一种手术机器人导航定位方法及装置与流程

1.本发明涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种手术机器人导航定位方法及装置。


背景技术：

2.如今，医生可以使用手术机器人完成手术，由于手术机器人通常可以进行更加精细准确的操作，因此，利用手术机器人进行手术能够提高手术的成功率。在手术过程中，通常需要首先规划好手术机器人的移动路径，然后根据该移动路径控制手术机器人进行移动，实现手术机器人导航定位，进而基于定位后的手术机器人完成手术。
3.因此，需要一种手术机器人导航定位方案，以对手术机器人进行导航定位。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种手术机器人导航定位方案，以对手术机器人进行导航定位。具体技术方案如下：
5.第一方面，本发明实施例提供了一种手术机器人导航定位方法，所述方法包括：
6.获得图像采集设备采集的三维图像，其中，所述图像采集设备的视野范围内包含：目标对象以及带有标识物的标定板；
7.在所述三维图像中规划对所述目标对象进行手术的手术路径；
8.识别所述三维图像中的所述标识物，得到所述标识物在所述三维图像所在的图像坐标系下的图像位置；
9.根据所得图像位置、预先得到的标定位置以及第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系，其中，所述标定位置为：所述标识物在标定坐标系下的位置，所述标定坐标系为：根据所述标定板建立的坐标系，所述目标坐标系为：根据手术机器人建立的坐标系，所述第一转换关系为：所述标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系；
10.基于所述第二转换关系，将所述手术路径转换为所述目标坐标系下的目标路径；
11.根据所述目标路径，对所述手术机器人进行导航定位。
12.本发明的一个实施例中，所述根据所述目标路径，对所述手术机器人进行导航定位，包括：
13.从所述目标路径的起始位置开始，沿所述目标路径对所述手术机器人进行导航定位，并在导航定位过程中，实时检测所述目标对象的位置偏移，基于所述位置偏移，对所述目标路径进行矫正，其中，所述位置偏移为：所述目标坐标系中所述目标对象在当前时刻下的位置与在所述三维图像的采集时刻下的位置之间的偏移。
14.本发明的一个实施例中，所述实时检测所述目标对象的位置偏移，基于所述位置偏移，对所述目标路径进行矫正，包括：
15.获得由第一传感器采集的、第一坐标系下的第一位置以及当前位置，其中，所述第
一坐标系为：根据所述第一传感器建立的坐标系，所述第一位置为：所述目标对象在所述三维图像的采集时刻下的位置，所述当前位置为：所述目标对象在当前时刻下的位置；
16.根据所述第一位置、当前位置以及预先得到的所述第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，计算所述目标对象的位置偏移；
17.基于所述位置偏移，对所述目标路径进行矫正。
18.本发明的一个实施例中，所述第一传感器为光学追踪器和/或磁传感器。
19.本发明的一个实施例中，所述根据所述目标路径，对所述手术机器人进行导航定位，包括：
20.获得由第二传感器采集的、第二坐标系下所述手术机器人的第二位置，其中，所述第二坐标系为：根据所述第二传感器建立的坐标系；
21.根据预先得到的所述第二坐标系与目标坐标系之间的转换关系，将所述第二位置转换为所述目标坐标系下的第三位置；
22.根据所述目标路径以及第三位置，对所述手术机器人进行导航定位。
23.本发明的一个实施例中，所述第二传感器为光学追踪器和/或磁传感器。
24.本发明的一个实施例中，所述根据所述图像位置、预先得到的标定位置以及第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系，包括：
25.根据所述图像位置以及预先获得的标定位置，计算所述图像坐标系与标定坐标系之间的第三转换关系；
26.根据所述第三转换关系以及预先获得的第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系。
27.第二方面，本发明实施例还提供了一种手术机器人导航定位装置，所述装置包括：
28.图像获得模块，用于获得图像采集设备采集的三维图像，其中，所述图像采集设备的视野范围内包含：目标对象以及带有标识物的标定板；
29.路径规划模块，用于在所述三维图像中规划对所述目标对象进行手术的手术路径；
30.标识物识别模块，用于识别所述三维图像中的所述标识物，得到所述标识物在所述三维图像所在的图像坐标系下的图像位置；
31.关系计算模块，用于根据所得图像位置、预先得到的标定位置以及第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系，其中，所述标定位置为：所述标识物在标定坐标系下的位置，所述标定坐标系为：根据所述标定板建立的坐标系，所述目标坐标系为：根据手术机器人建立的坐标系，所述第一转换关系为：所述标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系；
32.路径转换模块，用于基于所述第二转换关系，将所述手术路径转换为所述目标坐标系下的目标路径；
33.导航定位模块，用于根据所述目标路径，对所述手术机器人进行导航定位。
34.本发明的一个实施例中，所述导航定位模块，具体用于：
35.从所述目标路径的起始位置开始，沿所述目标路径对所述手术机器人进行导航定位，并在导航定位过程中，实时检测所述目标对象的位置偏移，基于所述位置偏移，对所述目标路径进行矫正，其中，所述位置偏移为：所述目标坐标系中所述目标对象在当前时刻下
