CN117372661B - 一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法 - Google Patents

一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法，该方法包括：获取医学影像模型中的m个注册标记点的编号；获取世界坐标系下的n个注册标记点；从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别选出k个进行配对，计算各配对关系下的变换矩阵及注册标记点误差；根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系。本发明在模型坐标系与世界坐标系中分别按所有的可能性选出部分注册标记点进行配对，计算变换矩阵及相应的注册标记点误差，并通过比较注册标记点误差自动、快捷地确定了正确的点对配对关系，无需与医学模型中的注册标记点一一对应地寻找、采集标记点，减轻了医生的工作负担，提升了注册操作的效率。

Description

一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法。
背景技术
手术导航是将病人术前或术中影像数据和真实患者的组织结构准确对应，辅助术中跟踪手术器械的位置，将手术器械的位置在病人医学影像上更新显示，或者用于将手术规划内容映射至真实空间，为医生提供位置信息引导，使外科手术更快速、更精确、更安全。
注册是将手术导航系统所在的真实空间与医学影像空间建立转换关系的过程，注册是手术导航系统开展工作的基础。通过骨钉进行注册是精度最高的注册方式，通常通过探针依次点选真实空间中至少3个骨钉的空间位置，然后与医学影像模型中对应的骨钉模型进行配准，此过程一般给医学影像模型中的骨钉设置了序号，然后对模型中每一序号的骨钉分别采集其在真实空间的位置，因此，医生在注册过程中需要观察对比患者骨钉和模型骨钉的位置，保障二者一一对应，该方式导致注册过程缓慢，花费较多时间。
为了解决或部分解决以上问题，本发明提出了一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法。
发明内容
本发明提供一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法，用以解决现有技术中采集骨钉位置较为繁琐的缺陷，提升注册效率。
本发明提供一种手术导航注册方法，包括：
获取医学影像模型中的m个注册标记点的编号；其中，m≥3，m为整数；
获取世界坐标系下的n个注册标记点；其中，n≥3，n为整数；
从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个进行配对，计算各配对关系下的变换矩阵及注册标记点误差；3≤k＜min（m，n）；
根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系，包括：
将最小的注册标记点误差对应的变换矩阵确定为第一变换矩阵；
根据所述第一变换矩阵确定所述正确的点对配对关系。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，在所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系之后，方法还包括：
根据所述正确的点对配对关系，计算p组点对的注册标记点误差；其中，p遍历3≤p≤min（m，n）；
将上述遍历过程中最小的注册标记点误差对应的变换矩阵确定为第二变换矩阵。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，在所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系之后，方法还包括：
根据所述正确的点对配对关系，重新计算得到min（m，n）组点对的第三变换矩阵。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，方法还包括：
选取所述世界坐标系下的至少一个未用于注册的特征点，验证注册过程的精度。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，方法还包括：
根据所述第二变换矩阵或第三变换矩阵，确定出误差最大的点对，并通过显示设备进行提示。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，方法还包括：
将所述误差最大的点对和/或其误差数值通过显示设备进行提示。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，所述获取世界坐标系下的n个注册标记点之后，方法还包括：
