CN218832876U - 一种用于统一标定ct机与手术机器人坐标的标定板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，包括有基板、四个或四个以上的球状标定件，用于固定连接基板和球状标定件的四根或四根以上的柱状连接件，每根柱状连接件的长度均不相同，所有柱状连接件均固定延伸出基板的同一侧面，所述基板位于柱状连接件延伸出的侧面表面设置有标志结构。通过读取标定板在CT机下扫描的DICOM数据文件，操作机械臂自动完成标定拍摄走位与三维视觉测量系统拍摄，并完成DICOM文件和解析计算，三维视觉测量的解析计算，最终得出CT机坐标系与机械臂的坐标系的转换函数。通过调用该函数，手术机器人可以完成通过CT引导确定手术方案并操作机械臂准确运动，完成手术过程。

Description

一种用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板

技术领域

本实用新型涉及一种标定板，具体地说，涉及一种用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板。

背景技术

近年来，手术机器人市场蓬勃发展，为了能使手术机器人运用到更多的疾病治疗中，欲实现在CT引导下的机器人手术，但由于CT机和手术机器人是两台独立的设备，具有各自独立的操作系统，无法直接统一合并。并且CT机属于大型医疗设备，成本昂贵，不容易更新更换。因此若要实现现有CT引导的机器人手术，则需要将CT机的内部坐标系与手术机器人的内部坐标系统一成一个坐标系，使手术机器人的操作系统能依据统一后的坐标系执行手术。因此如何能快速、精确、便捷地完成CT机的内部坐标系与手术机器人的内部坐标系的转换标定，是手术机器人准确执行手术(或辅助手术)任务的前提条件。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，该标定板具有结构简单、使用方便，并且通过该标定板的使用可以快速、精准地完成坐标转换关系的标定工作。

本实用新型中用于统一CT机与手术机器人坐标系统的标定板，包括有基板、四个或四个以上的球状标定件，用于固定连接所述基板和所述球状标定件的四根或四根以上的柱状连接件，每根柱状连接件的长度均不相同，所有柱状连接件均往所述基板同一侧面延伸，使每个球状标定件和所述基板均位于不同高度的平行平面内，所述基板位于所述柱状连接件延伸出的侧面表面设置有标志结构。

优选地，所述柱状连接件的长度呈等间距递增。

优选地，四根所述柱状连接件的长度分别为1厘米、2厘米、3厘米和4厘米。

优选地，所述球状标定件、基板的材料均为陶瓷材料。

优选地，所述标志结构为绘制或印刷在所述基板表面的几何图形。

优选地，所述球状标定件通过粘接的方式固定在所述柱状连接件一端的顶部，所述柱状连接与所述球状标定件连接的一端设有供所述球状标定件置入的凹坑。

本实用新型中的标定板利用不同平行平面内球状标定件的设置，可以使CT机在扫描过程中快速分辨出每个球状标定件，可以快速定位每个球状标定件的坐标。利用几何图形的设置，可以使三维视觉测量系统快速定位基板的坐标，而球状标定件与基板的位置是固定的，两者之间的距离位置也是固定的，因此可以快速的定位出两者之间的关系，也就是说，利用本实用新型中的标定板，将视觉技术与CT扫描技术相结合，可以快速标定CT机坐标与手术机器人坐标的转换关系，即只需要将手术机器人的机械臂推至CT机旁，在CT床上放置本实用新型中的标定板，利用机械臂末端的三维视觉测量系统和CT机扫描系统，启动坐标标定程序后很快就能自行完成坐标转换关系的标定工作。

附图说明

图1是本实用新型中标定板的立体结构示意图。

图2是本实用新型中柱状连接件与基板连接处的结构示意图。

图3是本实用新型中柱状连接件与基板连接处另一结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的具体实施例作详细说明。

如图1所示，本实用新型中用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板包括有基板1，四个球状标定件2，用于固定连接基板1和球状标定件2的四根柱状连接件4，四根柱状连接件4的长度均不相同，所有柱状连接件4均固定延伸出基板1的同一侧面，即所有柱状连接件4均往基板1同一侧面延伸，使每个球状标定件2和基板1均位于不同高度的平行平面内，且在基板1位于柱状连接件4延伸出的侧面设置有标志结构3。

优选地，四根柱状连接件4的长度分别为1厘米、2厘米、3厘米和4厘米，呈等间距递增。当然也可以是1.5厘米、3厘米、4.5厘米和6厘米，使每个球状标定件2之间的高度差相同。还可以是从基板1到最低高度的球状标定件2之间的高度与高度相邻球状标定件2之间的高度差相同。

通过四个球状标定件2的设置，可以在使用CT机系统扫描时能在不同平面上清晰成像，可以对不同平面上的球状标定件2给出一个准确的三维坐标，通过多个平面上球状标定件2的坐标可以准确、快速地定位出基板1(标定板)的坐标。