的位置与在所述三维图像的采集时刻下的位置之间的偏移。
36.本发明的一个实施例中，所述导航定位模块，具体用于：
37.获得由第一传感器采集的、第一坐标系下的第一位置以及当前位置，其中，所述第一坐标系为：根据所述第一传感器建立的坐标系，所述第一位置为：所述目标对象在所述三维图像的采集时刻下的位置，所述当前位置为：所述目标对象在当前时刻下的位置；
38.根据所述第一位置、当前位置以及预先得到的所述第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，计算所述目标对象的位置偏移；
39.基于所述位置偏移，对所述目标路径进行矫正。
40.本发明的一个实施例中，所述第一传感器为光学追踪器和/或磁传感器。
41.本发明的一个实施例中，所述导航定位模块，具体用于：
42.获得由第二传感器采集的、第二坐标系下所述手术机器人的第二位置，其中，所述第二坐标系为：根据所述第二传感器建立的坐标系；
43.根据预先得到的所述第二坐标系与目标坐标系之间的转换关系，将所述第二位置转换为所述目标坐标系下的第三位置；
44.根据所述目标路径以及第三位置，对所述手术机器人进行导航定位。
45.本发明的一个实施例中，所述第二传感器为光学追踪器和/或磁传感器。
46.本发明的一个实施例中，所述关系计算模块，具体用于：
47.根据所述图像位置以及预先获得的标定位置，计算所述图像坐标系与标定坐标系之间的第三转换关系；
48.根据所述第三转换关系以及预先获得的第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系。
49.第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
50.存储器，用于存放计算机程序；
51.处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述第一方面所述的手术机器人导航定位方法步骤。
52.第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的手术机器人导航定位方法步骤。
53.本发明实施例有益效果：
54.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，所获得的三维图像中的对象包含目标对象以及标定板，通过识别三维图像中标定板的标识物，可以得到标识物在图像坐标系下的图像位置。由于图像位置为图像坐标系下的位置，标定位置为标定坐标系下的位置，第一转换关系为标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系，因此，根据图像位置、标定位置以及第一转换关系，可以准确获得图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系，这样在三维图像中规划手术路径后，可以基于第二转换关系，将手术路径转换为目标坐标系下的目标路径，又由于目标坐标系为根据手术机器人建立的坐标系，因此，根据目标路径，可以实现对手术机器人进行导航定位。
55.另外，本方案中，在确定图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系时，只需将
标定板放置在图像采集设备的视野范围内，即可通过识别三维图像中的标识物获得标定板上标识物在图像坐标系下的位置，从而计算出第二转换关系。标定板可以放置在图像采集设备的视野范围内的任意位置，并且利用标定板即可计算出第二转换关系，无须对目标对象进行任何操作，因此，应用本发明实施例提供的手术机器人导航定位方案，能够增强手术机器人导航定位的灵活度，降低手术机器人导航定位的操作难度。
附图说明
56.为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
57.图1为本发明实施例提供的第一种手术机器人导航定位方法的流程示意图；
58.图2为本发明实施例提供的第二种手术机器人导航定位方法的流程示意图；
59.图3为本发明实施例提供的第三种手术机器人导航定位方法的流程示意图；
60.图4为本发明实施例提供的第四种手术机器人导航定位方法的流程示意图；
61.图5为本发明实施例提供的一种手术机器人导航定位装置的结构示意图；
62.图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
63.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
64.参见图1，图1为发明实施例提供了第一种手术机器人导航定位方法的流程示意图，上述方法包括以下步骤s101-s106。
65.步骤s101：获得图像采集设备采集的三维图像。
66.其中，图像采集设备的视野范围内包含：目标对象以及带有标识物的标定板。
67.上述图像采集设备可以是三维成像设备，例如，上述图像采集设备可以是cbct(cone beam ct，锥形束ct)、o臂机、ct(computed tomography，电子计算机断层扫描)仪、mr(magnetic resonance，磁共振)设备等等。
68.上述标识物通常为金属小球，例如钢珠球，或者其他金属制成的小球。
69.上述标定板通常包含不共面的多个标识物。
70.具体的，图像采集设备的视野范围内包含目标对象以及标定板，因此，图像采集设备在采集图像时，可以采集到目标对象以及标定板的图像，上述三维图像中存在目标对象对应的区域以及标定板对应的区域。
71.步骤s102：在三维图像中规划对目标对象进行手术的手术路径。