判断所述世界坐标系下的n个注册标记点是否为对应于所述医学影像模型中各注册标记点的有序点；
若是，则根据有序点的顺序，直接将所述世界坐标系下的n个注册标记点与所述医学影像模型中的m个注册标记点配对；
若否，则执行所述从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别选出的k个进行配对，计算各配对关系下的变换矩阵及注册标记点误差的步骤。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，所述从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个，包括：
为模型坐标系或世界坐标系中的各注册标记点分别添加状态变量；所述状态变量表示“选中”状态或“未选中”状态；
生成初始状态序列；其中，所述初始状态序列的一端为连续k个“选中”状态，其余为“未选中”状态；
基于所述初始状态序列，通过二进制移位的方式生成多种状态序列，每一种状态序列对应了一种选取k个注册标记点的方式。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，所述二进制移位包括；
步骤1、基于所述初始状态序列，确定变量i，i为所述初始状态序列中最后出现“1”的位序；
步骤2、在前i+1位中，逐步将左邻的“1”与右邻的“0”交换位置，得到一系列状态序列，完成此轮移位；
步骤3、将前i位所有的“1”向左移动，将第i位右侧的“1”逐步向右移动得到一系列状态序列；
步骤4、在步骤3得到的每一状态序列的基础上，在前i位中，逐步将左邻的“1”与右邻的“0”交换位置，得到一系列状态序列；
步骤5、将变量i数值减1，再次执行步骤3、4，直至i=1 。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个进行配对，包括：
将一个坐标系下的k个注册标记点顺序固定，将另一坐标系下的k个注册标记点进行排序，并根据每一排序结果确定所述模型坐标系与所述世界坐标系下的k个注册标记点的配对关系；
上述排序过程通过如下方式实现：
按照选出的k个注册标记点的编号进行排序，得到初始排序；
利用双指针对所述初始排序逐步调整，得到一系列排序。
根据本发明提供的一种手术导航注册方法，所述初始排序为顺序状态，所述利用双指针对所述初始排序逐步调整包括：从所述初始排序的序列末尾逐步增大调整范围，通过双指针将当前调整范围内的序列由顺序逐步调整为逆序；
或，所述初始排序为逆序状态，所述利用双指针对所述初始排序逐步调整包括：从所述初始排序的序列末尾逐步增大调整范围，通过双指针将当前调整范围内的序列由逆序逐步调整为顺序。
本发明还提供一种手术导航系统，探针，主机；
所述探针用于辅助获取世界坐标系下的n个注册标记点；
所述主机被配置为执行前述任一项所述的手术导航注册方法。
本发明还提供一种手术机器人系统，包括：前述的手术导航系统，以及机械臂；
所述探针可拆卸地安装到所述机械臂。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如前述任一项手术导航注册方法的全部或部分步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如前述任一项手术导航注册方法的全部或部分步骤。
本发明提供的一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法，
1、医生无需与医学模型中的注册标记点一一对应地采集骨钉的位置，降低了注册过程的操作难度，减少了真实空间中注册操作消耗的时间，节约了医生的精力，缩短了手术时间；
2、通过二进制移位、双指针，能够在避免遗漏或重复一些配对情况的同时，提高主机中数据处理的效率；
3、通过计算距离均值，先计算部分注册标记点误差，后计算全局注册标记点误差，能够提高注册过程的数据处理效率，提升注册精度；
4、同时提供有序注册和随机注册的注册方式，满足医生的差异化需求，
5、能够对注册误差较大的标记点进行提示，能够对医生示警，提升手术精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明的一种手术导航注册方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种手术导航系统的结构示意图之一；
图3是本发明提供的一种手术导航系统的结构示意图之二；
图4是本发明提供的一种手术机器人系统的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
下面结合图1-5对本发明提供的一种手术导航系统、手术机器人系统及注册方法进行说明。
图1是本发明的一种手术导航注册方法的流程示意图，该方法在主机中执行，如图1所示，该方法包括：
S11、获取医学影像模型中的m个注册标记点的编号；其中，m≥3，m为整数；
