CN115005984B - 手术器械的标定方法及系统、手术器械的定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种手术器械的标定方法及系统、手术器械的定位方法及装置，涉及器械标定领域。该标定方法包括：在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点对应的位置数据，其中，定位工具有定位工具坐标系，采集点对应的位置数据包括采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，以及基于采集点确定的定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的第一旋转矩阵；基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。本申请能够基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果，进而提高标定的准确率。
Description
技术领域
本申请涉及器械标定领域，具体涉及手术器械的标定方法及系统、手术器械的定位方法及装置。
背景技术
在手术导航系统中，手术器械一般都安装有包含定位工具坐标系(又称定位工具自身的参考坐标系)的定位工具。通常情况下，手术导航系统只能借助定位工具确定手术器械集成的定位工具的位置和姿态，而不能精准地定位手术器械(比如不能精准地定位手术器械的尖端)。由此可见，亟需解决如何精准地定位手术导航系统中的手术器械的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，提出了本申请。本申请实施例提供了一种手术器械的标定方法及系统、手术器械的定位方法及装置。
第一方面，本申请一实施例提供了一种手术器械的标定方法，应用于具有标定系统坐标系的手术器械标定系统，该方法包括：在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据，其中，定位工具具有定位工具坐标系，采集点对应的位置数据包括采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，以及基于采集点确定的定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的第一旋转矩阵，M为大于或等于2的正整数；基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果，包括：对M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据进行主成分分析，得到第一主成分向量；基于M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，确定待标定手术器械的移动向量；若第一主成分向量与移动向量的夹角为锐角，则将第一主成分向量确定为待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量；若第一主成分向量与移动向量的夹角为钝角，则将第一主成分向量对应的负向量确定为待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量；基于待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量和M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，基于待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量和M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果，包括：基于预先构造的第一向量、第二向量，和待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量，构造第二旋转矩阵，其中，所述第一向量、第二向量和轴向向量中的任意两个向量垂直；基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵；将第三旋转矩阵确定为待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵，包括：基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的均值旋转矩阵；基于均值旋转矩阵对应的逆矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述标定方法还包括：在待标定手术器械的尖端被固定后，并旋转待标定手术器械的过程中，采集定位工具在标定系统坐标系下的N个采集点各自对应的位姿数据，N为大于或等于2的正整数；基于N个采集点各自对应的位姿数据和尖端在标定系统坐标系中的位置数据，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，基于N个采集点各自对应的位姿数据和尖端在标定系统坐标系中的位置数据，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据，包括：从N个采集点各自对应的位姿数据中选取第一位姿数据和第二位姿数据；基于第一位姿数据和尖端在定位工具坐标系中的位置数据，建立表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据的第一表达式；基于第二位姿数据和尖端在定位工具坐标系中的位置数据，建立表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据的第二表达式；基于第一表达式和第二表达式的等式关系，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据。