72.具体的，根据上述三维图像，可以获知目标对象的身体结构，从而确定出需要对目标对象进行手术的身体部位，并在三维图像中规划出对该部位进行手术的手术路径。
73.本发明的一个实施例中，规划手术路径存在以下两种实现方式。
74.第一种实现方式中，医生可以查看到上述三维图像，并根据以往工作经验，在三维图像中手动规划手术路径。
75.第二种实现方式中，可以利用现有的手术路径规划技术对上述三维图像进行处理，从而获得三维图像中的手术路径。
76.步骤s103：识别三维图像中的标识物，得到标识物在三维图像所在的图像坐标系下的图像位置。
77.其中，上述图像坐标系可以是根据上述三维图像的三个维度建立的坐标系。
78.具体的，通过识别三维图像中的标识物，可以确定三维图像中标识物对应的像素点在图像坐标系所在的位置，该位置即为标识物在三维图像所在的图像坐标系下的图像位置。
79.本发明的一个实施例中，可以将标识物作为识别对象，通过现有的对象识别技术识别三维图像中的标识物，例如，可以通过对象识别模型对三维图像进行处理，得到标识物在图像坐标系下的图像位置。
80.步骤s104：根据所得图像位置、预先得到的标定位置以及第一转换关系，计算图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系。
81.其中，标定位置为：标识物在标定坐标系下的位置，标定坐标系为：根据标定板建立的坐标系。
82.本发明的一个实施例中，上述标定坐标系可以是以标定板的一个顶点为坐标原点，按照上述标定板的长、宽、高建立的坐标系。这种情况下，标识物的标定位置可以是由该标识物与坐标原点分别在长度方向、宽度方向和高度方向上的距离构成的坐标。
83.本发明的另一个实施例中，由于标定板上的标识物通常不在同一平面上，因此，可以按照标定板上标识物排列形成的行、列、层建立标定坐标系。这种情况下，标识物的标定位置可以是该标识物在标定板上的行数、列数和层数构成的坐标。
84.上述目标坐标系为：根据手术机器人建立的坐标系。
85.上述目标坐标系可以是世界坐标系，也可以是根据手术机器人所处的环境建立的空间坐标系。
86.两个坐标系之间的转换关系可以表示为以下表达式：
[0087][0088]
其中，r
1-r9为两个坐标系之间的旋转量，可以构成旋转矩阵t
x
、ty、tz分别为两个坐标系分别在三个坐标轴之间的平移量。
[0089]
上述第一转换关系为标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系，可以表示为
[0090]
根据图像位置、标定位置以及第一转换关系计算第二转换关系的具体实现方式可
参见后续实施例，这里暂不详述。
[0091]
步骤s105：基于第二转换关系，将手术路径转换为目标坐标系下的目标路径。
[0092]
具体的，由于上述手术路径为在三维图像中规划的路径，因此，手术路径为在图像坐标系下的路径，而第二转换关系为图像坐标系与目标坐标系之间的转换关系，基于第二转换关系，可以将图像坐标系下的位置转换至目标坐标系下的位置，因此，可以基于第二转换关系，将手术路径转换为目标坐标系下的目标路径。
[0093]
本发明的一个实施例中，在上述路径为一条直线段的情况下，可以首先在图像坐标系中确定该路径的两个端点位置，然后基于第二转换关系，将这两个端点位置从图像坐标系转换至目标坐标系，转换后目标坐标系下的这两个位置构成的直线段即为目标坐标系下的目标路径。
[0094]
具体的，两个坐标系之间的转换关系中通常包括旋转参数和平移参数，在将上述两个坐标系中其中一个坐标系下的点的位置转换至另一坐标系下时，可以根据上述转换关系所包括的旋转参数和平移参数，对该点进行旋转、平移处理，处理后得到的位置即为该点在另一坐标系下的位置。因此，针对上述两个端点位置，可以根据上述第二转换关系中包括的旋转参数和平移参数，对这两个端点进行旋转、偏移处理，从而获得这两个端点在目标坐标系下的两个位置。
[0095]
本发明的另一个实施例中，可以依据微积分原理将手术路径划分为图像坐标系中多个点的位置，然后基于第二转换关系，将这多个点的位置从图像坐标系转换至目标坐标系，在目标坐标系中，由这多个转换后的点的位置构成目标路径。
[0096]
具体的，针对每一个点的位置，可以根据上述第二转换关系中包括的旋转参数和平移参数，对该点进行旋转、平移处理，从而将图像坐标系下的点的位置转换至目标坐标系。
[0097]
步骤s106：根据目标路径，对手术机器人进行导航定位。
[0098]
上述手术机器人可以包含机械臂，在获得上述目标路径后，可以控制机械臂，使得机械臂末端按照目标路径进行移动，从而实现导航定位。
[0099]
上述机械臂末端可以安装有末端工具，在机械臂末端到达目标路径指示的位置之后，用户可以利用机械臂末端安装的末端工具，对目标对象进行手术。
[0100]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，所获得的三维图像中的对象包含目标对象以及标定板，通过识别三维图像中标定板的标识物，可以得到标识物在图像坐标系下的图像位置。由于图像位置为图像坐标系下的位置，标定位置为标定坐标系下的位置，第一转换关系为标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系，因此，根据图像位置、标定位置以及第一转换关系，可以准确获得图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系，这样在三维图像中规划手术路径后，可以基于第二转换关系，将手术路径转换为目标坐标系下的目标路径，又由于目标坐标系为根据手术机器人建立的坐标系，因此，根据目标路径，可以实现对手术机器人进行导航定位。
