CN115120350A - 计算机可读存储介质、电子设备、位置标定及机器人*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种计算机可读存储介质、电子设备、位置标定及机器人***，计算机可读存储介质上存储有程序，当程序被执行时执行以下步骤：根据处于第一状态的手术对象的第一体表信息和病灶信息建立第一体征图像模型以用于规划预孔位；根据处于第二状态的手术对象的第二体表信息建立第二体征图像模型；对第二体征图像模型和第一体征图像模型进行配准，以在第二体征图像模型上得到目标孔位；获取一在手术对象的体表移动的定位装置的标定端的位置信息，标定端与手术对象体表接触；判断标定端的位置信息是否与目标孔位相匹配，若是，定手术对象体表与标定端接触的位置为实际孔位。利用该方法可快速准确地获取实际孔位，有利于缩短术前准备时间。

Description

计算机可读存储介质、电子设备、位置标定及机器人***
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种计算机可读存储介质、电子设备、位置标定及机器人***。
背景技术
手术机器人的设计理念是采用微创伤的方式精准地实施复杂的外科手术。在传统的手术操作面临种种局限的情况下发展出现了手术机器人，手术机器人突破了人眼的局限，其能够利用立体成像技术将人体内部的器官更加清晰地呈现给施术者。并且对于一些人的手部无法伸入的狭小区域，手术机器人仍可控制手术器械完成挪动、摆动、夹持及360°转动，并可避免抖动，提高手术精确度，进一步达到创口小、出血少、术后恢复快、极大地缩短手术对象术后住院时间的优势。因此，手术机器人深受广大医患的青睐，广泛应用于各自临床手术中。
与传统手术一样，在利用手术机器人进行手术之前，需要对病灶进行定位，并根据病灶位置确定打孔点，然后引导手术机器人上的机械臂至打孔点，进而开展手术操作。
现有技术中的术前打孔环境存在如下问题：1)由于手术对象的病灶位置不同，以及手术对象自身的体征不同，导致固定的打孔位置并不总是最佳的打孔位置，若采用固定打孔位置容易在后续的手术中造成工具臂干涉或限位而不利于手术操作。2)在针对不同的手术对象进行打孔位置规划后，往往由于各种原因(例如手术对象憋气、饱食、手术对象建立气腹等)造成实际手术时手术对象***发生变化，导致无法快速精确地确定找到规划的打孔位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算机可读存储介质、电子设备、位置标定及机器人***，能够根据手术对象的个体差异快速、准确地确定手术对象体表的打孔孔位，降低术前准备时间并且提高打孔精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行以下步骤：
根据处于第一状态的手术对象的第一体表信息和病灶信息建立第一体征图像模型；所述第一体征图像模型用于规划预孔位；
根据处于第二状态的手术对象的第二体表信息建立第二体征图像模型；
对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行图像配准，以将所述第一体征图像模型上的所述预孔位转换为所述第二体征图像模型上的目标孔位；
获取一在手术对象的体表移动的定位装置的标定端的位置信息，所述标定端与手术对象体表接触；
判断所述标定端的位置信息是否与所述目标孔位相匹配，若是，则判定手术对象体表与所述标定端接触的位置为实际孔位。
可选地，所述第二体征图像模型位于第二坐标系内；所述程序用于执行如下步骤以获取所述实际孔位：
根据所述标定端的第一图像信息获取所述标定端在所述第二坐标系内的位置信息；
判断所述标定端在所述第二坐标系内的位置信息是否与所述目标孔位相匹配。
可选地，所述第二体征图像模型位于第二坐标系内；所述定位装置上设有p个辅助标定端，p是大于或等于3的整数，每个所述辅助标定端与所述标定端之间具有预定位置关系；
