CN117078630A - 一种基于导航标尺的x光图像的空间定位方法及装置 - Google Patents

一种基于导航标尺的x光图像的空间定位方法及装置 Download PDF

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ray imaging
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Abstract

本发明公开了一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法及装置，涉及医疗器械技术领域，包括：获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像；分别提取两张X光图像中对应第一圆形部、第二圆形部和线段部的双圆环特征和直线特征；根据所述双圆环特征和直线特征，求解X光成像装置的成像模型的参数值；所述X光成像装置的成像模型表示世界坐标系和屏幕坐标系之间的变换关系；根据空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值以及X光成像装置的成像模型的参数值，计算该待定位点在世界坐标系下的三维坐标值。本发明能够通过两张X光图像获取物体的三维信息、实现物体的空间定位，更加准确便捷。

Description

一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法及装置
技术领域
本发明涉及手术导航定位技术领域，特别涉及一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法及装置。
背景技术
骨科微创手术中常借助术中C型臂透视生成的X光图像中获取患者的解剖信息，从而进行穿刺定位，使手术器械安全到达患者的目标手术区域。然而X光图像是一种二维图像，单张X光图像不能提供足够的信息来确定最佳的定位深度、定位角度及其他定位所需要的参数，因此，骨科手术医生经常对患者从多角度进行透视，从而来补充医生所需要的目标位置信息。尽管如此，这种方式仍然对医生的空间想象能力提出了较高的要求。因此对于年轻的医生而言，该种方式具有极为陡峭的学习曲线。
随着科学技术的进步，术中的三维C臂和O型臂应运而生，它们可以直接在术中为医生提供患者的三维解剖信息，很好地解决了上述问题；但是三维C臂或者O型臂价格昂贵，只有少数大型医院才会配备，大多数的医院尤其是基层医院，仍采用多角度的二维X光片来实现定位。通过两张X光图像实现定位具有广泛的应用场景和极大的应用价值。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法及装置，能够解决上述存在的技术问题。
本发明的一个方面，提供了一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，该方法包括：
当所述手术导航标尺位于闭合状态时，手术导航标尺包括可在医学成像设备下成像的第一圆形部、第二圆形部和线段部；其中，所述第一圆形部和所述第二圆形部同轴，所述第一圆形部的直径小于所述第二圆形部的直径，所述线段部沿着所述第一圆形部的径向方向延伸；
所述X光图像的空间定位方法，包括如下步骤：
获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像；
分别提取两张X光图像中对应第一圆形部、第二圆形部和线段部的双圆环特征和直线特征；
根据所述双圆环特征和直线特征，求解X光成像装置的成像模型的参数值；所述X光成像装置的成像模型表示世界坐标系和屏幕坐标系之间的变换关系；
根据空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值以及X光成像装置的成像模型的参数值，计算该待定位点在世界坐标系下的三维坐标值。
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，还包括：
将X光成像环境中的任意位置作为世界坐标系的原点；
将X光成像装置的放射源作为X光成像装置坐标系的原点；
将X光成像环境中的物体通过X光成像装置与某一平面的二维投影作为图像坐标系，将光轴和图像平面的交点作为图像坐标系的原点；
将所述二维投影转换的图像信息呈现于计算机屏幕中，将该屏幕中的二维坐标系作为屏幕坐标系；
计算所述世界坐标系、X光成像装置坐标系、图像坐标系和屏幕坐标系之间的坐标变换关系，以构建X光成像装置的成像模型。
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，还包括：