具体的，注册标记点可以是任意形式的，例如术前在患者身上设置了标志物，标志物可以在医学影像下显影（例如在患者头部、脊柱等位置植入了标记骨钉，又例如在患者体表粘贴了显影标记），注册标记点又例如患者身上的特殊点，例如眼角、鼻尖、嘴角等特征点，当然注册标记点也可以是其他辅助注册装置提供的，辅助注册装置与患者相对位置固定，辅助注册装置上设置有注册标记点，本申请对注册标记点的形式不作限制。注册标记点的数量可以是3个、4个、5个、6个等等。
术前或术中对患者采集了医学影像，例如，对患者采集了磁共振图像、功能磁共振图像、CT图像、X光片等，基于医学影像可以建立三维模型，即医学影像模型。基于医学影像模型可以提取得到m个注册标记点的空间位置，例如，对m个骨钉，提取提取骨钉头部（骨钉顶部）的三维坐标，又例如，对m个显影球，提取其中心点的三维坐标。提取注册标记点后，需要对m个注册标记点进行编号，方便对注册标记点进行管理，进一步与真实空间中采集到的注册标记点进行配对、注册。医学影像模型中注册标记点的数量至少为3，以保证注册精度。
可以理解的是，上述医学影像模型还可以是根据实时输入的医学影像建立的，也可以是预先建立的，直接调用即可。同理，m个注册标记点的编号可以是实时提取注册标记点并编排的编号，也可以是医学影像模型中预先提取或添加的编号。
S12、获取世界坐标系下的n个注册标记点；其中，n≥3，n为整数；
具体地，这里的世界坐标系是可以描述真实空间的坐标系，世界坐标系可以是根据导航设备（例如光学导航设备、电磁导航设备）、机械臂等建立的坐标系，也可以是根据空间中其他设备、物体建立的坐标系，例如病床坐标系、手术台车坐标系等，还可以将采集到的n个注册标记点的三维坐标转换至病床、手术台车等坐标系中进行描述。
获取世界坐标系下的n个注册标记点，也就是获取n个注册标记点空间位置（或者说三维坐标）的过程例如，医生操作探针点选注册标记点，追踪设备追踪探针的空间位置并传输给主机，又例如，将探针安装或集成到机械臂，由主机根据机械臂的姿态、机械臂与探针的连接关系处理得到导航世界坐标系下的注册标记点（的三维坐标），又例如，探针安装或集成到机械臂，通过拖动机械臂使得探针选取注册标记点，并通过追踪设备追踪探针的位置。注册标记点的数量可以是3个、4个、5个、6个等等。
S13、从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个进行配对，计算各配对关系下的变换矩阵及注册标记点误差；3≤k＜min（m，n）；
由于世界坐标系下的n各注册标记点是按任意顺序采集的，其与模型坐标系下的m各注册标记点的配对关系是不确定的，需要主机通过计算确定出准确的配对关系。具体地，从模型坐标系下的m个注册标记点以及世界坐标系下的n个注册标记点中分别按所有的可能性选出k个进行配对，其中，3≤k＜min（m，n），k可以在该范围内选取一个值，不必遍历取值范围3≤k＜min（m，n）。也就是按照多种方式（即，多种选取k个点的选取方式）选取世界坐标系下的k个注册标记点与模型坐标系下的k个注册标记点，然后按多种方式进行配对，这样可以减少每次配对时需要计算矩阵及注册标记点误差的点对数量，降低计算转换矩阵、注册标记点误差过程的计算量，提升处理效率。
对于每一配对关系计算其相应的变换矩阵，变换矩阵可以将一个坐标系下的一组注册标记点进行转换至另一坐标系，使得转换后的这一组注册标记点与该另一坐标系下的注册标记点的匹配度最高，具体地，可以利用四元数法、SVD分解法等方式计算变换矩阵，求得的变换矩阵使得注册标记点误差尽可能小，注册标记点用于能够描述经过变换矩阵“转换”后对应点之间的误差大小。可以理解的是，这里的注册标记点误差是针对选出的k个注册标记点计算的误差。
S14、根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系。
具体地，对于每一配对关系都计算有相应的注册标记点误差，注册标记点误差最小即意味着匹配度最高，此时的min（m，n）组点对的配对关系即为正确的点对配对关系。
本实施例中在模型坐标系与世界坐标系中分别选出部分注册标记点进行配对，计算变换矩阵及相应的注册标记点误差，并通过比较注册标记点误差自动、快捷地确定了正确的点对配对关系，无需与医学模型中的注册标记点一一对应地寻找、采集标记点，减轻了医生的工作负担，提升了注册操作的效率。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，所述注册标记点误差通过计算距离均值得到。
具体地，对于每一组对应点，在通过变换矩阵转换至同一坐标系后通过计算距离均值得到注册标记点误差，这里的距离可以是欧氏距离，也可以是其他类型的距离，例如，欧式距离的平方均值。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系，包括：