所述程序执行如下步骤以获取所述实际孔位：
根据所述定位装置的第二图像信息获取至少三个所述辅助标定端在所述第二坐标系内的位置，并根据至少三个所述辅助标定端在所述第二坐标系内的位置以及所述预定位置关系获取所述标定端在所述第二坐标系内的位置；
判断所述标定端在所述第二坐标系内的位置信息是否与所述目标孔位相匹配。
可选地，所述第一体征图像模型位于第一坐标系内，所述第二体征图像模型位于第二坐标系内；
所述程序执行如下步骤以获取所述目标孔位：
在所述第一体征图像模型上提取第一特征点以及在所述第二体征图像模型上提取第二特征点；
对所述第一特征点和所述第二特征点进行最大化相似计算，并得到所述第一坐标系和所述第二坐标系的转换矩阵；
根据所述转换矩阵将所述第一体征图像模型上的所述预孔位转换为所述第二坐标系内的预目标孔位；
判断所述预目标孔位是否在所述第二体征图像模型的体表，若是，则判定所述预目标孔位为所述目标孔位，若否，则将所述预目标孔位沿第一方向投影至所述第二体征图像模型的体表，得到所述目标孔位；所述第一方向是所述预目标孔位与所述第二体征图像模型的体表上到所述预目标孔位的距离最小的点的连线方向，且所述第一方向指向所述第二体征图像模型的体表。
可选地，所述程序采用最小化图像灰度值的方式对对所述第一特征点和所述第二特征点执行最大化相似计算。
可选地，当所述程序判定所述标定端的位置与所述目标孔位相匹配时，所述程序还执行如下步骤：产生第一提示信息，以提示匹配成功；和/或
当所述程序判定所述标定端的位置与所述目标孔位不匹配且所述标定端的位置与所述目标孔位的距离在预定范围内时，所述程序还执行如下步骤：产生第二提示信息，所述第二提示信息包括所述定位装置的预期移动方向。
为实现上述目的，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和如前任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
为实现上述目的，本发明还提供了一种位置标定***，包括控制单元及定位装置，所述定位装置上设有标定端，所述标定端的位置信息用于在手术对象的体表进行孔位标定，所述控制单元用于实现如前任一项所述的程序所执行的步骤。
可选地，所述控制单元还用于产生提示信息以提示所述定位装置的标定端的位置信息与所述目标孔位匹配或不匹配。
可选地，所述***还包括提示单元，所述提示单元与所述控制单元通信连接，用于显示所述提示信息。
可选地，所述位置标定***包括第二影像设备，所述第二影像设备与所述控制单元通信连接；所述定位装置在所述第二影像设备的视野范围内移动且所述标定端上设有标记物，所述第二影像设备识别所述标记物以获取所述标定端的第一图像信息；所述控制单元根据所述第一图像信息获取所述标定端的位置信息。
可选地，所述定位装置上包括P个辅助标定端，P是大于或等于3的整数，且每个所述辅助标定端与所述标定端具有预定位置关系；所述辅助标定端上设有标记物，所述第二影像设备识别所述标记物以获取所述辅助标定端的第二图像信息；所述控制单元根据所述第二图像信息获取所述标定端的位置。
可选地，所述定位装置包括辅助标定部和接触部；所述辅助标定部上设有所述辅助标定端；所述接触部与所述辅助标定部连接，且所述接触部远离所述辅助标定部的一端形成为所述标定端并用于在位置标定过程中接触手术对象体表。
可选地，所述辅助标定部包括立方体结构，并包括一个第一面和五个第二面；所述接触部为杆状结构，且所述接触部的一端连接于所述第一面的中心点处，另一端形成为所述标定端；
至少三个所述第二面上形成有所述辅助标定端；或者，所述辅助标定部的至少三个顶点处形成所述辅助标定端。
可选地，所述定位装置包括相互垂直并相交于一点的第一杆体、第二杆体和第三杆体；其中所述第一杆体的两端、所述第二杆体的两端及所述第三杆体的一端形成为所述辅助标定端，所述第三杆体的另一端形成所述标定端。