将X光成像装置坐标系的原点作为光心，令X光成像装置坐标系的z轴与光轴重合，则空间中的待定位点在世界坐标系和X光成像装置坐标系中的坐标关系通过下式计算：
其中，tx、ty、tz为两个坐标之间的平移分量，α、β、γ为两个坐标系之间的旋转分量，x、y、z是空间中的待定位点在X光成像装置坐标系下的三维坐标，X、Y、Z是空间中的待定位点在世界坐标系下的三维坐标。
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，还包括：
令X光成像装置坐标系的x、y轴与图像坐标系的横纵坐标轴平行，通过下式计算所述空间中的待定位点在图像坐标系中的投影位置坐标：
其中，u'和v'是空间中的待定位点在图像坐标系中的投影位置的横坐标和纵坐标，f为X光成像装置的焦距。
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，还包括：
通过下式计算所述空间中的待定位点在屏幕坐标系下的坐标值：
其中，u和v是空间中的待定位点在屏幕坐标系下的横、纵坐标值，u0、v0是图像坐标系的原点在屏幕坐标系中的横、纵坐标值，dx为屏幕像素对应的实际横轴尺寸，dy为屏幕像素对应的实际纵轴尺寸。
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，还包括：
将上述各关系式联立，得到世界坐标系到屏幕坐标系的转换关系式为：
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，还包括：
根据上述世界坐标系到屏幕坐标系的转换关系式，得到X光成像装置的成像模型：
和图像坐标系上的一点对应的空间直线方程：
其中，
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，获取双圆环特征和直线特征在不同坐标系下的数学表达式，包括：
获取X光成像装置坐标系下的空间直线的解析方程为：
其中，e1、e2、h1、h2是X光成像装置坐标系下的空间直线方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下的空间直线投影在图像坐标系的解析方程为：
e3u+m3v＝n3
其中，e3、m3、n3是X光成像装置坐标系下的空间直线投影在图像坐标系的解析方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下圆的解析方程为：
其中，a、b、c为X光成像装置坐标系下圆的解析方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下的圆投影在图像坐标系的解析方程为：
d(u)2+e(v)2+fuv+gu+hv+j＝0
其中，d(u)表示X光成像装置坐标系的横坐标投影到图像坐标系的变换函数，e(v)表示X光成像装置坐标系的纵坐标投影到图像坐标系的变换函数，g、h、j表示X光成像装置坐标系下的圆投影在图像坐标系的圆的解析方程的标准参数；
将上述方程和所述X光成像装置的成像模型联立，计算得到成像模型的参数值A1至A11。
进一步的，所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，根据所述图像坐标系上的一点对应的空间直线方程，计算得到空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值对应的空间直线；
将两条空间直线的公垂线的中点坐标，作为待定位点在世界坐标系下的三维坐标。
本发明的另一方面，提供了一种基于导航标尺的X光图像的空间定位装置，包括：
手术导航标尺，当其位于闭合状态时，包括可在医学成像设备下成像的第一圆形部、第二圆形部和线段部；其中，所述第一圆形部和所述第二圆形部同轴，所述第一圆形部的直径小于所述第二圆形部的直径，所述线段部沿着所述第一圆形部的径向方向延伸；
以及空间定位模块，包括：
图像获取单元，用于获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像；
特征提取单元，用于分别提取两张X光图像中对应第一圆形部、第二圆形部和线段部的双圆环特征和直线特征；
参数计算单元，用于根据所述双圆环特征和直线特征，求解X光成像装置的成像模型的参数值；所述X光成像装置的成像模型表示世界坐标系和屏幕坐标系之间的变换关系；
坐标计算单元，用于根据空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值以及X光成像装置的成像模型的参数值，计算该待定位点在世界坐标系下的三维坐标值。