[0101]
另外，本方案中，在确定图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系时，只需将标定板放置在图像采集设备的视野范围内，即可通过识别三维图像中的标识物获得标定板上标识物在图像坐标系下的位置，从而计算出第二转换关系。标定板可以放置在图像采集设备的视野范围内的任意位置，并且利用标定板即可计算出第二转换关系，无须对目标对
象进行任何操作，因此，应用本发明实施例提供的手术机器人导航定位方案，能够增强手术机器人导航定位的灵活度，降低手术机器人导航定位的操作难度。
[0102]
下面对根据图像位置、标定位置以及第一转换关系计算第二转换关系的具体实现方式进行说明。
[0103]
本发明的一个实施例中，参见图2，提供了第二种手术机器人导航定位方法的流程示意图，与前述图1所示实施例相比，本实施例中，可以通过以下步骤s104a-s104b实现上述步骤s104。
[0104]
步骤s104a：根据图像位置以及预先获得的标定位置，计算图像坐标系与标定坐标系之间的第三转换关系。
[0105]
具体的，上述标定板通常可以包括多个标识物，每一标识物在标定坐标系下均有各自的位置。在识别上述三维图像中标识物时，可以识别多个标识物的位置，从而得到多个标识物在图像坐标系下的多个图像位置，这样根据多个标识物的图像位置和标定位置，可以计算出图像坐标系与标定坐标系之间的第三转换关系。
[0106]
步骤s104b：根据第三转换关系以及预先获得的第一转换关系，计算图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系。
[0107]
具体的，第三转换关系为图像坐标系与标定坐标系之间的转换关系，可以表示为第一转换关系为标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系，可以表示为根据第三转换关系和第二转换关系，可以计算图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系为
[0108]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，根据图像位置和标定位置，可以准确计算出图像坐标系与标定坐标系之间的第三转换关系，然后根据第三转换关系和第一转换关系，可以准确计算出第二转换关系。因此，应用本发明实施例提供的手术机器人导航定位方案，能够准确计算出图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系，从而提高导航定位的准确性。
[0109]
本发明的另一个实施例中，由于第一转换关系为标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系，因此，可以首先根据第一转换关系，将标定位置转换为目标坐标系下的位置，然后根据图像位置和转换得到的位置，计算图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系。
[0110]
由于手术机器人在进行导航定位时，目标对象自身位置可能会发生改变，例如，手术台升降导致目标对象位置移动，或者目标对象挪动位置等等，这种情况下，若手术机器人按照原本获得的目标路径进行导航定位，则会导致手术机器人实际移动的路径与预期的路径发生偏差，降低导航定位效果。
[0111]
针对上述情况，本发明的一个实施例中，参见图3，提供了第三种手术机器人导航定位方法的流程示意图，与前述图1所示实施例相比，本实施例中，可以通过以下步骤s106a实现上述步骤s106。
[0112]
步骤s106a：从目标路径的起始位置开始，沿目标路径对手术机器人进行导航定位，并在导航定位过程中，实时检测目标对象的位置偏移，基于位置偏移，对目标路径进行矫正。
[0113]
其中，位置偏移为：目标坐标系中目标对象在当前时刻下的位置与在三维图像的采集时刻下的位置之间的偏移。
[0114]
上述位置偏移可以理解为上述目标对象中需要进行手术的手术区域的偏移，由于上述手术机器人沿目标路径可以定位至该手术区域，因此，若目标对象上手术区域的位置发生改变，需要对目标路径进行矫正，以使得手术机器人始终能够准确定位手术区域。
[0115]
由于目标对象的位置可能在手术机器人导航定位过程中任意时刻发生改变，因此，需要在手术机器人导航定位过程中，持续对目标路径进行矫正，以使得手术机器人能够始终按照期望的路径进行导航定位，即手术机器人导航定位过程和对目标路径进行矫正的过程是同步进行的。
[0116]
具体的，在上述图像采集设备采集三维图像时，可以记录该时刻目标对象在目标坐标系下的位置，然后在手术机器人导航定位过程中，实时检测目标对象在目标坐标系下的位置，若目标对象在目标坐标系下的位置与上述三维图像的采集时刻下记录的位置相同，则说明目标对象的位置未发生改变，此时目标对象的位置偏移为0，手术机器人沿原本的目标路径进行导航定位；若目标对象在目标坐标系下的位置与上述记录的位置不同，则说明目标对象的位置发生了改变，此时可以根据检测到的位置以及所记录的位置计算目标对象的位置偏移，然后基于该位置偏移，对目标路径进行矫正，手术机器人沿矫正后的目标路径继续进行导航定位。
[0117]
例如，若在目标坐标系中，x轴上的一个单位坐标值对应实际场景中的1厘米，此时，若目标对象向x轴正方向移动了5厘米，则需要在目标坐标系中，将目标路径所在位置向x轴正方向移动5，之后手术机器人沿着移动后的目标路径继续进行导航定位。