将最小的注册标记点误差对应的变换矩阵确定为第一变换矩阵；
根据所述第一变换矩阵确定所述正确的点对配对关系。
本实施例中通过选取部分的注册标记点进行快速匹配，能够高效地确定出可能的变换矩阵及相应的注册标记点误差，这些可能的变换矩阵中使得的注册标记点误差最小的变换矩阵即为第一变换矩阵，根据此第一变换矩阵将两个坐标系下的注册标记点进行配对，距离最近的点即为配对点。可以理解的是，配对后可以得到min（m，n）组点对，如果min（m，n）=3，则第一变换矩阵可以直接作为注册过程输出的变换矩阵。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，在所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系之后，方法还包括：
根据所述正确的点对配对关系，计算p组点对的注册标记点误差；其中，p遍历3≤p≤min（m，n）；
将上述遍历过程中最小的注册标记点误差对应的变换矩阵确定为第二变换矩阵。
本实施例中在根据部分点确定点对的配对关系后，选取任意数量的“点对”计算其注册标记点误差，找出所有的“选取点对的方式”下最小的注册标记点误差，该最小的注册标记误差对应的变换矩阵即为第二变换矩阵，通过这种方式减小了误差较大的注册点对计算变换矩阵的影响，获得相对误差较小的第二变换矩阵。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，在所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定正确的点对配对关系之后，方法还包括：
根据所述正确的点对配对关系，重新计算得到min（m，n）组点对的第三变换矩阵。例如基于正确的对配对关系进一步利用ICP算法、四元数法重新计算min（m，n）组点对的变换矩阵（即第三变换矩阵）及注册标记点误差。
本实施例中先基于部分注册标记点确定第一变换矩阵，然后基于第一变换矩阵确定了所有注册标记点的配对关系，在此基础上用更多的点对进一步精确地计算了变换矩阵（即得到全局误差较小的第三变换矩阵）。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，方法还包括：
选取所述世界坐标系下的至少一个特征点，验证注册过程的精度。
具体的，这里的特征点可以是患者身上的特征点，例如眼角、鼻尖等等，特征点也可以是未用于计算变换矩阵的注册标记点，也就是说，在重新计算变换矩阵的过程中预留了该注册标记点，在计算完变换矩阵后，通过变换矩阵将该注册标记点与模型坐标系中的对应点统一至同一坐标系，计算误差。然后将该计算误差与预设的误差阈值比较，验证注册精度，或者将该误差显示给用户，供用户评估注册精度。
本实施例中通过预留注册标记点进行注册精度验证，有助于提升手术精度，降低手术风险。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，方法还包括：
根据所述第二变换矩阵或第三变换矩阵，确定出误差最大的点对，并通过显示设备进行提示。
具体地，确定出正确的点对配对关系后，基于此点对配对关系可以计算更加精确的变换矩阵，例如前述实施例计算得到的第二变换矩阵、第三变换矩阵，以提升注册精度。上述变换矩阵即为模型坐标系到世界坐标系的转换关系，根据此转换关系将模型坐标系下的m个注册标记点与世界坐标系下的n个注册标记点转换至同一坐标系，分别计算各点对的误差，将误差最大的点对通过显示设备显示，为用户提供信息提示，提升手术精度。例如，将误差最大的注册标记点以预设颜色显示，又例如，（通过显示设备）在误差最大的注册标记点旁边显示具体的误差数据。医生发现某个点的误差较大时，可采取相应措施，例如重新采集注册标记点、重新执行注册过程等，提升手术精度。
本实施例中通过提示误差最大的注册标记点，有助于提升手术精度。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，所述获取世界坐标系下的n个注册标记点之后，方法还包括：
判断所述世界坐标系下的n个注册标记点是否为对应于所述医学影像模型中各注册标记点的有序点；
若是，则根据有序点的顺序，直接将所述世界坐标系下的n个注册标记点与所述医学影像模型中的m个注册标记点配对；
若否，则执行所述从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别选出k个进行配对，计算各配对关系下的变换矩阵及注册标记点误差的步骤。
具体地，本实施例的方案同时支持“有序注册”和“无序注册”，即医生可以根据模型坐标系中的注册标记点，对应有序地在空间中采集注册标记点的位置，也可以任意地采集注册标记点的位置，例如用户观察显示设备显示软件截面，通过输入设备旋转“有序注册模式”或“无序注册模式”，然后根据相应的注册模式采集注册标记点的位置。主机可以根据相应的字段记录判断采集到的世界坐标系下的n个注册标记点是有序点还是无序点，如果是有序点，则可以直接与医学影像模型中的注册标记点配对，如果不是有序点，则还需要执行前述选出k个点进行配对，计算注册标记点误差的步骤。
