位置；

根据设定已知位置点在基坐标系中的位置、位置关系和机械臂的当前位姿对应的末端坐标系与基坐标系之间的已知映射关系，确定至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置。

可选的，映射关系标定模块403还用于：

以至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以至少四个预设标记物分别在末端坐标系中的第三空间位置为因变量，确定激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系；

将映射关系作为标定结果。

可选的，如图4B所示，该装置还包括手术导航模块404，该手术导航模块404用于：

控制机械臂末端移动至第二目标位置，第二目标位置位于目标对象的目标区域的上方，且与目标区域正上方体表之间的距离为设定标定距离；

获取目标对象的激光雷达图像；

对激光雷达图像与已存储的医学图像进行图像融合以得到融合图像，所述医学图像包括已规划的目标路径；

根据融合图像中的目标路径与激光雷达图像之间的对应关系以及映射关系控制机械臂末端带动手术器械运动。

可选的，该手术导航模块404还用于：

在激光雷达图像与医学图像中选取至少四个对应的特征点；

基于奇异值分解算法，根据激光雷达图像与医学图像中的至少四个对应的特征点位置，对激光雷达图像与医学图像进行图像融合。

本实施例的技术方案，通过各个模块的相互配合，获取目标区域在激光雷达坐标系和机械臂的末端坐标系中的空间位置对激光雷达坐标系与末端坐标系之间的映射关系进行标定，提高了激光雷达用于手术导航的精度，降低了手术导航系统的成本。

本发明实施例提供的坐标转换关系的标定装置可执行本发明任一实施例提供的坐标转换关系的标定方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

在一些实施例中，坐标转换关系的标定方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如图1中的存储单元18。在一些实施例中，如图1所示计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 12和/或通信单元19而被载入和/或安装到该手术导航系统上。当计算机程序加载到RAM 13并由处理器11执行时，可以执行上文描述坐标转换关系的标定方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器11可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行坐标转换关系的标定方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在手术导航系统上实施此处描述的系统和技术，该手术导航系统具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给手术导航系统。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、区块链网络和互联网。计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种坐标转换关系的标定方法，其特征在于，所述方法包括：

将机械臂末端调整至第一目标位置，以使所述机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离，所述校准板上设置了至少四个预设标记物，所述校准板与所述机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；

获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及所述至少四个预设标记物在所述机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，其中，所述激光雷达设置于所述机械臂末端，所述基坐标系与所述机械臂的末端坐标系之间的映射关系已知；

以所述至少四个预设标记物分别在所述激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以所述至少四个预设标记物分别在所述末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对所述激光雷达坐标系与所述末端坐标系之间的映射关系进行标定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下步骤获取所述至少四个预设标记物在所述机械臂对应的末端坐标系中的第三空间位置，包括：

获取所述至少四个预设标记物相对于所述底座的设定已知位置点的位置关系以及所述设定已知位置点在所述基坐标系中的位置；

根据所述设定已知位置点在所述基坐标系中的位置、所述位置关系和所述机械臂的当前位姿对应的所述末端坐标系与所述基坐标系之间的已知映射关系，确定所述至少四个预设标记物分别在所述末端坐标系中的第三空间位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述至少四个预设标记物分别在所述激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以所述至少四个预设标记物分别在所述末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对所述激光雷达坐标系与所述末端坐标系之间的映射关系进行标定，包括：

以所述至少四个预设标记物分别在所述激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以所述至少四个预设标记物分别在所述末端坐标系中的第三空间位置为因变量，确定所述激光雷达坐标系与所述末端坐标系之间的映射关系；

将所述映射关系作为标定结果。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设标记物为锥形标记物。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述激光雷达坐标系与所述末端坐标系之间的映射关系进行标定之后，还包括：

控制所述机械臂末端移动至第二目标位置，所述第二目标位置位于目标对象的目标区域的上方，且与所述目标区域正上方体表之间的距离为所述设定标定距离；

获取所述目标对象的激光雷达图像；

对所述激光雷达图像与已存储的医学图像进行图像融合以得到融合图像，所述医学图像包括已规划的目标路径；

根据所述融合图像中的所述目标路径与所述激光雷达图像之间的对应关系以及所述映射关系控制所述机械臂末端带动手术器械运动。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述目标对象的所述目标区域的体表的起伏在校准板上设定位置处放置至少四个所述预设标记物。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述激光雷达图像与所述医学图像进行图像融合以得到所述融合图像，包括：

在所述激光雷达图像与所述医学图像中选取至少四个对应的特征点；

基于奇异值分解算法，根据所述激光雷达图像与所述医学图像中的所述至少四个对应的特征点的位置，对所述激光雷达图像与所述医学图像进行图像融合。

8.一种坐标转换关系的标定装置，其特征在于，包括：

机械臂控制模块，用于将机械臂末端调整至第一目标位置，以使所述机械臂末端与校准板之间的距离为设定标定距离，所述校准板上设置了至少四个预设标记物，所述校准板与所述机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；

空间位置获取模块，用于获取至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置以及所述至少四个预设标记物在所述机械臂对应的基坐标系中的第二空间位置，其中，所述激光雷达设置于所述机械臂末端，所述基坐标系与所述机械臂的末端坐标系之间的映射关系已知；

映射关系标定模块，用于以所述至少四个预设标记物分别在所述激光雷达坐标系中的第一空间位置为自变量，以所述至少四个预设标记物分别在所述末端坐标系中的第三空间位置为因变量，对所述激光雷达坐标系与所述末端坐标系之间的映射关系进行标定。

9.一种手术导航系统，其特征在于，所述手术导航系统包括：

机械臂，所述机械臂的末端用于固定手术器械；

校准板，被配置有至少四个预设标记物，与所述机械臂的底座刚性连接，所述至少四个预设标记物的高度与对应人体区域的至少四个体表关键点的高度对应；

激光雷达装置，设置于所述机械臂的末端，用于获取所述至少四个预设标记物分别在激光雷达坐标系中的第一空间位置；

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够获取所述至少四个预设标记物在所述机械臂的基坐标系中的第二空间位置，并执行权利要求1-7中任一项所述的坐标转换关系的标定方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的坐标转换关系的标定方法。

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