[0118]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，通过在导航定位过程中实时检测目标对象的位置偏移，并基于该位置偏移对目标路径进行矫正，这样可以在导航定位过程中，不断修正目标路径，使得手术机器人在导航定位的任意时刻均能沿着预期的路径进行移动，从而提高了手术机器人导航定位的准确性。
[0119]
下面对上述步骤s106a中实时检测目标对象的位置偏移，基于位置偏移，对目标路径进行矫正进行进一步说明。
[0120]
本发明的一个实施例中，可以首先获得由第一传感器采集的、第一坐标系下的第一位置以及当前位置，然后根据第一位置、当前位置以及预先得到的第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，计算目标对象的位置偏移，最后基于位置偏移，对目标路径进行矫正。
[0121]
其中，第一坐标系为：根据第一传感器建立的坐标系，第一位置为：目标对象在三维图像的采集时刻下的位置，当前位置为：目标对象在当前时刻下的位置。
[0122]
上述第一传感器通常包含追踪模块和定位模块，上述第一传感器中的追踪模块可以采集第一传感器的定位模块在第一坐标系下的位置，通过将第一传感器的定位模块放置在上述目标对象的身体上，可以获得目标对象在第一坐标系下的位置。
[0123]
另外，在对目标对象进行手术之前，通常可以获知目标对象的身体上需要进行手术的手术区域所在的部位，例如，该部位可以是胸腔、心脏等，因此，在放置上述第一传感器的定位模块时，可以将第一传感器的定位模块放置于上述部位或者上述部位附近区域，这样可以更加准确的探测到手术区域的位置偏移，从而提高导航定位的准确性。
[0124]
具体的，在第一传感器的定位模块放置在目标对象的身体上之后，第一传感器的定位模块可以采集上述三维图像的采集时刻下定位模块的位置，作为目标对象在第一坐标系下的第一位置，还可以在导航定位过程中，实时采集定位模块的位置，作为目标对象在第一坐标系下的当前位置，然后根据所获得的第一位置、当前位置以及第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，计算目标对象的位置偏移，进而基于位置偏移对目标路径进行矫正。
[0125]
根据第一位置、当前位置以及上述转换关系计算位置偏移存在以下两种实现方式。
[0126]
第一种实现方式中，可以首先计算第一位置与当前位置之间的初始位置偏移，此时，该初始位置偏移为第一坐标系下的位置偏移，计算得到上述初始位置偏移后，可以根据第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，将上述初始位置偏移转换至目标坐标系下的位置偏移。
[0127]
第二种实现方式中，可以手术根据第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，分别将上述第一位置、当前位置转换至目标坐标系下，然后计算转换后的第一位置与当前位置之间的偏差，即为上述位置偏差。
[0128]
本发明的一个实施例中，在获得第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系时，由于第一坐标系与上述标定板所在的标定坐标系之间的转换关系通常可以预先得到，并且标定坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系已知，因此，可以预先根据第一坐标系与标定坐标系之间的转换以及第二转换关系计算得到第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系间的转换关系
[0129]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，第一传感器可以分别采集目标对象在上述两个时刻下的第一位置和当前位置，这两个位置为第一坐标系下的位置，根据这两个位置以及第一坐标系、目标坐标系之间的转换关系，可以准确计算出目标对象的位置偏移，从而基于位置偏移对目标路径进行矫正，能够提高手术机器人导航定位的准确性。
[0130]
另外，在手术机器人完成导航定位后，医生可以基于定位后的手术机器人，利用其他手术器械对上述目标对象进行手术，上述手术器械中可以安装有上述第一传感器中的定位模块，这样在医生利用手术器械进行手术的过程中，第一传感器的追踪模块可以采集手术器械在第一坐标系下的器械位置，利用上述三维坐标系、标定坐标系、第一坐标系以及目标坐标系这四种坐标系中两两坐标系之间的转换关系，将第一坐标系下的器械位置转换至三维坐标系下，进而在实时显示的上述目标对象的三维图像中显示手术器械所在位置，以便于医生查看。
[0131]
例如，在对上述器械位置进行转换时，可以基于第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，将器械位置转换至目标坐标系下，然后基于各二维坐标系与目标坐标系之间的第三转换关系，将目标坐标系下的器械位置再次转换至各二维坐标系下，最后根据各二维坐标系与三维坐标系之间的第一转换关系，将各二维坐标系下的器械位置转换至三维坐标系下。
[0132]
下面对上述第一传感器进行说明。
[0133]
本发明的一个实施例中，上述第一传感器为光学追踪器。
[0134]
这种情况下，上述第一位置和当前位置为该光学追踪器的追踪模块分别在上述两个时刻采集的定位模块的位置。
[0135]
由于光学追踪器的定位精确度较高，将光学追踪器作为第一传感器，能够提高上述第一位置和当前位置的准确性，根据准确性较高的第一位置和当前位置计算位置偏移，能够提高位移偏移的准确性，从而提高导航定位的准确性。
[0136]