第二方面，本申请一实施例提供了一种手术器械的定位方法，应用于手术导航系统，该方法包括：基于第一方面所述的手术器械的标定方法，确定手术器械的标定数据，其中，标定数据包括手术器械在手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系下的轴向标定结果；基于手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系与手术导航系统中的导航系统坐标系的对应关系，定位手术器械。
第三方面，本申请一实施例提供了一种手术器械标定系统，手术器械标定系统具有标定系统坐标系，该手术器械标定系统包括：采集装置，用于在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据，其中，定位工具具有定位工具坐标系，采集点对应的位置数据包括采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，以及基于采集点确定的定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的第一旋转矩阵，M为大于或等于2的正整数；处理装置，用于基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
结合第三方面，在第三方面的某些实现方式中，手术器械标定系统还包括驱动装置，该驱动装置包括：具有移动轨道和凹槽点的底座，其中，移动轨道用于确定待标定手术器械的移动轨迹，凹槽点用于承载待标定手术器械的尖端；与移动轨道滑动连接的夹持器，夹持器用于夹持待标定手术器械，以便利用夹持器夹持待标定手术器械在移动轨道内移动。
第四方面，本申请一实施例提供了一种手术器械的定位装置，应用于手术导航系统，该装置包括：确定模块，用于基于第一方面所述的手术器械的标定方法，确定手术器械的标定数据，其中，标定数据包括手术器械在手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系下的轴向标定结果；定位模块，用于基于手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系与手术导航系统中的导航系统坐标系的对应关系，定位手术器械。
第五方面，本申请一实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序用于执行第一方面和第二方面任一所述的方法。
第六方面，本申请一实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；该处理器用于执行第一方面和第二方面任一所述的方法。
本申请实施例提供的手术器械的标定方法是通过采集待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据，以得到最终的待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果，区别于相关技术中采用的基于标定块的手术器械标定方法，本申请基于不同时刻的采集点的位置数据实现标定，因此，本申请能够提高待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果的准确率。
附图说明
通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的第一标号通常代表相同部件或步骤。
图1所示为本申请实施例所适用的一场景示意图。
图2所示为本申请一示例性实施例提供的手术器械的标定方法的流程示意图。
图3所述为本申请一示例性实施例提供的基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果的流程示意图。
图4所示为本申请一示例性实施例提供的获取定位工具在移动过程中的M个采集点各自对应的位置数据的结构示意图。
图5所示为本申请一示例性实施例提供的基于第一旋转矩阵确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果的流程示意图。
图6所示为本申请一示例性实施例提供的确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵的流程示意图。
图7所示为本申请另一示例性实施例提供的手术器械的标定方法的流程示意图。
图8所示为本申请一示例性实施例提供的采集定位工具在标定系统坐标系下的N个采集点各自对应的位姿数据的结构示意图。
图9所示为本申请一示例性实施例提供的确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据的流程示意图。
图10为本申请一示例性实施例提供的手术器械的定位方法的流程示意图。
图11所示为本申请一示例性实施例提供的手术器械标定系统的结构示意图。
图12所示为本申请另一示例性实施例提供的手术器械标定系统的结构示意图。
图13所示为本申请一示例性实施例提供的驱动装置的结构示意图。
图14所示为本申请一示例性实施例提供的手术器械的定位装置的结构示意图。
图15所示为本申请一示例性实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
经皮穿刺，是一种损伤较小的微创手术，主要是用细针通过局部的皮肤和组织器官抽取标本或注射药物，从而达到诊断和治疗的目的。穿刺一般分为诊断性穿刺和治疗性穿刺，常见的穿刺包括胸腔穿刺、腹腔穿刺、腰椎穿刺、硬膜外穿刺、骨髓穿刺、肺穿刺、关节腔穿刺、阴道后穹窿穿刺、淋巴结穿刺以及体表肿块穿刺等。穿刺手术对于感染性疾病、出血性疾病、肿瘤等疾病的诊断具有重大价值，同时还可用于术前麻醉、浆膜腔抽气及抽液、鞘内注药等治疗。穿刺手术创伤小、恢复快，因而广泛的用于临床之中。