可选地，所述位置标定***还包括第一影像设备和第二影像设备，所述第一影像设备和所述第二影像设备均与所述控制单元通信连接；所述第一影像设备用于获取处于第一状态的手术对象的第一体表信息和病灶信息，所述第二影像设备用于获取处于第二状态的手术对象的第二体表信息。
可选地，所述第一影像设备包括MRI机、X射线装置或B超中的任一种；所述第二影像设备包括双目视觉相机或结构光相机。
为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人***，所述手术机器人***包括如前任一项所述的位置标定***以及手术执行***；所述手术执行***包括机械臂，所述机械臂用于连接手术工具，所述位置标定***用于在手术对象的体表确定实际孔位，以供机械臂控制所述手术工具在所述实际孔位处进入手术对象体内。
与现有技术相比，本发明的计算机可读存储介质、电子设备、位置标定及机器人***具有如下优点：
第一、前述的计算机可读存储介质上存储有程序，当所述程序被执行时，执行以下步骤：根据处于第一状态的手术对象的第一体表信息和病灶信息建立第一体征图像模型；所述第一体征图像模型用于规划预孔位；根据处于第二状态的手术对象的第二体表数据建立第二体征图像模型；对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行图像配准，以将所述第一体征图像模型上的所述预孔位转换为所述第二体征图像模型上的目标孔位；获取一在手术对象的体表移动的定位装置的标定端的位置，所述标定端与手术对象体表接触；判断所述标定端的位置是否与所述目标孔位相匹配，若是，则判定手术对象体表与所述标定端接触的位置为实际孔位。将该计算机可读存储介质应用于一位置标定***并利用所述位置标定***在腹腔镜手术或胸腔镜手术或其他需要在手术对象身体上打孔的手术操作中时，可在术前快速、准确地确定手术对象体表的实际孔位，降低术前准备时间，也有利于增加后续手术过程中的操作空间。
第二、所述位置标定***还包括定位装置，所述定位装置可手动地在一第二影像设备的视野范围内沿手术对象体表移动，通过所述第二影像设备采集所述定位装置的第二图像信息，所述第二图像信息用于获取定位装置的标定端的位置，使得定位装置无需直接与控制单元进行信息交互，从而所述定位装置可被设置为无源设备，方便维护保养。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例所提供的位置标定***在手术对象体表确定实际孔位的场景示意图；
图2是本发明实施例中在手术对象的体表确定实际孔位时的流程图；
图3是图2所示流程图中的步骤S6的具体流程图；
图4是本发明实施例所提供的位置标定***的第一影像设备获取手术对象的第一体表信息和病灶信息时的示意图；
图5是本发明实施例所提供的位置标定***的控制单元建立的第一体征图像模型的示意图，图示中a)未显示病灶，b)显示了病灶；
图6是本发明实施例中在施术者在第一体征图像模型上规划预孔位的示意图，图示中a)为立体示意图，b)为平面示意图；
图7是本发明实施例所提供的位置标定***的第二影像设备获取第二体表信息时的示意图；
图8是本发明实施例所提供的位置标定***的控制单元建立的第二体征图像模型的示意图；
图9是本发明实施例所提供的位置标定***的控制单元对第一体征图像模型和第二体征图像模型进行图像配准时的示意图；
图10是本发明实施例所提供的的位置标定***的控制单元对第一体征图像模型和第二体征图像模型进行图像配准时的示意图，图示中仅示出了第一特征点和第二特征点；
图11是本发明实施例所提供的位置标定***的控制单元获取第二体征图像模型的目标孔位的过程示意图，其中a)所示是第一体征图像模型上的预孔位示意图，b)所示是第二体征图像模型上的预目标孔位示意图；c)所示是将第二体征图像模型的预目标孔位投影至第二体征图像模型中手术对象体表的示意图；d)所示是得到第二体征图像模型的目标孔位的示意图；