另外，在医生所使用的手术器械为硬体器械的情况下，可以将光学追踪器的定位模块安装在该硬体器械上，以实现在目标对象的三维图像中实时显示硬体器械的所在位置。
[0137]
本发明的另一个实施例中，上述第一传感器为磁传感器。
[0138]
这种情况下，上述第一位置和当前位置为该磁传感器的追踪模块分别在上述两个时刻采集的定位模块的位置。
[0139]
由于获得上述当前位置的过程为一个持续性的过程，而磁传感器的跟踪持续性较强，因此，将磁传感器作为第一传感器，能够保证对目标对象进行持续跟踪，从而保证了在导航定位的任何时刻均能获得目标对象在第一坐标系下的当前位置，进而提高手术机器人导航定位的可靠性。
[0140]
另外，在医生所使用的手术器械为软体器械的情况下，可以将磁传感器的定位模块安装在该软体器械的尖端，以实现在目标对象的三维图像中实时显示软体器械尖端的所在位置。
[0141]
本发明的又一个实施例中，上述第一传感器包括光学追踪器以及磁传感器。
[0142]
由于光学追踪器易被遮挡，在光学追踪器被遮挡的情况下，该光学追踪器的追踪模块难以采集其所包含的定位模块的位置，磁传感器易受到外界磁场的干扰，定位精度比光学追踪器的定位精度低，因此，将光学追踪器以及磁传感器均作为第一传感器，可以在其中一个传感器难以准确采集目标对象的位置的情况下，使用另一传感器采集目标对象的位置。
[0143]
由于光学传感器的精度比磁传感器的精度高，因此，光学追踪器和磁传感器均能正常工作的情况下，通常选择光学追踪器采集的位置作为目标对象的位置，在光学追踪器因被遮挡等原因难以正常工作时，可以使用磁传感器采集目标对象的位置。
[0144]
本方案中，将光学追踪器以及磁传感器作为第一传感器，能够保证获得第一位置和当前位置的可靠性，从而提高手术机器人导航定位的可靠性。
[0145]
在对手术机器人进行导航定位的过程中，手术机器人可能由于一些不可控的因素导致手术机器人实际移动的路径与目标路径不符，例如，上述不可控的因素可以是手术机器人自身器械松动、导航定位过程出现干扰等等。
[0146]
针对上述情况，本发明的一个实施例中，参见图4，提供了第四种手术机器人导航定位方法的流程示意图，与前述图1所示实施例相比，本实施例中，可以通过以下步骤s106b-s106d实现上述步骤s106。
[0147]
步骤s106b：获得由第二传感器采集的、第二坐标系下手术机器人的第二位置。
[0148]
其中，第二坐标系为：根据第二传感器建立的坐标系。
[0149]
与上述第一传感器相类似，上述第二传感器也包含追踪模块以及定位模块，第二
传感器可以是光学追踪器，也可以是磁传感器，还可以光学追踪器和磁传感器。
[0150]
上述第二传感器的追踪模块可以采集第二传感器的定位模块在第二坐标系下的位置，通过将第二传感器的定位模块安装在手术机器人上，可以获得手术机器人在第二坐标系下的位置。
[0151]
在上述手术机器人包括机械臂的情况下，第二传感器的定位模块可以安装在机械臂的末端，用于采集机械臂末端在第二坐标系下的位置，作为手术机器人的第二位置。
[0152]
在第二传感器为光学追踪器的情况下，所获得的第二位置的准确性较高，在第二传感器为磁传感器的情况下，对第二位置的持续跟踪性较强，在第二传感器为光学追踪器和磁传感器的情况下，获得第二位置的可靠性较高。
[0153]
具体的，在将第二传感器安装至手术机器人上之后，第二传感器可以实时采集当前时刻下手术机器人的位置。因此，在整个手术机器人导航定位过程中，可以实时获得上述第二位置，实现对手术机器人进行实时位置检测。
[0154]
步骤s106c：根据预先得到的第二坐标系与目标坐标系之间的转换关系，将第二位置转换为目标坐标系下的第三位置。
[0155]
与上述第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系相类似，上述第二坐标系与目标坐标系之间的转换关系同样可以根据第二坐标系与标定坐标系之间的转换关系以及标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系计算得到，这里不再赘述。
[0156]
具体的，第二坐标系与目标坐标系之间的转换关系可以包括这两个坐标系之间的旋转参数和平移参数，因此，可以根据该旋转参数和平移参数，对上述第二位置进行旋转、平移处理，从而将第二位置转换为目标坐标系下的第三位置。
[0157]
另外，由于上述第二位置可以实时获得，第三位置为第二位置转换得到的目标坐标系下的位置，在上述第二位置为当前时刻下获得的手术机器人在第二坐标系下的位置时，第三位置可以看做是当前时刻下手术机器人在目标坐标系下的位置。
[0158]
步骤s106d：根据目标路径以及第三位置，对手术机器人进行导航定位。
[0159]
具体的，上述目标路径可以看做是第三位置的移动轨迹，手术机器人沿目标路径进行导航定位的过程可以看做是手术机器人按照目标路径进行移动的过程。在手术机器人移动过程中，可以实时获得第三位置，这样在导航定位过程出现上述不可控的因素而导致手术机器人未按照目标路径进行移动时，可以根据目标路径以及当前时刻下手术机器人所在的第三位置，对手术机器人进行位置修正，然后继续根据目标路径对手术机器人进行导航定位。
[0160]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，基于所获得的第二位置以及第二坐标系、目标坐标系这两个坐标系之间的转换关系，获得手术机器人在目标坐标系下的第三位置，这样可以在导航定位过程中手术机器人实际移动的路径与目标路径不符的情况下，可以对手术机器人的位置进行修正，从而保证手术机器人能够始终按照目标路径进行导航定位，从而提高手术机器人导航定位的准确性。
[0161]