手术导航系统，是将病人术前或术中的医学影像数据和手术床上病人的解剖结构准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人的医学影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，帮助医生掌握手术器械相对病人的解剖结构的位置。该技术有利于推进外科手术的快速化、精确化及微创化进程。在手术导航系统中，每个手术器械都安装了定位工具，定位工具有自身的定位工具坐标系(又称参考坐标系)，然而，手术导航系统只能通过定位工具识别到手术器械集成的定位工具的位置和姿态，却不能精准地采集到手术器械的位置数据(比如精准地采集到手术器械的尖端的位置数据)。
目前，大部分手术导航系统都是利用标定块进行手术器械的标定，但是该方法存在一些缺陷。首先，该方法对标定块的加工精度要求很高，且对标定块的标准点和轴向校准精度要求也很高；其次，标定块上需要额外的传感器；最后，采用该方法对手术器械进行标定时，仅仅捕获一个时刻的关于手术器械的位置数据进行运算，偶然误差大。
图1所示为本申请实施例所适用的一场景示意图。该场景包括数据采集设备110和计算机设备120，计算机设备120与数据采集设备110之间存在通信连接关系。
具体而言，数据采集设备110用于在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据。计算机设备120可以是通用性计算机或者由专用的集成电路组成的计算机装置，本申请对比不做限定。例如，计算机设备120可以是平板电脑等移动终端，也可以是个人计算机，且计算机设备120的数量可以为一个或多个，其类型可以相同或不同，本申请实施例对计算机设备120的数量和类型不做限定。计算机设备120可以基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
图2所示为本申请一示例性实施例提供的手术器械的标定方法的流程示意图。示例性地，该手术器械标定方法应用于具有标定系统坐标系的手术器械标定系统。如图2所示，本申请实施例提供的手术器械的标定方法包括如下步骤。
步骤10，在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据。
定位工具具有定位工具坐标系，采集点对应的位置数据包括采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，以及基于采集点确定的定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的第一旋转矩阵，M为大于或等于2的正整数。
预设方向可以直线方向、弧线方向、自由曲线方向或其他任意方向，只需在待标定手术器械沿预设方向移动过程中，采集M个采集点的位置数据即可。
示例性地，手术器械标定系统包含采集装置，标定系统坐标系即为采集装置对应的坐标系。采集装置可以为相机、追踪器或其他任何可以获取定位工具的M个采集点的位置数据的采集装置。定位工具可以为全球定位系统(Global Position System，GPS)、传感器或其他任何具有定位功能的工具。下面以预设方向为直线方向、采集装置为追踪器、定位工具为传感器、M的取值为5为例，对本申请实施例的M个采集点的位置数据的采集过程进行详细说明。
示例性地，5个采集点分别记为第一采集点、第二采集点、第三采集点、第四采集点和第五采集点。在待标定手术器械沿从针尾向针尖的预设直线方向移动过程中，追踪器会记录传感器在标定系统坐标系下的每个采集点的姿态和位置，传感器也会记录自身在定位工具坐标系下的每个采集点的姿态和位置。追踪器基于传感器在标定系统坐标系和定位工具坐标系下的每个采集点的姿态和位置，可以计算出每个采集点对应的定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的第一旋转矩阵。故，在待标定手术器械沿预设直线方向移动过程中，追踪器会采集到每个采集点对应的第一旋转矩阵和采集点位置数据。
步骤20，基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
示例性地，根据每个采集点对应的采集点位置数据和第一旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
本申请实施例中的技术方案是基于手术器械标定系统来执行的，该方案在执行时，是采集待标定手术器械在移动过程中的、在标定系统坐标系下的M个采集点的位置数据，以得到最终的待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。区别于使用标定块、采集待定手术器械的某一点数据确定待标定手术器械的轴向标定结果的方案，本实施例中的技术方案可以避免采集单点数据带来的偶然误差，提高待标定手术器械的轴向标定结果的准确率。
图3所述为本申请一示例性实施例提供的基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果的流程示意图。在图2所示实施例的基础上延伸出图3所示实施例，下面着重叙述图3所示实施例与图2所示实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
如图3所示，基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果，包括如下步骤。
步骤21，对M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据进行主成分分析，得到第一主成分向量。
主成分分析(principal components analysis，PCA)是从原始变量出发，通过对原始变量的线性组合，构建出一组新的、互不相关的新变量。这些变量尽可能多的解释原始数据之间的差异性，他们就成为原始数据的主成分。由于这些变量不相关，因此他们无重叠的各自解释一部分差异。依照每个变量解释的差异性大小排序，被称为第一主成分、第二主成分、以此类推。