图12是本发明实施例所提供的位置标定***的第二影像设备识别定位装置的标定端在手术对象体表的位置时的示意图；
图13是本发明一实施例所提供的位置标定***的定位装置的结构示意图；
图14是本发明另一实施例所提供的位置标定***的定位装置的结构示意图；
图15是本发明再一实施例所提供的位置标定***的定位装置的结构示意图；
图16是本发明实施例所提供的手术机器人***的应用场景示意图。
图示中：
1-第一体征图像模型，10-预孔位，2-第二体征图像模型，20-目标孔位，30-预目标孔位，40-手术工具；
100-第一影像设备，200-第二影像设备，300-定位装置，301-标定端，302-辅助标定端，310-辅助标定部，320-接触部，330-第一杆体，340-第二杆体，350-第三杆体，400-显示装置，500-手术台车，600-手术执行***，610-机械臂。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
本发明的目的在于提供一种位置标定***，如图1、图5、图6及图11所示，所述位置标定***包括控制单元，所述控制单元被配置用于根据处于第一状态的手术对象的第一体表信息和病灶信息建立第一体征图像模型1，所述第一体征图像模型1用于规划预孔位；根据处于第二状态的手术对象的第二体表信息建立第二体征图像模型2；对所述第二体征图像模型2和所述第一体征图像模型1进行配准，以将所述第一体征图像模型1上的预孔位10转换为所述第二体征图像模型2上的目标孔位20；获取一在手术对象的体表移动的定位装置300的标定端301的位置，所述标定端301与手术对象的体表接触；判断所述标定端301的位置是否与所述目标孔位20相匹配，若是，则判定手术对象的体表与所述标定端301接触的位置为实际孔位。
所述位置标定***还包括第一影像设备100(如图1及图4所示)和第二影像设备200(如图1及图7所示)。通常情况下，在对手术对象执行手术操作前，需要通过第一影像设备100获取手术对象的第一体表信息和病灶信息，并构建包含有病灶模型的体征模型，以用于规划手术时的预孔位。之后再根据预孔位在手术对象体表寻找与所述预孔位相对应的位点进行打孔。本实施例中，所述第一体征图像模型1根据所述第一体表信息和所述病灶信息建立的，即所述第一体征图像模型1反应了手术对象体表与病灶之间的位置关系，故而医护人员可在所述第一体征图像模型上规划预孔位10。而所述第二体征图像模型反应的则是实际打孔时手术对象的体表特征，因此当所述控制单元判定所述标定端301的位置与所述第二体征图像模型上的目标孔位相匹配时，可判定手术对象体表与所述标定端301相接触的位点即为实际孔位。
实践中，在规划所述预孔位10时，手术对象的***与实际进行打孔时手术对象的***因各种原因存在偏差，例如在腹腔镜手术前，获取手术对象在未执行气腹操作时(即手术对象处于第一状态)的所述第一体表信息和所述病灶信息并据此构建所述第一体征图像模型，以及利用所述第二影像设备200获取气腹后的手术对象(此时手术对象处于第二状态)的第二体表数据以构建所述第二体征图像模型，此时手术对象的***因气腹而发生畸变，导致在第一体征图像模型上构建预孔位10不一定适用于手术对象气腹后的体征。因此本实施例利用两个体征图像模型来对预孔位进行优化，以得到目标孔位，并通过控制单元识别定位装置300的标定端301的位置来快速精确地获取实际孔位。本领域技术人员可理解，在其他类型的手术前，手术对象也可能因胀气、排便或位置移动等原因而导致***发生变化，后文中为便于描述一律以腹腔镜手术为例进行介绍。
请参考图2至图12，在一个非限制性的实施例中，利用所述位置标定***在手术对象的体表获取实际孔位的方法包括如下步骤：
步骤S1：利用所述第一影像设备100获取手术对象在气腹前的第一体表信息和病灶信息。