本申请提供的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法及装置，无需采用价格昂贵的设备，仅仅通过两张不同角度的X光图像，就能够快速、准确的实现拍摄物体的空间定位。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请一个实施例提供的两张X光图像实现空间定位的工作流程图；
图2是本申请一个实施例提供的坐标系示意图；
图3是本申请一个实施例提供的基于导航标尺的X光图像的空间定位方法的流程示意图；
图4是本申请一个实施例提供的手术导航标尺结构图；
图5是本申请一个实施例提供的正、侧位X光图像的视图；
图6是本申请一个实施例提供的提取X光图像中双圆环特征与直线特征示意图；
图7是本申请一个实施例提供的坐标系间变换关系示意图；
图8是本申请一个实施例提供的获取物体三维点示意图；
图9是本申请一个实施例提供的基于导航标尺的X光图像的空间定位装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述获取模块，但这些获取模块不应限于这些术语。这些术语仅用来将获取模块彼此区分开。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。
骨科微创手术中需要借助C型臂透视生成的X光图像以获取患者解剖信息，从而进行准确的穿刺定位。在此环境下，存在着几方面的矛盾：单张X光图像不足以提供足够信息以供确定最佳定位参数；多角度透视对空间想象能力要求较高，年轻医生对此的学习曲线极为陡峭；三维C型臂和O型臂可以直接提供患者的三维解剖信息，但价格昂贵，只有少数大型医院才能配备。本发明通过两张X光图像实现空间定位，对于仍采用多角度二维X光图像实现定位的大多数医院尤其是基层医院，有着积极意义，能够更方便准确的实现空间定位、获取患者解剖信息。
下面参考图1，对术中C型臂获取两张X光图像进行空间定位的整体工作流程进行描述。如图1所示，首先获取由C型臂采集的正侧位X光图像；然后提取两张X光图像中手术导航标尺投影成像的图形特征；然后根据提取的图形特征计算构建的X光成像装置的成像模型参数；最后根据空间中待定位点投影到正侧位X光图像上的坐标值和X光成像装置的成像模型，可以计算得到待定位点的空间坐标值。
其中，构建X光的成像装置的成像模型涉及世界坐标系、X光成像装置坐标系、图像坐标系和屏幕坐标系四个坐标系。参见图2，世界坐标系，是选择X光成像环境中任意位置作为原点构建的坐标系，可以描述X光成像装置的位置以及环境中其他任何物体的位置；X光成像装置坐标系，是以X光成像装置的放射源作为原点构建的坐标系；图像坐标系，是将X光成像环境中的物体通过X光成像装置与某一平面的二维投影作为图像坐标系，将光轴和图像平面的交点作为图像坐标系的原点；屏幕坐标系，是将所述二维投影转换的图像信息呈现于计算机屏幕中，该屏幕中的二维坐标系即为屏幕坐标系。
参见图3，本申请的一个实施例提供了一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法。
手术导航标尺是辅助医学成像设备定位的工具。如图4所示，当手术导航标尺位于闭合状态时，手术导航标尺包括可在医学成像设备下成像的第一圆形部、第二圆形部和线段部。其中，第一圆形部和第二圆形部同轴，第一圆形部的直径小于第二圆形部的直径，线段部沿着第一圆形部的径向方向延伸。
X光图像的空间定位方法，包括如下步骤:
步骤S101，获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像。
具体的，利用术中的C型臂进行图像采集，获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像。例如，拍摄腰椎正侧位X光图像，从患者的前后位拍摄正位X光图像、左右位拍摄侧位X光图像。参见图5，获取的正侧位图像中包含待定位区域和手术导航标尺的成像，其中，圆形部经过透视投影会变成椭圆，线段部经过透视投影仍为线段。
步骤S102，分别提取两张X光图像中对应第一圆形部、第二圆形部和线段部的双圆环特征和直线特征。
具体的，提取效果如图6所示，获取直线特征和双圆环特征也即两个圆形部投影到屏幕坐标系形成的椭圆特征，在不同坐标系下的数学表达式，包括：
获取X光成像装置坐标系下的空间直线的解析方程为：
其中，e1、e2、h1、h2是X光成像装置坐标系下的空间直线方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下的空间直线投影在屏幕坐标系的解析方程为：
e3u+m3v＝n3
其中，e3、m3、n3是X光成像装置坐标系下的空间直线投影在屏幕坐标系的方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下圆的解析方程为：