需要说明的是，对M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据进行主成分分析，实际是对M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据进行降维处理。除了主成分分析这种降维方法之外，还可以采用低方差滤波、奇异值分解或线性判别等方式对M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据进行降维处理，以得到第一主成分向量。
进一步地，若待标定手术器械是沿预设直线方向移动的，优选采用PCA方法对M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据进行降维处理，得到第一主成分向量。
步骤22，基于M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，确定待标定手术器械的移动向量。
M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据是指采集点在标定系统坐标系下的x轴、y轴、z轴的坐标，可以进一步表示为(xi，yi，zi)，1≤i≤M，i为正整数。
沿用步骤10中M的取值等于5的示例，对于第一采集点、第二采集点、第三采集点、第四采集点和第五采集点，可以利用第五采集点的采集点位置数据和第一采集点的采集点位置数据确定待标定手术器械的移动向量，即待标定手术器械的移动向量＝(x5，y5，z5)-(x1，y1，z1)。需要说明的是，可以根据实际应用情况任意选择两个能代表待标定手术器械整体移动方向的两个采集点的采集点位置数据。基于选择的两个采集点的采集点位置数据，用后一时刻的采集点位置数据减去前一时刻的采集点位置数据，以得到待标定手术器械的移动向量，本申请实施例对采集点的选择方法不作具体限定。
步骤23，判断第一主成分向量与移动向量的夹角为锐角、还是为钝角。
示例性地，在实际应用过程中，若步骤23的判断结果为锐角，则执行步骤24。若步骤23的判断结果为钝角，则执行步骤25。需要说明的是，若第一主成分向量和移动向量的夹角为0°，也将执行步骤24；若第一主成分向量与移动向量的夹角为90°，说明主成分分析计算错误、或者待标定手术器械沿预设方向移动过程中出现错误，需要使用本申请中的标定方法对待标定手术器械进行重新标定。
步骤24，将第一主成分向量确定为待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量。
步骤25，将第一主成分向量对应的负向量确定为待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量。
第一主成分向量对应的负向量与第一主成分向量的大小相同、方向相反。
步骤26，基于待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量和M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量是指待标定手术器械的几何结构在标定系统坐标系下的x轴、y轴、z轴的坐标。
通过本实施例中的技术方案，可以更准确地确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
图4所示为本申请一示例性实施例提供的获取定位工具在移动过程中的M个采集点各自对应的位置数据的结构示意图。
如图4所示，1表示采集点，2表示移动向量，3表示标定系统坐标系，4表示定位工具坐标系。在待标定手术器械沿预设方向移动过程中，标定系统会采集定位工具在标定系统坐标系3下的M个采集点1的采集点位置数据和采集点姿态数据，通过定位工具追踪到的自身在定位工具坐标系4下的采集点1的姿态数据、以及标定系统追踪到的定位工具的采集点1在标定系统坐标系3下的姿态数据，标定系统计算得到在采集点1处的定位工具坐标系4相对于标定系统坐标系3的第一旋转矩阵。即，在待标定手术器械沿预设方向移动过程中，标定系统会采集到M个采集点1各自对应的采集点位置数据和第一旋转矩阵。
在图4所示的实施例中，移动向量2是基于第一个采集点的采集点位置数据和最后一个采集点的采集点位置数据确定的。
图5所示为本申请一示例性实施例提供的基于第一旋转矩阵确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果的流程示意图。在图3所示实施例的基础上延伸出图5所示实施例，下面着重叙述图5所示实施例与图3所示实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
如图5所示，基于待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量和M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果，包括如下步骤。
步骤261，基于预先构造的第一向量、第二向量，和待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量，构造第二旋转矩阵。
其中，第一向量、第二向量和轴向向量中的任意两个向量垂直。具体地，第一向量和第二向量的大小不不做具体限定，只需保证第一向量、第二向量和轴向向量中的任意两个向量垂直即可。若用表示第一向量，表示第二向量，vtool表示轴向向量，则第二旋转矩阵
步骤262，基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵。
具体地，第三旋转矩阵相当于待标定手术器械的轴向向量在定位工具坐标系下的转换矩阵。
步骤263，将第三旋转矩阵确定为待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
通过本实施例中的技术方案，可以方便、准确地得到待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