与上述手术机器人导航定位方法相对应，本发明实施例还提供了一种手术机器人导航定位装置。
[0162]
参见图5，提供了一种手术机器人导航定位装置的结构示意图，所述装置包括：
[0163]
图像获得模块501，用于获得图像采集设备采集的三维图像，其中，所述图像采集
设备的视野范围内包含：目标对象以及带有标识物的标定板；
[0164]
路径规划模块502，用于在所述三维图像中规划对所述目标对象进行手术的手术路径；
[0165]
标识物识别模块503，用于识别所述三维图像中的所述标识物，得到所述标识物在所述三维图像所在的图像坐标系下的图像位置；
[0166]
关系计算模块504，用于根据所得图像位置、预先得到的标定位置以及第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系，其中，所述标定位置为：所述标识物在标定坐标系下的位置，所述标定坐标系为：根据所述标定板建立的坐标系，所述目标坐标系为：根据手术机器人建立的坐标系，所述第一转换关系为：所述标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系；
[0167]
路径转换模块505，用于基于所述第二转换关系，将所述手术路径转换为所述目标坐标系下的目标路径；
[0168]
导航定位模块506，用于根据所述目标路径，对所述手术机器人进行导航定位。
[0169]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，所获得的三维图像中的对象包含目标对象以及标定板，通过识别三维图像中标定板的标识物，可以得到标识物在图像坐标系下的图像位置。由于图像位置为图像坐标系下的位置，标定位置为标定坐标系下的位置，第一转换关系为标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系，因此，根据图像位置、标定位置以及第一转换关系，可以准确获得图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系，这样在三维图像中规划手术路径后，可以基于第二转换关系，将手术路径转换为目标坐标系下的目标路径，又由于目标坐标系为根据手术机器人建立的坐标系，因此，根据目标路径，可以实现对手术机器人进行导航定位。
[0170]
另外，本方案中，在确定图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系时，只需将标定板放置在图像采集设备的视野范围内，即可通过识别三维图像中的标识物获得标定板上标识物在图像坐标系下的位置，从而计算出第二转换关系。标定板可以放置在图像采集设备的视野范围内的任意位置，并且利用标定板即可计算出第二转换关系，无须对目标对象进行任何操作，因此，应用本发明实施例提供的手术机器人导航定位方案，能够增强手术机器人导航定位的灵活度，降低手术机器人导航定位的操作难度。
[0171]
本发明的一个实施例中，所述导航定位模块506，具体用于：
[0172]
从所述目标路径的起始位置开始，沿所述目标路径对所述手术机器人进行导航定位，并在导航定位过程中，实时检测所述目标对象的位置偏移，基于所述位置偏移，对所述目标路径进行矫正，其中，所述位置偏移为：所述目标坐标系中所述目标对象在当前时刻下的位置与在所述三维图像的采集时刻下的位置之间的偏移。
[0173]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，通过在导航定位过程中实时检测目标对象的位置偏移，并基于该位置偏移对目标路径进行矫正，这样可以在导航定位过程中，不断修正目标路径，使得手术机器人在导航定位的任意时刻均能沿着预期的路径进行移动，从而提高了手术机器人导航定位的准确性。
[0174]
本发明的一个实施例中，所述导航定位模块506，具体用于：
[0175]
获得由第一传感器采集的、第一坐标系下的第一位置以及当前位置，其中，所述第一坐标系为：根据所述第一传感器建立的坐标系，所述第一位置为：所述目标对象在所述三
维图像的采集时刻下的位置，所述当前位置为：所述目标对象在当前时刻下的位置；
[0176]
根据所述第一位置、当前位置以及预先得到的所述第一坐标系与目标坐标系之间的转换关系，计算所述目标对象的位置偏移；
[0177]
基于所述位置偏移，对所述目标路径进行矫正。
[0178]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，第一传感器可以分别采集目标对象在上述两个时刻下的第一位置和当前位置，这两个位置为第一坐标系下的位置，根据这两个位置以及第一坐标系、目标坐标系之间的转换关系，可以准确计算出目标对象的位置偏移，从而基于位置偏移对目标路径进行矫正，能够提高手术机器人导航定位的准确性。
[0179]
本发明的一个实施例中，上述第一传感器为光学追踪器。
[0180]
由于光学追踪器的定位精确度较高，将光学追踪器作为第一传感器，能够提高上述第一位置和当前位置的准确性，根据准确性较高的第一位置和当前位置计算位置偏移，能够提高位移偏移的准确性，从而提高导航定位的准确性。
[0181]
本发明的另一个实施例中，上述第一传感器为磁传感器。
[0182]
由于获得上述当前位置的过程为一个持续性的过程，而磁传感器的跟踪持续性较强，因此，将磁传感器作为第一传感器，能够保证对目标对象进行持续跟踪，从而保证了在任何时刻均能获得目标对象在第一坐标系下的当前位置，进而提高了手术机器人导航定位的可靠性。
[0183]
本发明的又一个实施例中，上述第一传感器包括光学追踪器以及磁传感器。
[0184]