本实施例中同时支持有序点注册和无序点注册，满足了用户的差异化需求。
基于上述实施例，在一个实施例中，所述从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个，包括：
为模型坐标系或世界坐标系中的各注册标记点分别添加状态变量；所述状态变量表示“选中”状态或“未选中”状态；
生成初始状态序列；其中，所述初始状态序列的一端为连续k个“选中”状态，其余为“未选中”状态；
基于所述初始状态序列，通过二进制移位的方式生成多种状态序列，每一种状态序列对应了一种选取k个注册标记点的方式。
具体地，从模型坐标系中选取k个注册标记点时可以对模型坐标系下的m个注册标记点分别添加状态变量，记录其“选中”或“未选中”的状态，例如，状态变量的值为1表示该注册标记点出现在该“组合”中，状态变量的值为0表示该注册标记点未出现在该“组合”中。对m个注册标记点生成初始状态序列，例如生成前k个为1，后n-k个为0的初始状态序列，又例如，生成前n-k个为0，后k个为1的初始状态序列。然后在初始状态序列的基础上通过二进制移位的方式生成多种状态序列，得到的每一状态序列都对应了一种选取k个注册标记点的方式。同理，也可以参照该方式从世界坐标系下的n个注册标记点中选出k个注册标记点。
本实施例通过添加状态变量、生成初始状态序列并通过二进制移位的方式，快捷、无遗漏、不重复地生成了多个状态序列，并且上述过程方便主机处理，提升了数据处理效率。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，所述二进制移位包括；
步骤1、基于所述初始状态序列，确定变量i，i为所述初始状态序列中最后出现“1”的位序；
步骤2、在前i+1位中，逐步将左邻的“1”与右邻的“0”交换位置，得到一系列状态序列，完成此轮移位；
步骤3、将前i位所有的“1”向左移动，将第i位右侧的“1”逐步向右移动得到一系列状态序列；
步骤4、在步骤3得到的每一状态序列的基础上，在前i位中，逐步将左邻的“1”与右邻的“0”交换位置，得到一系列状态序列；
步骤5、将变量i数值减1，再次执行步骤3、4，直至i=1 。
为方便理解，上述过程以“前k个为1，后n-k个为0的初始状态序列”为基础描述二进制移位过程，可以理解的是，还可以以“前n-k个为0，后k个为1的初始状态序列”为基础进行二进制移位。
下面通过一个具体的实施例对二进制移位的过程进行示意说明：
本实施例中，模型坐标系中有7个注册标记点，需要选出5个注册标记点与世界坐标系中的5个注册标记点配对。对7个注册标记点分别设置状态变量，“1”代表“序列组合”中该注册标记点为选取状态，“0”代表“序列组合”中该注册标记点为未选取。
初始状态序列为：
1 1 1 1 1 0 0
步骤1、确定初始状态序列中第五位是最后出现“1”的位序，即i=5。
步骤2、将初始状态序列中前6位（即，前i+1位）中的左邻“1”与右邻“0”逐步交换，得到多个序列：
1 1 1 1 0 1 0
1 1 1 0 1 1 0
1 1 0 1 1 1 0
1 0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 1 0
步骤3、将前5位（即，前i位）所有的“1”左移，将第5位（即，前i位）右侧的“1”逐步右移，得到一系列状态序列：
1 1 1 1 0 0 1
本实施例中第5位右侧只有两个位序，因此步骤3只得到一个序列。
步骤4、在步骤3序列的基础上，将前5位中的左邻“1”与右邻“0”逐步交换，得到一系列状态序列。
1 1 1 0 1 0 1
1 1 0 1 1 0 1
1 0 1 1 1 0 1
0 1 1 1 1 0 1
步骤5、将i数值减一，即i=4，继续执行步骤3、4，直至i=1，得到一系列状态序列：
1 1 1 0 0 1 1
1 1 0 1 0 1 1
1 0 1 1 0 1 1
0 1 1 1 0 1 1
1 1 0 0 1 1 1
1 0 1 0 1 1 1
0 1 1 0 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1
0 1 0 1 1 1 1
0 0 1 1 1 1 1
本实施例通过二进制移位，快捷、无遗漏、不重复地生成了多个状态序列，上述过程方便主机处理，提升了数据处理效率。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个进行配对，包括：
将模型坐标系与世界坐标系其中一个坐标系下的k个注册标记点顺序固定，将另一坐标系下的k个注册标记点进行排序，并根据每一排序结果确定所述模型坐标系与所述世界坐标系下的k个注册标记点的配对关系。