图6所示为本申请一示例性实施例提供的确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵的流程示意图。在图5所示实施例的基础上延伸出图6所示实施例，下面着重叙述图6所示实施例与图5所示实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
如图6所示，基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵，包括如下步骤。
步骤2621，基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的均值旋转矩阵。
示例性地，用表示M个采集点对应的第一旋转矩阵的集合。基于M个采集点对应的第一旋转矩阵的集合，确定M个采集点对应的第一旋转矩阵的集合对应的均值旋转矩阵，则均值旋转矩阵可以表示为
步骤2622，基于均值旋转矩阵对应的逆矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵。
根据步骤2621中的示例，均值旋转矩阵对应的逆矩阵可以表示则
在本实施例中，通过对第一旋转矩阵和第二旋转矩阵进行相关的数学运算，可以得到待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵，该方法的计算过程更方便、适用性更广。
图7所示为本申请另一示例性实施例提供的手术器械的标定方法的流程示意图。在图1所示实施例的基础上延伸出图7所示实施例，下面着重叙述图7所示实施例与图1所示实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
如图7所示，所述标定方法还包括如下步骤。
步骤30，在待标定手术器械的尖端被固定后，并旋转待标定手术器械的过程中，采集定位工具在标定系统坐标系下的N个采集点各自对应的位姿数据。
示例性地，N为大于或等于2的正整数。此外，位姿数据包括位置数据和姿态数据。
步骤40，基于N个采集点各自对应的位姿数据和尖端在标定系统坐标系中的位置数据，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据。
图8所示为本申请一示例性实施例提供的采集定位工具在标定系统坐标系下的N个采集点各自对应的位姿数据的结构示意图。
如图8所示，5表示待标定手术器械，6表示待标定手术器械的尖端，7表示在待标定手术器械旋转过程中，定位工具的移动轨迹。
具体地，将待标定手术器械5的尖端6固定，标定系统记录待标定手术器械5的尖端6在标定系统坐标系3中的位置数据。旋转待标定手术器械5，标定系统采集定位工具的移动轨迹7上的N个采集点在标定系统坐标系3下的位姿数据。根据N个采集点各自对应的位姿数据和尖端6在标定系统坐标系3中的位置数据，确定尖端6在定位工具坐标系4中的位置数据。
在本申请实施例中，是通过采集至少两个采集点在标定系统坐标系下的位姿数据，以确定待标定手术器械的尖端在定位工具坐标系下的位置数据。同样地，该方法能够避免基于一个采集点的位姿数据确定尖端在定位工具坐标系下的位置数据所产生的偶然误差。
图9所示为本申请一示例性实施例提供的确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据的流程示意图。在图7所示实施例的基础上延伸出图9所示实施例，下面着重叙述图9所示实施例与图7所示实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
如图9所示，基于N个采集点各自对应的位姿数据和尖端在标定系统坐标系中的位置数据，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据，包括如下步骤。
步骤41，从N个采集点各自对应的位姿数据中选取第一位姿数据和第二位姿数据。
具体地，第一位姿数据和第二位姿数据的选取是任意的，本领域技术人员可以选择N个采集点中的任意两个采集点的位姿数据作为第一位姿数据和第二位姿数据。
步骤42，基于第一位姿数据和尖端在定位工具坐标系中的位置数据，建立表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据的第一表达式。
例如，第一位姿数据表示为(Ri，ti)，尖端在定位工具坐标系中的位置数据表示为tDRF，尖端在标定系统坐标系中的位置数据表示为tw，则基于第一位姿数据(Ri，ti)和尖端在定位工具坐标系中的位置数据tDRF，建立的表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据tw的第一表达式为RitDRF+ti。
步骤43，基于第二位姿数据和尖端在定位工具坐标系中的位置数据，建立表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据的第二表达式。
沿用步骤42中的示例，且将第二位姿数据表示为(Ri+1，ti+1)，则基于第二位姿数据(Ri+1，ti+1)和尖端在定位工具坐标系中的位置数据tDRF，建立的表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据tw的第二表达式为Ri+1tDRF+ti+1。
步骤44，基于第一表达式和第二表达式的等式关系，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据。
因为尖端在标定系统坐标系中的位置数据tw是不变的，故第一表达式和第二表达式是相等的，即RitDRF+ti＝Ri+1tDRF+ti+1。因为第一位姿数据(Ri，ti)和第二位姿数据(Ri+1，ti+1)是已知的，故可求出尖端在定位工具坐标系中的位置数据表示为tDRF。
通过本实施例中的技术方案，可以准确且方便地求解出尖端在定位工具坐标系中的位置数据。
通过本申请实施例中的技术方案对待标定手术器械进行标定之后，可以再采用相关技术中提及的基于标定块的方法对本申请实施例得到的标定结果进行标定精度的验证，以保证得到更准确的手术器械的标定结果。