其中，a、b、c为X光成像装置坐标系下圆的解析方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下的圆投影在屏幕坐标系下形成椭圆的解析方程为：
d(u)2+e(v)2+fuv+gu+hv+j＝0
其中，d(u)表示X光成像装置坐标系的横坐标投影到屏幕坐标系的变换函数，e(v)表示X光成像装置坐标系的纵坐标投影到屏幕坐标系的变换函数，g、h、j表示X光成像装置坐标系下的圆投影在屏幕坐标系的椭圆的解析方程的标准参数。
步骤S103，根据所述双圆环特征和直线特征，求解X光成像装置的成像模型的参数值；所述X光成像装置的成像模型表示世界坐标系和屏幕坐标系之间的变换关系。
具体的，分为构建X光成像装置的成像模型和求解成像模型的参数值两部分进行。
构建X光成像装置的成像模型：
假设环境中有一待定位点P，(X,Y,Z)为其世界坐标系中的坐标；(x,y,z)为其在X光成像装置坐标系中的坐标；(u',v')为其在图像坐标系中的坐标；(u,v)为其在屏幕坐标系中的坐标。X光成像装置的成像模型就是表示世界坐标系到屏幕坐标系之间的变换关系。世界坐标系中的点P映射到屏幕坐标系中的对应点要经过一系列坐标变换，变换过程如图7所示，构建X光成像装置的成像模型需要计算这一系列坐标系之间的变换关系。
例如，构建C型臂的成像模型。C型臂X光机中主要由C型机架、产生X射线的球管、影像增强器、CCD摄像机以及图像处理工作站等部分组成。首先，世界坐标系到X光成像装置坐标系的变换中，X光成像装置坐标系选取摄像机的光心为原点，z轴与摄像机的光轴重合。待定位点P在世界坐标系和X光成像装置坐标系中的齐次坐标分别为(X,Y,Z,1)T、(x,y,z,1)T。点P在世界坐标系和X光成像装置坐标系中的坐标变换关系为：
为旋转矩阵，有:
其中，tx、ty、tz为两个坐标之间的平移分量，α、β、γ为两个坐标系之间的旋转分量。
其次，X光成像装置坐标系到图像坐标系的变换中，令X光成像装置坐标系的x、y轴与图像坐标系的横纵坐标轴平行，点P在图像上的投影位置P',为光心与P的连线与图像平面的交点。则图像坐标系中投影位置P‘的坐标为：
其中，u'和v'是点P在图像坐标系中的投影位置的横坐标和纵坐标，f为X光成像装置的焦距。表示为齐次矩阵的形式如下:
然后，图像坐标系到屏幕坐标系的变换中，一幅M×N的像素图像可以在计算机内以一个M×N的二维数组进行存储，数组中各个数与屏幕上的像素是一一映射的，屏幕上的每一个像素的坐标分别是该像素在数组中的行数和列数，该坐标没有明确的物理意义，因此将屏幕坐标的单位转化为物理单位表示的形式，dx为屏幕像素对应的实际横轴尺寸，dy为屏幕像素对应的实际纵轴尺寸。图像坐标系中，坐标系原点定义为摄像机的光轴与图像平面的交点，但由于摄像机制造原因，会存在一些偏离，假设图像坐标系原点在屏幕坐标系中坐标为(u0,v0),点P在屏幕坐标系中坐标为(u,v)，则点P从图像坐标系到屏幕坐标系的变换关系为：
表示为齐次矩阵的形式如下：
将上述各坐标系间的变换关系式齐次矩阵联立起来，得到世界坐标系到屏幕坐标系的变换关系式为:
最后，通过对上述变换关系式进行展开变换即可得到C型臂的成像模型：
和图像坐标系上的一点对应的空间直线方程：
其中，
求解成像模型的参数值：
将步骤S102中得到的直线特征方程与上述部分求得的C型臂的成像模型联立起来，得到最后形式：F1(A)x+F2(A)＝0，该式恒成立，因此获得2个二次方程：F1(A)＝0、F2(A)＝0。
将步骤S102得到的双圆环特征即椭圆特征方程与C型臂的成像模型联立起来，得到最后形式：F3(A)x2+F4(A)y2+F5(A)xy+F6(A)x+F7(A)y+F8(A)＝0，该式恒成立，因此获得5个二次方程：F3(A)/F8(A)＝1/c，F4(A)/F8(A)＝1/c，F5(A)＝0，F6(A)/F8(A)＝a/c，F7(A)/F8(A)＝b/c，大小椭圆同理，即可获得10个二次方程。
根据获取的双圆环特征与直线特征结合C型臂成像模型，一共可以形成12个二次方程，其中有A1至A11共11个未知参数，即可以求出成像模型参数值。
例如：C型臂在正、侧位分别拍摄一张X光图像后，基于图像中的双圆环特征与直线特征求解C型臂成像模型，可以获得A1正位、A2正位…A11正位，A1侧位、A2侧位…A11侧位。
步骤S104，根据空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值以及X光成像装置的成像模型的参数值，计算该待定位点在世界坐标系下的三维坐标值。