具体地，可以将世界坐标系下选出的注册标记点的顺序固定（例如按照注册标记点的采集顺序固定，又例如，随机固定为某个顺序），对模型坐标系下的m个注册标记点中选出的k个注册标记点进行排序，得到多种排序结果，根据每一排序结果将模型坐标系下的k个注册标记点依次对应到该固定顺序中的k个注册标记点，即确定了k个注册标记点的配对关系。或者，可以将模型坐标系下选出的k个注册标记点的顺序固定（例如按照其编号顺序固定，又例如随机固定为某个顺序），然后，对世界坐标系下的选出的k个注册标记点进行排序，得到多种排序结果，根据每一排序结果将世界坐标系下的k个注册标记点依次对应到该固定顺序中的k个注册标记点。
基于上述实施例，在一个实施例中，上述排序过程通过如下方式实现：
按照选出的k个注册标记点的编号进行排序，得到初始排序；
利用双指针对所述初始排序逐步调整，得到一系列排序。
具体地，在初始排序的基础上，通过双指针寻找序列中需要交换的元素直接进行交换即可快捷地生成下一排序，该过程无需申请新的内存空间，能够在节省存储资源、计算资源的同时，无遗漏、无重复地生成所有的排序。
基于上述任一实施例，在一个实施例中，所述初始排序为顺序状态，所述利用双指针对所述初始排序逐步调整，包括：
从所述初始排序的序列末尾逐步增大调整范围，通过双指针将当前调整范围内的序列由顺序逐步调整为逆序。
具体地，本实施例中初始排序为顺序状态，假设模型坐标系中的m个注册标记点为A1~Am，k=6，从m个注册标记点中选出6个注册标记点的一种组合方式为A1、A3、A4、A5、A7、A8 ，其编号的（顺序状态）初始排序为：
1 3 4 5 7 8
先对初始序列的末尾两位进行调整，将顺序调整为逆序，得到：
1 3 4 58 7
然后，将调整范围扩大到从初始序列的末尾3位，将顺序的“578”，逐步调整为逆序的“875”，得到：
1 3 47 58
1 3 4 78 5
1 3 48 5 7
1 3 4 87 5
然后，将调整范围逐步扩大至初始序列的末尾4位、5位、6位，每次扩大调整范围后，将调整范围内的首位元素与右侧大于该首位的元素交换，在该首位元素右侧逐步将顺序调整为逆序，依此类推，直至整个初始序列调整为逆序。
在上述调整交互元素位置的过程中，通过双指针高效地搜索出待交换的两个元素进行直接交换，通过双指针处理可以逐步输出字典序增大的多个序列，该过程可以无遗漏、无重复地生成所有的排序序列，并且每次生成新的排序序列时，无需重新申请内存空间，该过程能够节省存储资源以及计算资源，加快处理效率。
可以理解的是，参照上述示例，初始排序还可以是逆序状态，对逆序状态的初始排序进行调整，从所初始排序的序列末尾逐步增大调整范围，通过双指针将当前调整范围内的序列由逆序逐步调整为顺序，得到多个排序。
本发明还提供一种手术导航系统，下文描述的手术导航系统可以与上文描述的手术导航注册方法相互对应参照，图2是本发明提供的一种手术导航系统的结构示意图之一，如图2所示，该手术导航系统包括：探针210，主机220。
探针210用于辅助获取世界坐标系下的n个注册标记点；
主机220被配置为执行前述任一项的手术导航注册方法。
具体地，通过探针210点选真实空间中的注册标记点，并通过追踪装置或者与探针连接的装置/结构确定出世界坐标系下的注册标记点的空间位置，主机220获取世界坐标系下的n个注册标记点，并进行数据处理，完成世界坐标系下的注册标记点与模型空间中的标记点的配对。进一步地，主机还可以根据自动确定出的配对关系，处理得到模型坐标系与世界坐标系的转换关系，完成注册过程。
主机220可以包括存储器、处理器，存储器中存储有计算机程序指令，处理器加载存储器中存储的计算机程序指令执行前述任一项的手术导航注册方法。本领域技术人员也知道，除了以通用的计算机架构加载计算机程序的方式实现主机220以外，完全可以依据其执行的各步骤分别制作单独的集成电路模块，各集成电路模块作为硬件部件的组成部分来实现主机220，或者，可以依据其执行的部分步骤制作集成电路模块来实现主机220。因此，主机220还可以被实现为一种硬件部件，或者实现为软件模块和硬件部件的结合。
本实施例的手术导航系统通过探针准确采集了世界坐标系下的注册标记点，通过主机自动确定了最优的点对配对关系，无需与医学模型中的注册标记点一一对应地寻找、采集标记点，减轻了医生的工作负担，提升了注册操作的效率。
参照图3，基于上述,实施例，在一个实施例中，手术导航系统还包括追踪装置230，用于追踪所述探针210的空间位置，追踪装置230与主机220通信连接，将通过探针210采集到的注册标记（位置）数据传输给主机220。主机220获取世界坐标系下的n个注册标记点，并进行数据处理完成世界坐标系下的注册标记点与模型空间中的标记点的配对，或者进一步结合配对关系，处理得到模型坐标系与世界坐标系的转换关系（完成注册过程）。