本方案中，将光学追踪器以及磁传感器作为第一传感器，能够保证获得第一位置和当前位置的可靠性，从而提高手术机器人导航定位的可靠性。
[0185]
本发明的一个实施例中，所述导航定位模块506，具体用于：
[0186]
获得由第二传感器采集的、第二坐标系下所述手术机器人的第二位置，其中，所述第二坐标系为：根据所述第二传感器建立的坐标系；
[0187]
根据预先得到的所述第二坐标系与目标坐标系之间的转换关系，将所述第二位置转换为所述目标坐标系下的第三位置；
[0188]
根据所述目标路径以及第三位置，对所述手术机器人进行导航定位。
[0189]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，基于所获得的第二位置以及第二坐标系、目标坐标系这两个坐标系之间的转换关系，获得手术机器人在目标坐标系下的第三位置，这样可以在导航定位过程中手术机器人实际移动的路径与目标路径不符的情况下，可以对手术机器人的位置进行修正，从而保证手术机器人能够始终按照目标路径进行导航定位，从而提高手术机器人导航定位的准确性。
[0190]
本发明的一个实施例中，上述第二传感器为光学追踪器和/或磁传感器。
[0191]
在第二传感器为光学追踪器的情况下，所获得的第二位置的准确性较高，在第二传感器为磁传感器的情况下，对第二位置的持续跟踪性较强，在第二传感器为光学追踪器和磁传感器的情况下，获得第二位置的可靠性较高。
[0192]
本发明的一个实施例中，所述关系计算模块504，具体用于：
[0193]
根据所述图像位置以及预先获得的标定位置，计算所述图像坐标系与标定坐标系之间的第三转换关系；
[0194]
根据所述第三转换关系以及预先获得的第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系。
[0195]
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案进行手术机器人导航定位时，根据图像位置和标定位置，可以准确计算出图像坐标系与标定坐标系之间的第三转换关系，然后根据第三转换关系和第一转换关系，可以准确计算出第二转换关系。因此，应用本发明实施例提供的手术机器人导航定位方案，能够准确计算出图像坐标系与目标坐标系之间的第二转换关系，从而提高导航定位的准确性。
[0196]
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图6所示，包括处理器601、通信接口602、存储器603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信，
[0197]
存储器603，用于存放计算机程序；
[0198]
处理器601，用于执行存储器603上所存放的程序时，实现如下步骤：
[0199]
获得图像采集设备采集的三维图像，其中，所述图像采集设备的视野范围内包含：目标对象以及带有标识物的标定板；
[0200]
在所述三维图像中规划对所述目标对象进行手术的手术路径；
[0201]
识别所述三维图像中的所述标识物，得到所述标识物在所述三维图像所在的图像坐标系下的图像位置；
[0202]
根据所得图像位置、预先得到的标定位置以及第一转换关系，计算所述图像坐标系与所述目标坐标系之间的第二转换关系，其中，所述标定位置为：所述标识物在标定坐标系下的位置，所述标定坐标系为：根据所述标定板建立的坐标系，所述目标坐标系为根据手术机器人建立的坐标系，所述第一转换关系为：所述标定坐标系与目标坐标系之间的转换关系；
[0203]
基于所述第二转换关系，将所述手术路径转换为所述目标坐标系下的目标路径；
[0204]
根据所述目标路径，对所述手术机器人进行导航定位。
[0205]
除此之外，上述电子设备还可以实现如前方法实施例部分所述的其他手术机器人导航定位方法，这里不再详述。
[0206]
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，eisa)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0207]
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
[0208]
存储器可以包括随机存取存储器(random access memory，ram)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
[0209]
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0210]
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一手术机器人导航定位方法的步骤。
[0211]
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一手术机器人导航定位方法。
[0212]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0213]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0214]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备、计算机可读存储介质以及计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0215]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。