具体的，根据步骤S103中获得的屏幕图像上的一点对应的空间直线方程，计算得到空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值对应的空间直线。将两条空间直线的公垂线的中点坐标，作为待定位点在世界坐标系下的三维坐标。
例如：参见图8，选择物体在同一三维点上分别投影到正、侧位X光图像中的坐标，获得(u正位,v正位)、(u侧位,v侧位)，分别代入屏幕图像上一点对应的空间直线方程，可以得到通过物体此三维点的正位方向、侧位方向两条空间直线。正位方向的空间直线即C型臂正位拍摄时，由摄像机光心点、物体此三维点所确定的唯一直线；侧位方向的空间直线即C型臂侧位拍摄时，由摄像机光心点、物体此三维点所确定的唯一直线。理想情况下，这两条空间直线呈相交状态，此交点坐标即为物体此三维点坐标。但实际情况中会存在误差使得两条空间直线并不相交，因此，选择两条空间直线的公垂线中点三维坐标，即空间中与两条空间直线距离相等且最短的一点三维坐标，作为世界坐标系下所选物体三维点的三维坐标，从而完成空间定位。
本实施例的上述基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，能够通过两张X光图像获取物体的三维信息、实现物体的空间定位，简化了普通的多角度二维X光图像实现定位方法。
参见图9，本发明的另一实施例还提供了一种基于导航标尺的X光图像的空间定位装置900，包括：手术导航标尺910、空间定位模块920，空间定位模块920中包括：图像获取单元921、特征提取单元922、参数计算单元923、坐标计算单元924。该基于导航标尺的X光图像的空间定位装置900用于执行上述方法实施例的各个步骤。
具体的，基于导航标尺的X光图像的空间定位装置900包括：
手术导航标尺910，当其位于闭合状态时，包括可在医学成像设备下成像的第一圆形部、第二圆形部和线段部；其中，所述第一圆形部和所述第二圆形部同轴，所述第一圆形部的直径小于所述第二圆形部的直径，所述线段部沿着所述第一圆形部的径向方向延伸；
空间定位模块920，其中包括：
图像获取单元921，被配置为获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像；
特征提取单元922，被配置为分别提取两张X光图像中对应第一圆形部、第二圆形部和线段部的双圆环特征和直线特征；
参数计算单元923，被配置为根据所述双圆环特征和直线特征，求解X光成像装置的成像模型的参数值；所述X光成像装置的成像模型表示世界坐标系和屏幕坐标系之间的变换关系；
坐标计算单元924，被配置为根据空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值以及X光成像装置的成像模型的参数值，计算该待定位点在世界坐标系下的三维坐标值。
需要说明的是，本实施例提供的基于导航标尺的X光图像的空间定位装置900对应的可用于执行各方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果与方法类似，此处不再赘述。
以上描述仅为本发明的较佳实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，
当所述手术导航标尺位于闭合状态时，手术导航标尺包括可在医学成像设备下成像的第一圆形部、第二圆形部和线段部；其中，所述第一圆形部和所述第二圆形部同轴，所述第一圆形部的直径小于所述第二圆形部的直径，所述线段部沿着所述第一圆形部的径向方向延伸；
所述X光图像的空间定位方法，包括如下步骤：
获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像；
分别提取两张X光图像中对应第一圆形部、第二圆形部和线段部的双圆环特征和直线特征；
根据所述双圆环特征和直线特征，求解X光成像装置的成像模型的参数值；所述X光成像装置的成像模型表示世界坐标系和屏幕坐标系之间的变换关系；
根据空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值以及X光成像装置的成像模型的参数值，计算该待定位点在世界坐标系下的三维坐标值。
2.根据权利要求1所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，还包括：
将X光成像环境中的任意位置作为世界坐标系的原点；
将X光成像装置的放射源作为X光成像装置坐标系的原点；
将X光成像环境中的物体通过X光成像装置与某一平面的二维投影作为图像坐标系，将光轴和图像平面的交点作为图像坐标系的原点；
将所述二维投影转换的图像信息呈现于计算机屏幕中，将该屏幕中的二维坐标系作为屏幕坐标系；
计算所述世界坐标系、X光成像装置坐标系、图像坐标系和屏幕坐标系之间的坐标变换关系，以构建X光成像装置的成像模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，还包括：
