[发明专利]一种手术定位装置、定位系统及定位方法

权利要求书

1.一种手术定位装置，其特征在于：它包括一支架，在所述支架上设置有三个以上的用于反射红外光的反光球以及四个以上不透X光的定位点。

2.如权利要求1所述的一种手术定位装置，其特征在于：任意两个所述反光球之间的距离均大于50mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述反光球成75°以下的夹角。

3.如权利要求1所述的一种手术定位装置，其特征在于：所述定位点分成两个组，每个组包含三个以上的定位点，每个组内的定位点在所述支架上的分布满足下述条件：任意两个定位点之间的距离均大于20mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述定位点成75°以下的夹角。

4.一种手术定位系统，其特征在于：它包括一手术机器人、一上位机、一光学跟踪器、一机器人示踪器、一三维成像设备以及如权利要求1至3任一项所述的手术定位装置；所述手术机器人为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂；所述上位机与所述手术机器人电连接，用于对所述手术机器人的运动进行控制；在所述手术机器人的末端安装所述机器人示踪器；所述手术定位装置固定在患者身上；所述三维成像设备用于对所述手术定位装置进行扫描从而形成含有定位点的三维图像，并由所述上位机对所述图像中的定位点与所述手术定位装置上的定位点进行对应识别；所述光学跟踪器用于对所述机器人示踪器和所述手术定位装置进行跟踪，并将位置数据传输给所述上位机。

5.如权利要求4所述的一种手术定位系统，其特征在于：所述三维成像设备为螺旋CT机或O型锥形束CT机。

6.一种基于如权利要求4或5所述手术定位系统所实施的定位方法，包括以下步骤：

1)将固定在患者身上的手术定位装置放置在三维成像设备的成像视野内进行扫描，三维成像设备获取手术定位装置上的定位点的图像，并传输给上位机；在对手术定位装置进行三维扫描的同时，光学跟踪器获取机器人示踪器和手术定位装置的坐标并传输给上位机；

2)上位机对图像中的定位点与预先设置的定位点几何特征循环进行比较，实现手术定位装置中的定位点与图像中的定位点的对应识别；

3)上位机通过机器人示踪器坐标向量与手术定位装置坐标向量之间的旋转矩阵与平移向量，计算出患者、图像、手术机器人在手术定位装置所在坐标系下的变换关系，并选择患者坐标系、机器人坐标系、机器人基座坐标系和图像坐标系之一作为世界坐标系，将患者、图像和手术机器人统一到世界坐标系的变换关系作为图像注册的输出 结果。

7.如权利要求6所述的一种定位方法，其特征在于：所述步骤2)中，对手术定位装置中的定位点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：

①将手术定位装置上的定位点分成组Ⅰ和组Ⅱ，每一组均包括3个以上的定位点；

②读取步骤①中组Ⅰ和组Ⅱ所包括的定位点信息和手术定位装置的信息，读取步骤1)扫描获得的图像；

③对步骤②获取的图像进行阈值分割并提取生成有效的多边形数据；

④根据步骤②获得的手术定位装置的信息，对步骤③获取的多边形数据进行拟合和判定，从而筛选出图像中的定位点；

⑤计算步骤④获取的图像定位点中的每两个定位点之间的距离；

⑥从组Ⅰ的标尺定位点中选取3个定位点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若无法找到，则从组Ⅱ的标尺定位点中选取3个定位点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若依然无法找到，则选取来自组Ⅰ和组Ⅱ的标尺定位点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；

⑦按照一一对应的关系保持该对全等三角形的顶点编号形成匹配点对，并以该全等三角形模板为参照在图像中寻找三角形模板以外的标尺定位点的对应图像定位点，直至图像定位点与标尺定位点全部匹配。