图10为本申请一示例性实施例提供的手术器械的定位方法的流程示意图。示例性地，该方法应用于手术导航系统，如图10所示，本申请实施例提供的手术器械的定位方法包括如下步骤。
步骤100，确定手术器械的标定数据。
标定数据包括手术器械在手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系下的轴向标定结果。具体地，基于前述任一实施例所述的手术器械的标定方法，确定手术器械的标定数据。
步骤200，基于手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系与手术导航系统中的导航系统坐标系的对应关系，定位手术器械。
通过本实施例中的技术方案，可以准确地获取手术器械在手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系下的标定数据，以进一步准确地获取手术器械在手术导航系统中的位置数据，方便医生对病人进行穿刺手术。
上文结合图2至图10，详细描述了本申请的方法实施例，下面结合图11至图14，详细描述本申请的系统和装置实施例。应理解，方法实施例的描述与系统和装置实施例的描述相互对应，因此，未详细描述的部分可以参见前面方法实施例。
图11所示为本申请一示例性实施例提供的手术器械标定系统的结构示意图。如图11所示，本申请实施例提供的手术器械标定系统包括：
采集装置1120，用于在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据，其中，定位工具具有定位工具坐标系，采集点对应的位置数据包括采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，以及基于采集点确定的定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的第一旋转矩阵，M为大于或等于2的正整数；
处理装置1130，用于基于M个采集点各自对应的位置数据，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
在本申请一实施例中，处理装置1130还用于对M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据进行主成分分析，得到第一主成分向量；基于M个采集点在标定系统坐标系下的采集点位置数据，确定待标定手术器械的移动向量；若第一主成分向量与移动向量的夹角为锐角，则将第一主成分向量确定为待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量；若第一主成分向量与移动向量的夹角为钝角，则将第一主成分向量对应的负向量确定为待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量；基于待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量和M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
在本申请一实施例中，处理装置1130还用于基于预先构造的第一向量、第二向量，和待标定手术器械在标定系统坐标系下的轴向向量，构造第二旋转矩阵，其中，第一向量、第二向量和轴向向量中的任意两个向量垂直；基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵；将第三旋转矩阵确定为待标定手术器械在定位工具坐标系下的轴向标定结果。
在本申请一实施例中，处理装置1130还用于基于M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定定位工具坐标系相对于标定系统坐标系的均值旋转矩阵；基于均值旋转矩阵对应的逆矩阵和第二旋转矩阵，确定待标定手术器械在定位工具坐标系下的第三旋转矩阵。
在本申请一实施例中，采集装置1120还用于在待标定手术器械的尖端被固定后，并旋转待标定手术器械的过程中，采集定位工具在标定系统坐标系下的N个采集点各自对应的位姿数据，N为大于或等于2的正整数。
在本申请一实施例中，处理装置1130还用于基于N个采集点各自对应的位姿数据和尖端在标定系统坐标系中的位置数据，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据。
在本申请一实施例中，处理装置1130还用于从N个采集点各自对应的位姿数据中选取第一位姿数据和第二位姿数据；基于第一位姿数据和尖端在定位工具坐标系中的位置数据，建立表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据的第一表达式；基于第二位姿数据和尖端在定位工具坐标系中的位置数据，建立表征尖端在标定系统坐标系中的位置数据的第二表达式；基于第一表达式和第二表达式的等式关系，确定尖端在定位工具坐标系中的位置数据。
图12所示为本申请另一示例性实施例提供的手术器械标定系统的结构示意图。在图11所示实施例的基础上延伸出图12所示实施例，下面着重叙述图12所示实施例与图11所示实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
如图12所示，本申请实施例提供的手术器械标定系统还包括驱动装置1110，所述驱动装置1110的具体结构见图13。
图13所示为本申请一示例性实施例提供的驱动装置的结构示意图。如图13所示，驱动装置1110包括具有移动轨道1111和凹槽点1112的底座1113，其中，移动轨道1111用于确定待标定手术器械5的移动轨迹，凹槽点1112用于承载待标定手术器械5的尖端；与移动轨道1111滑动连接的夹持器1114，夹持器1114用于夹持待标定手术器械5，以便利用夹持器1114夹持待标定手术器械5在移动轨道1111内移动。