球状标定件2的数量可以是四个，也可以上四个以上，与之相同，柱状连接件4的数量也可以是四根以上，利用设置更多数量的球状标定件2可以进一步校验各个球状标定件2坐标，确保准确无误。

本实用新型中的基板1优选矩形陶瓷平板，在陶瓷平板的中间绘制或印刷有简单清晰的几何图形，即标志结构3，方便手术机器人机械臂末端安装的三维视觉测量系统能够快速、精确的定位到标定板中基板1的坐标，更易于手术机器人控制系统的设置。当然基板1的形状也可以是圆形、椭圆形或三角形等。

本实用新型中球状标定件2选用陶瓷等非金属且不透明材料，确保CT机扫描的安全。

如图2和图3所示，本实用新型中的柱状连接件4优选圆柱状，也可以是三棱柱状或方形柱状，其中一端(也称底端)与基板1连接固定，另一端(也称顶端)与球状标定件2固定连接。具体地，柱状连接件4的顶端设有一凹坑6，方便球状标定件2的置入，并通过胶粘接固定，当然也可以是其他方式连接固定。柱状连接件4的底端可以设置螺纹孔，由穿过基板1的螺纹连接件5固定连接；也可以一体成形有凸台7，将柱状连接件4整体穿过基板1后再与球状标定件2固定连接。

本实用新型中标定板的使用过程如下：

将本实用新型中的标定板放置在CT床上后不再移动，由CT机对标定板进行扫描，对处于不同平面内的每个球状标定件2进行扫描，再由手术机器人机械臂末端的三维视觉测量系统对标定板中的标志结构3进行多角度拍摄。

由于标定板中标志结构3几何图形的位置和每个球状标定件2球心的位置、相对距离均是固定的，从而相对于标定板自身的坐标系，可以得出各个球状标定件2球心的坐标为T0。

由于标定板中的四个球状标定件2在CT机下清晰成像，形成扫描DICOM文件，每个球状标定件2的球心具有一个固定的三维坐标，手术机器人中的操作系统通过读取CT机的扫描DICOM文件，并通过解析DICOM文件，可以快速、精确地计算出每个球状标定件2球心在CT机坐标系内的坐标为T1。

根据T0和T1，可以得出标定板坐标系(x，y，z)与CT机的坐标系(r，s，t)的转换关系为ω1。

手术机器人机械臂及在机械臂末端安装的三维视觉测量系统坐标系为(u，v，w)，通过操作机械臂可以从三个以上不同位置拍摄标定板上的标志结构3，经过对照片图形解析和运算，可以得出标定板坐标系(x，y，z)与机械臂的坐标系(u，v，w)的转换关系为ω2。

关于转换关系为ω1、ω2的计算获得，属于成熟技术，在此不再详细描述。

得到标定板坐标系(x，y，z)与CT机的坐标系(r，s，t)的转换关系ω1，标定板坐标系(x，y，z)与机械臂的坐标系(u，v，w)的转换关系ω2以后，通过软件计算可以推出CT机的坐标系(r，s，t)与机械臂的坐标系(u，v，w)的转换关系为Ω。

Ω＝F(ω1，ω2)

得出CT机坐标系与机械臂的坐标系的转换关系Ω后，可以将CT机下任一位置的坐标和方向W1(x，y，z，rx，ry，rz)转换为机械臂坐标系内的坐标和方向W2(u，v，w，ru，rv，rw)。

W2＝W1·Ω

转换关系Ω确定后将不再移动手术机器人，只需移走标定板，就可以实现CT引导下的机器人手术。

综上所述，通过读取标定板在CT机下扫描的DICOM数据文件，操作机械臂自动完成标定拍摄走位与三维视觉测量系统拍摄，并完成DICOM文件和解析计算，三维视觉测量的解析计算，最终得出CT机坐标系与机械臂的坐标系的转换函数。通过调用该函数，手术机器人可以完成通过CT引导确定手术方案并操作机械臂准确运动，完成手术过程。

Claims (6)

1.一种用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，其特征在于，包括有基板、四个或四个以上的球状标定件，用于固定连接所述基板和所述球状标定件的四根或四根以上的柱状连接件，每根柱状连接件的长度均不相同，所有柱状连接件均往所述基板同一侧面延伸，所述基板位于所述柱状连接件延伸出的侧面表面设置有标志结构。

2.根据权利要求1所述的用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，其特征在于，所述柱状连接件的长度呈等间距递增。

3.根据权利要求2所述的用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，其特征在于，四根所述柱状连接件的长度分别为1厘米、2厘米、3厘米和4厘米。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，其特征在于，所述球状标定件、基板的材料均为陶瓷材料。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，其特征在于，所述标志结构为绘制或印刷在所述基板表面的几何图形。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的用于统一标定CT机与手术机器人坐标的标定板，其特征在于，所述球状标定件通过粘接的方式固定在所述柱状连接件一端的顶部，所述柱状连接与所述球状标定件连接的一端设有供所述球状标定件置入的凹坑。

Images