步骤S2：所述控制单元根据所述第一体表信息和所述病灶信息构建所述第一体征图像模型1。
步骤S3：在所述第一体征图像模型S1上规划所述预孔位10。
步骤S4：利用所述第二影像设备200获取手术对象在气腹后的第二体表信息。
步骤S5：所述控制单元根据所述第二体表信息构建所述第二体征图像模型2。
步骤S6：所述控制单元对所述第二体征图像模型2和所述第一体征图像模型1进行图像配准，以得到所述第二体征图像模型2上的目标孔位20。
步骤S7：驱使所述定位装置300移动，在移动过程中所述标定端301始终与手术对象体表保持接触，同时所述控制单元实时地获取所述标定端301的位置，并判断所述标定端301的位置是否与所述目标孔位20相匹配，若是，则判定手术对象体表与所述标定端301相接触的位点即为实际孔位，若否则继续驱使所述定位装置移动。
在其他实施例中，所述步骤S4可在所述步骤S2之前执行，所述步骤S5也可与所述步骤S2同时执行，本发明对此不作限定。
此外，本实施例对所述第一影像设备100和所述第二影像设备200的具体种类没有特别的限制，其中所述第一影像设备100可以是MRI机、CT机或其他X射线装置、或者B超，只要能够同时采集手术对象的体表信息和病灶信息即可，所述第二影像设备200可以是3D视觉***或其他能够采集手术对象体表数据且不会对所述定位装置300的移动产生干扰的设备即可。所述第二影像设备200包括但不限于双目视觉相机或结构光相机。
请参考图5及图8，所述控制单元在第一坐标系FL内建立所述第一体征图像模型1，在第二坐标系Fcam内建立所述第二体征图像模型2。
请参考图3，所述步骤S6中，所述控制单元首先执行步骤S61：对所述第一体征图像模1和所述第二体征图像模型2进行最大化相似计算，以得到所述第一坐标系FL和所述第二坐标系Fcam的转换矩阵
Figure BDA0002991368340000141
具体而言，如图9及图10所示，所述控制单元在所述第一体征图像模型1上提取若干个第一特征点X，以及在所述第二体征模型上提取若干个第二特征点Y，并对所有的所述第一特征点X和所有的所述第二特征点Y进行最大化相似计算，以得到所述转换矩阵
Figure BDA0002991368340000142
其中，所述控制单元通过最小化图像灰度值的误差平方和的方法来对所述第一特征点X和所述第二特征点Y进行最大化相似计算，公式如下：
Figure BDA0002991368340000151
式中，Image1表示所述第一体征图像模型，Image2表示第二体征图像模型，m表示所述第一特征点X的数量，n表示所述第二特征点Y的数量，i是小于或等于n的正整数，j是小于或等于m的正整数，ΩImage1(Xi)-ΩImage2(Tj(Yi))表示第i个所述第一特征点X与第j个所述第二特征点Y的灰度值的误差。
采用上述公式，使每一个所述第一特征点X遍历所有的所述第二特征点Y，以完成最大化相似计算。本领域技术人员熟知，图像配准技术是现有的成熟的图像处理方法，其有多种实现方式，只要能够获得所述第一坐标系FL与所述第二坐标系Fcam之间的转换矩阵
Figure BDA0002991368340000152
即可。此外，在进行图像配准时，只需要使每个所述第一特征点X和每个所述第二特征点Y进行最大相似计算，因此，本实施例对于手术对象在气腹后的摆位及手术台车500(用于承载气腹后的手术对象)的摆位没有要求，只要手术对象始终位于所述第二影像设备200的视野范围内即可。并且，当手术对象的摆位或所述手术台车500的摆位发生变化时，所述第二影像设备200实时获取摆位变化后(即新的第二状态)的体表信息以作为新的第二体表信息，所述控制单元根据所述新的第二体表信息构建新的第二体征图像模型，并对所述新的第二体征图像模型与所述第一体征图像模型进行图像配准。
接着，如图11所示，所述控制单元执行步骤S62：根据所述转换矩阵
Figure BDA0002991368340000161