通过本实施例中所述的驱动装置，可以方便地将待标定手术器械保持在移动轨道内移动，且不用人为辅助，即可采集待标定手术器械移动过程中、定位工具在标定系统坐标系下的M个采集点各自对应的位置数据。
图14所示为本申请一示例性实施例提供的手术器械的定位装置的结构示意图。如图14所示，本申请实施例提供的手术器械的定位装置包括：
确定模块1410，用于基于第一方面所述的手术器械的标定方法，确定手术器械的标定数据，其中，标定数据包括手术器械在手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系下的轴向标定结果；
定位确定模块1420，用于基于手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系与手术导航系统中的导航系统坐标系的对应关系，定位手术器械。
下面，参考图15来描述根据本申请实施例的电子设备。图15所示为本申请一示例性实施例提供的电子设备的结构示意图。
如图15所示，电子设备150包括一个或多个处理器1501和存储器1502。
处理器1501可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备150中的其他组件以执行期望的功能。
存储器1502可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器1501可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本申请的各个实施例的方法以及/或者其他期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储诸如包括待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据、第一主成分向量、移动向量、第一旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三旋转矩阵等各种内容。
在一个示例中，电子设备150还可以包括：输入装置1503和输出装置1504，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。
该输入装置1503可以包括例如键盘、鼠标等等。
该输出装置1504可以向外部输出各种信息，包括待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据、第一主成分向量、移动向量、第一旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三旋转矩阵等。该输出装置1504可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。
当然，为了简化，图15中仅示出了该电子设备150中与本申请有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备150还可以包括任何其他适当的组件。
除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述描述的根据本申请各种实施例的方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述描述的根据本申请各种实施例的方法中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了上述描述，此外，此描述不意图将本申请的实施例限制在此公开的形式。尽管以上已经讨论了尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (10)
1.一种手术器械的标定方法，其特征在于，应用于具有标定系统坐标系的手术器械标定系统，所述方法包括：
在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集所述待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据，其中，所述定位工具具有定位工具坐标系，所述采集点对应的位置数据包括所述采集点在所述标定系统坐标系下的采集点位置数据，以及基于所述采集点确定的所述定位工具坐标系相对于所述标定系统坐标系的第一旋转矩阵，M为大于或等于2的正整数；
基于所述M个采集点各自对应的位置数据，确定所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的轴向标定结果；
所述基于所述M个采集点各自对应的位置数据，确定所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的轴向标定结果，包括：
对M个所述采集点在所述标定系统坐标系下的采集点位置数据进行主成分分析，得到第一主成分向量；
基于M个所述采集点在所述标定系统坐标系下的采集点位置数据，确定所述待标定手术器械的移动向量；
若所述第一主成分向量与所述移动向量的夹角为锐角，则将所述第一主成分向量确定为所述待标定手术器械在所述标定系统坐标系下的轴向向量；
若所述第一主成分向量与所述移动向量的夹角为钝角，则将所述第一主成分向量对应的负向量确定为所述待标定手术器械在所述标定系统坐标系下的轴向向量；
基于预先构造的第一向量、第二向量，和所述待标定手术器械在所述标定系统坐标系下的轴向向量，构造第二旋转矩阵，其中，所述第一向量、所述第二向量和所述轴向向量中的任意两个向量垂直；
基于所述M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵，确定所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的第三旋转矩阵；
将所述第三旋转矩阵确定为所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的轴向标定结果。
