[发明专利]一种三维图像专用标定器、手术定位系统及定位方法

权利要求书

1.一种手术定位系统，其特征在于：包括一手术机器人、一上位机、一空间坐标测位仪、一机器人示踪器、一患者示踪器、一三维成像设备、一三维图像专用标定器以及一导向器；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可拆卸地连接所述三维图像专用标定器和机器人示踪器；所述患者示踪器固定在患者的身上；所述空间坐标测位仪用于测量所述机器人示踪器和患者示踪器的空间坐标并将位置数据传输给上位机；所述三维成像设备用于扫描所述三维图像专用标定器和患者手术部位并将标记点图像和患者图像传输给所述上位机；所述上位机对图像中标记点与所述三维图像专用标定器上的标记点进行对应识别；所述导向器与所述手术机器人的末端可拆卸地连接，

其中，所述三维图像专用标定器包括仅一个标定器面和一标定器柄，所述标定器面为平面或者弧形面，在所述标定器面上设置有仅一组用于被三维成像设备识别的标记点，所述标记点中的任意两个标记点之间的距离均不相等，所述标记点的数量为至少四个；所述标定器柄的一端与所述标定器面固定连接，另一端设置一用于与手术机械臂连接的接头；所述标定器面由透X光的材料制成；所述标记点由不透X光的材料制成；并且

其中，所述手术定位系统用于实施手术定位方法，所述手术定位方法包括以下步骤：

1)将手术机器人所携带的三维图像专用标定器放置在患者身体手术部位表面，采用三维成像设备对三维图像专用标定器和患者手术部位共同进行扫描，三维成像设备获取三维图像专用标定器上的标记点的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，空间坐标测位仪获取机器人示踪器和患者示踪器的坐标并传输给上位机；

2)上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点的对应识别；

3)上位机通过三维图像专用标定器上的标记点与机器人示踪器之间的已知的坐标关系，计算出患者图像与机器人示踪器之间的坐标变换关系，然后进一步计算患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系；

4)根据患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在机器人坐标系下的坐标，进而计算出在患者图像中所确定的手术路径在机器人坐标系下的坐标。

2.如权利要求1所述的手术定位系统，其特征在于：所述步骤2)中，对三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：

①将三维图像专用标定器上的标记点分成组A和组B，每一组均包括3个以上的标记点；

②读取步骤①中组A和组B所包括的标记点信息和三维图像专用标定器(1)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获得的三维图像专用标定器的信息，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标记点；

⑤计算步骤④获取的图像标记点中的每两个标记点之间的距离；

⑥从组A的标定器标记点中选取3个标记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B的标定器标记点中选取3个标记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A和组B的标定器标记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定器标记点的对应图像标记点，直至图像标记点与标定器标记点全部匹配。