追踪装置230可以采用多种具体形式，例如，追踪装置230可以是电磁追踪装置，通过探针210上相应设置的电磁定位组件定位探针210的位置；追踪装置230还可以是红外追踪装置，在探针210上相应设置有反光结构或者设置有主动发射红外线的结构，红外追踪装置通过追踪该相应结构确定探针210的位置；追踪装置230还可以是双目（或多目相机）等，追踪装置230可以基于双目成像追踪探针210的位置。上述追踪装置230与主机220的通信连接可以是有线连接也可以是无线连接，例如通过通信线缆连接，又例如通过WiFi 、蓝牙、ZigBee等方式无线连接，进行数据交互。
本实施例的手术导航系统通过探针配合追踪装置准确采集了世界坐标系下的注册标记点，通过主机自动确定了最优的点对配对关系，自动，无需与医学模型中的注册标记点一一对应地寻找、采集标记点，减轻了医生的工作负担，提升了注册操作的效率。
本发明还提供一种手术机器人系统，下文描述的手术机器人系统可以与上文描述的手术导航注册方法相互对应参照，图4是本发明提供的一种手术机器人系统的结构示意图，如图4所示，手术机器人系统包括前述的手术导航系统以及机械臂240。
所述探针210可拆拆卸地安装到所述机械臂240。
具体地，探针210安装到机械臂240后，探针与机械臂上的安装位置具有固定的连接关系，根据机械臂240的姿态可以确定探针210点选注册标记点时的位置，确定注册标记点的空间位置。具体操作过程可以是将探针210安装到机械臂240后，在机械臂240的随动模式下拖拽机械臂240采集注册标记点，也可以是通过图像采集设备拍摄手术场景，初步识别注册标记点的方位，控制机械臂240带动探针210自动采集注册标记点的位置。
主机220通过获取世界坐标系下的n个注册标记点，并进行数据处理完成世界坐标系下的注册标记点与模型空间中的标记点的配对。进一步地，主机还可以根据结合自动确定出的配对关系，处理得到模型坐标系与世界坐标系的转换关系，完成注册过程。
主机220可以包括存储器、处理器，存储器中存储有计算机程序指令，处理器加载存储器中存储的计算机程序指令执行前述任一项的手术导航注册方法。本领域技术人员也知道，除了以通用的计算机架构加载计算机程序的方式实现主机220以外，完全可以依据其执行的各步骤分别制作单独的集成电路模块，各集成电路模块作为硬件部件的组成部分来实现主机220，或者，可以依据其执行的部分步骤制作集成电路模块来实现主机220。因此，主机220还可以被实现为一种硬件部件，或者实现为软件模块和硬件部件的结合。
本实施例的手术机器人系统通过机械臂探针准确采集了世界坐标系下的注册标记点，通过主机自动确定了最优的点对配对关系，自动，无需与医学模型中的注册标记点一一对应地寻找、采集标记点，减轻了医生的工作负担，提升了注册操作的效率。注册完成后，机械臂240还可以辅助其他手术操作。可以理解的是，注册及手术操作的控制均基于机械臂坐标系，无需作复杂的坐标转换，提升了手术精度。
基于上述实施例，在一个实施例中，手术机器人系统还包括引导模块，引导模块安装或集成到机械臂240，引导模块用于引导手术器械的运动轨迹。
具体的引导模块可以是可拆卸地安装到机械臂240，也可以是集成在机械臂240上。引导模块可以包括器械通道，用于在机械臂的运动、定位下固定在空间中的所需位置，为手术器械提供引导，例如引导钻头、电极、穿刺针、引流管等。探针210和引导模块可以可拆卸地替换安装到机械臂240上的同一位置，也可以安装或集成在机械臂240的不同位置。
本实施例在自动、高精度的注册之后，通过引导模块为手术器械提供定位引导，由于注册及手术操作的控制均基于机械臂坐标系，因此，无需作复杂的坐标转换，可以提升手术精度。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行上述各提供的手术导航注册方法的全部或部分步骤。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各提供的手术导航注册方法的全部或部分步骤。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的手术导航注册方法的全部或部分步骤。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种手术导航注册方法，其特征在于，包括：
获取医学影像模型中的m个注册标记点的编号；其中，m≥3，m为整数；
获取世界坐标系下的n个注册标记点；其中，n≥3，n为整数；
从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个进行配对，计算各配对关系下的变换矩阵及注册标记点误差；3≤k＜min（m，n）；
根据各配对关系下的注册标记点误差，确定min（m，n）组点对的正确的点对配对关系；
根据所述min（m，n）组点对的正确的点对配对关系，计算p组点对的注册标记点误差；其中，p遍历3≤p≤min（m，n）；