将X光成像装置坐标系的原点作为光心，令X光成像装置坐标系的Z轴与光轴重合，则空间中的待定位点在世界坐标系和X光成像装置坐标系中的坐标关系通过下式计算：
其中，tx、ty、tz为两个坐标之间的平移分量，α、β、γ为两个坐标系之间的旋转分量，x、y、z是空间中的待定位点在X光成像装置坐标系下的三维坐标，X、Y、Z是空间中的待定位点在世界坐标系下的三维坐标。
4.根据权利要求3所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，还包括：
令X光成像装置坐标系的X、Y轴与图像坐标系的横纵坐标轴平行，通过下式计算所述空间中的待定位点在图像坐标系中的投影位置坐标：
其中，u'和v'是空间中的待定位点在图像坐标系中的投影位置的横坐标和纵坐标，f为X光成像装置的焦距。
5.根据权利要求4所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，还包括：
通过下式计算所述空间中的待定位点在屏幕坐标系下的坐标值：
其中，u和v是空间中的待定位点在屏幕坐标系下的横、纵坐标值，u0、v0是图像坐标系的原点在屏幕坐标系中的横、纵坐标值，dx为屏幕像素对应的实际横轴尺寸，dy为屏幕像素对应的实际纵轴尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，还包括：
将上述各关系式联立，得到世界坐标系到屏幕坐标系的转换关系式为：
7.根据权利要求6所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，还包括：
根据上述世界坐标系到屏幕坐标系的转换关系式，得到图像坐标系上的一点对应的空间直线方程：
其中，k1＝f/dx，k2＝f/dy。
8.根据权利要求7所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于，获取双圆环特征和直线特征在不同坐标系下的数学表达式，包括：
获取X光成像装置坐标系下的空间直线的解析方程为：
其中，e1、e2、h1、h2是X光成像装置坐标系下的空间直线方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下的空间直线投影在图像坐标系的解析方程为：
e3u+m3v＝n3
其中，e3、m3、n3是上述X光成像装置坐标系下的空间直线投影在图像坐标系的解析方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下圆的解析方程为：
其中，a、b、c为X光成像装置坐标系下圆的解析方程的标准参数；
获取X光成像装置坐标系下的圆投影在图像坐标系的解析方程为：
d(u)2+e(v)2+fuv+gu+hv+j＝0
其中，d(u)表示X光成像装置坐标系的横坐标投影到图像坐标系的变换函数，e(v)表示X光成像装置坐标系的纵坐标投影到图像坐标系的变换函数，g、h、j表示X光成像装置坐标系下的圆投影在图像坐标系的圆的解析方程的标准参数；
将上述方程和所述图像坐标系上的一点对应的空间直线方程联立，计算得到成像模型的参数值A1至A11。
9.根据权利要求8所述的一种基于导航标尺的X光图像的空间定位方法，其特征在于：
根据所述图像坐标系上的一点对应的空间直线方程，计算得到空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值对应的空间直线；
将两条空间直线的公垂线的中点坐标，作为待定位点在世界坐标系下的三维坐标。
10.一种基于导航标尺的X光图像的空间定位装置，其特征在于，包括：
手术导航标尺，当其位于闭合状态时，包括可在医学成像设备下成像的第一圆形部、第二圆形部和线段部；其中，所述第一圆形部和所述第二圆形部同轴，所述第一圆形部的直径小于所述第二圆形部的直径，所述线段部沿着所述第一圆形部的径向方向延伸；
以及空间定位模块，包括：
图像获取单元，用于获取手术导航标尺闭合状态时的正位X光图像和侧位X光图像；
特征提取单元，用于分别提取两张X光图像中对应第一圆形部、第二圆形部和线段部的双圆环特征和直线特征；
参数计算单元，用于根据所述双圆环特征和直线特征，求解X光成像装置的成像模型的参数值；所述X光成像装置的成像模型表示世界坐标系和屏幕坐标系之间的变换关系；
坐标计算单元，用于根据空间中的待定位点投影到所述正位X光图像和侧位X光图像上的坐标值以及X光成像装置的成像模型的参数值，计算该待定位点在世界坐标系下的三维坐标值。
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