2.根据权利要求1所述的手术器械的标定方法，其特征在于，所述基于所述M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵，确定所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的第三旋转矩阵，包括：
基于所述M个采集点各自对应的第一旋转矩阵，确定所述定位工具坐标系相对于所述标定系统坐标系的均值旋转矩阵；
基于所述均值旋转矩阵对应的逆矩阵和所述第二旋转矩阵，确定所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的第三旋转矩阵。
3.根据权利要求1或2所述的手术器械的标定方法，其特征在于，还包括：
在所述待标定手术器械的尖端被固定后，并旋转所述待标定手术器械的过程中，采集所述定位工具在所述标定系统坐标系下的N个采集点各自对应的位姿数据，N为大于或等于2的正整数；
基于所述N个采集点各自对应的位姿数据和所述尖端在所述标定系统坐标系中的位置数据，确定所述尖端在所述定位工具坐标系中的位置数据。
4.根据权利要求3所述的手术器械的标定方法，其特征在于，所述基于所述N个采集点各自对应的位姿数据和所述尖端在所述标定系统坐标系中的位置数据，确定所述尖端在所述定位工具坐标系中的位置数据，包括：
从所述N个采集点各自对应的位姿数据中选取第一位姿数据和第二位姿数据；
基于所述第一位姿数据和所述尖端在所述定位工具坐标系中的位置数据，建立表征所述尖端在所述标定系统坐标系中的位置数据的第一表达式；
基于所述第二位姿数据和所述尖端在所述定位工具坐标系中的位置数据，建立表征所述尖端在所述标定系统坐标系中的位置数据的第二表达式；
基于所述第一表达式和所述第二表达式的等式关系，确定所述尖端在所述定位工具坐标系中的位置数据。
5.一种手术器械的定位方法，其特征在于，应用于手术导航系统，所述方法包括：
基于权利要求1至4任一项所述的手术器械的标定方法，确定所述手术器械的标定数据，其中，所述标定数据包括所述手术器械在所述手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系下的轴向标定结果；
基于所述手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系与所述手术导航系统中的导航系统坐标系的对应关系，定位所述手术器械。
6.一种手术器械标定系统，其特征在于，所述手术器械标定系统具有标定系统坐标系，所述系统包括：
采集装置，用于在待标定手术器械沿预设方向移动的过程中，采集所述待标定手术器械装载的定位工具的M个采集点各自对应的位置数据，其中，所述定位工具具有定位工具坐标系，所述采集点对应的位置数据包括所述采集点在所述标定系统坐标系下的采集点位置数据，以及基于所述采集点确定的所述定位工具坐标系相对于所述标定系统坐标系的第一旋转矩阵，M为大于或等于2的正整数；
处理装置，用于基于所述M个采集点各自对应的位置数据，确定所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的轴向标定结果；
所述处理装置还用于，对M个所述采集点在所述标定系统坐标系下的采集点位置数据进行主成分分析，得到第一主成分向量；基于M个所述采集点在所述标定系统坐标系下的采集点位置数据，确定所述待标定手术器械的移动向量；若所述第一主成分向量与所述移动向量的夹角为锐角，则将所述第一主成分向量确定为所述待标定手术器械在所述标定系统坐标系下的轴向向量；若所述第一主成分向量与所述移动向量的夹角为钝角，则将所述第一主成分向量对应的负向量确定为所述待标定手术器械在所述标定系统坐标系下的轴向向量；基于预先构造的第一向量、第二向量，和所述待标定手术器械在所述标定系统坐标系下的轴向向量，构造第二旋转矩阵，其中，所述第一向量、所述第二向量和所述轴向向量中的任意两个向量垂直；基于所述M个采集点各自对应的第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵，确定所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的第三旋转矩阵；将所述第三旋转矩阵确定为所述待标定手术器械在所述定位工具坐标系下的轴向标定结果。
7.根据权利要求6所述的手术器械标定系统，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置包括：
具有移动轨道和凹槽点的底座，其中，所述移动轨道用于确定所述待标定手术器械的移动轨迹，所述凹槽点用于承载所述待标定手术器械的尖端；
与所述移动轨道滑动连接的夹持器，所述夹持器用于夹持所述待标定手术器械，以便利用所述夹持器夹持所述待标定手术器械在所述移动轨道内移动。
8.一种手术器械的定位装置，其特征在于，应用于手术导航系统，所述装置包括：
确定模块，用于基于权利要求1至4任一项所述的手术器械的标定方法，确定所述手术器械的标定数据，其中，所述标定数据包括所述手术器械在所述手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系下的轴向标定结果；
定位模块，用于基于所述手术器械装载的定位工具的定位工具坐标系与所述手术导航系统中的导航系统坐标系的对应关系，定位所述手术器械。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述权利要求1至5任一项所述的方法。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
处理器；
用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
所述处理器，用于执行上述权利要求1至5任一项所述的方法。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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