将上述遍历过程中最小的注册标记点误差对应的变换矩阵确定为第二变换矩阵。
2.根据权利要求1所述的手术导航注册方法，其特征在于，所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定min（m，n）组点对的正确的点对配对关系，包括：
将最小的注册标记点误差对应的变换矩阵确定为第一变换矩阵；
根据所述第一变换矩阵确定所述min（m，n）组点对的正确的点对配对关系。
3.根据权利要求1所述的手术导航注册方法，其特征在于，在所述根据各配对关系下的注册标记点误差，确定min（m，n）组点对的正确的点对配对关系之后，方法还包括：
根据所述min（m，n）组点对的正确的点对配对关系，重新计算得到min（m，n）组点对的第三变换矩阵。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的手术导航注册方法，其特征在于，方法还包括：
选取所述世界坐标系下的至少一个未用于注册的特征点，验证注册过程的精度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的手术导航注册方法，其特征在于，方法还包括：
确定出误差最大的点对，并通过显示设备进行提示。
6.根据权利要求1所述的手术导航注册方法，其特征在于，所述获取世界坐标系下的n个注册标记点之后，方法还包括：
判断所述世界坐标系下的n个注册标记点是否为对应于所述医学影像模型中各注册标记点的有序点；
若是，则根据有序点的顺序，直接将所述世界坐标系下的n个注册标记点与所述医学影像模型中的m个注册标记点配对；
若否，则执行所述从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出的k个进行配对，计算各配对关系下的变换矩阵及注册标记点误差的步骤。
7.根据权利要求1所述的手术导航注册方法，其特征在于，所述从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个，包括：
为模型坐标系或世界坐标系中的各注册标记点分别添加状态变量；所述状态变量表示“选中”状态或“未选中”状态；
生成初始状态序列；其中，所述初始状态序列的一端为连续k个“选中”状态，其余为“未选中”状态；
基于所述初始状态序列，通过二进制移位的方式生成多种状态序列，每一种状态序列对应了一种选取k个注册标记点的方式。
8.根据权利要求7所述的手术导航注册方法，其特征在于，所述二进制移位包括；
步骤1、基于所述初始状态序列，确定变量i，i为所述初始状态序列中最后出现“1”的位序；
步骤2、在前i+1位中，逐步将左邻的“1”与右邻的“0”交换位置，得到一系列状态序列，完成此轮移位；
步骤3、将前i位所有的“1”向左移动，将第i位右侧的“1”逐步向右移动得到一系列状态序列；
步骤4、在步骤3得到的每一状态序列的基础上，在前i位中，逐步将左邻的“1”与右邻的“0”交换位置，得到一系列状态序列；
步骤5、将变量i数值减1，再次执行步骤3、4，直至i=1 。
9.根据权利要求1所述的手术导航注册方法，其特征在于，从模型坐标系及所述世界坐标系下的注册标记点中分别按所有的可能性选出k个进行配对，包括：
将一个坐标系下的k个注册标记点顺序固定，将另一坐标系下的k个注册标记点进行排序，并根据每一排序结果确定所述模型坐标系与所述世界坐标系下的k个注册标记点的配对关系；
上述排序过程通过如下方式实现：
按照选出的k个注册标记点的编号进行排序，得到初始排序；
利用双指针对所述初始排序逐步调整，得到一系列排序。
10.根据权利要求9所述的手术导航注册方法，其特征在于，
所述初始排序为顺序状态，所述利用双指针对所述初始排序逐步调整包括：从所述初始排序的序列末尾逐步增大调整范围，通过双指针将当前调整范围内的序列由顺序逐步调整为逆序；
或，所述初始排序为逆序状态，所述利用双指针对所述初始排序逐步调整包括：从所述初始排序的序列末尾逐步增大调整范围，通过双指针将当前调整范围内的序列由逆序逐步调整为顺序。
11.一种手术导航系统，其特征在于，包括：探针，主机；
所述探针用于辅助获取世界坐标系下的n个注册标记点；
所述主机被配置为执行权利要求1-10任一项所述的手术导航注册方法。
12.根据权利要求11所述的手术导航系统，其特征在于，还包括追踪装置，用于追踪所述探针的空间位置。
13.一种手术机器人系统，其特征在于，其特征在于，包括：权利要求11所述的手术导航系统，以及机械臂；
所述探针可拆卸地安装到所述机械臂。
14.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可执行指令，其特征在于，所述指令在被执行时用于实现如权利要求1-10任一项所述手术导航注册方法的步骤。
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