将所述第一体征图像模型1上的预孔位10转换为所述第二坐标系Fcam中的预目标孔位30，从而所述预孔位10的坐标与所述预目标孔位30的坐标满足如下关系：
Figure BDA0002991368340000162
其中，
Figure BDA0002991368340000163
表示所述预孔位10在所述第一坐标系FL中的坐标，
Figure BDA0002991368340000164
表示所述预目标孔位30在所述第二坐标系Fcam中的坐标。
由于气腹前后手术对象腹部变形、***变化等原因造成手术对象的体表形态改变，因此所述控制单元还进一步地执行步骤S63：判断所述预目标孔位30是否在所述第二体征图像模型2的体表，若是，则判定所述预目标孔位30即为所述目标孔位20，若否，则将所述预目标孔位30沿第一方向
Figure BDA0002991368340000165
投影至所述第二体征图像模型2的体表以得到所述目标孔位20，此处所述的第一方向
Figure BDA0002991368340000166
是指所述预目标孔位20与所述第二体征图像模型2的体表到所述预目标孔位20的距离最小的点之间的连线方向。此时所述目标孔位20的坐标与所述预目标孔位30的坐标满足如下关系：
Figure BDA0002991368340000167
其中，
Figure BDA0002991368340000168
表示所述目标孔位20在所述第二坐标系Fcam内的坐标。
接着，驱使所述定位装置300移动，同时所述控制单元实时获取所述定位装置300上的所述标定端301的位置，并判断所述标定端301的位置是否与所述目标孔位20相匹配，若是，则判定手术对象体表与所述标定端301相接触的位点即为实际孔位。进一步地，所述控制单元实时获取所述标定端301在所述第二坐标系Fcam内的位置，并判断所述标定端301在所述第二坐标系Fcam内的位置是否与所述目标孔位重合，若是，则两者匹配，若否，则两者不匹配。
可选地，如图12所示，所述定位装置300在所述第二影像设备200的视野范围内移动，从而所述第二影像设备200可采集所述定位装置300的至少部分结构的图像信息(例如是所述定位装置300的标定端301的第一图像信息或后文中提及的定位装置300的辅助标定端302的第二图像信息)，并将所述图像信息发送至所述控制单元，所述控制单元根据所述图像信息得到所述标定端301在所述第二坐标系Fcam内的位置。这样一来，所述定位装置300与所述控制单元之间不直接进行数据交换，使得所述定位装置300可被设计成无源设备，方便维护保养。当然，在替代性的实施例中，所述定位装置也可直接与所述控制单元进行数据交换。
在一些实施例中，所述标定端301上设有标记物，所述第二影像设备200可识别所述标记物而获取所述标定端301的第一图像信息。如此所述图像信息包括所述标定端301的第一图像信息，以使所述控制单元200可直接获取所述标定端301在所述第二坐标系Fcam内的位置。本领域技术人员熟知，利用所述第二影像设备200采集到所述标定端301的信息，进而获取所述标定端301在所述第二坐标系Fcam内的位置是公知常识，此处不作详细介绍。
在另一些实施例中，所述定位装置300上还设置有p个辅助标定端302，p为大于或等于3的整数，且每个所述辅助标定端302与所述标定端301具有预定位置关系，该预定位置关系将在后文中结合所述定位装置300的详细结构详细介绍。这样一来，若因其他器械的遮挡，导致所述第二影像设备200所采集的所述定位装置300的图像信息上没有包括所述标定端301的第一图像信息，但包括了至少三个所述辅助标定端302的第二图像信息时，所述控制单元也可根据至少三个所述辅助标定端302的第二图像信息来获取所述标定端301在所述第二坐标系Fcam内的位置。详细而言，所述控制单元可先根据所述第二图像信息获取至少三个所述辅助标定端302在所述第二坐标系Fcam内的位置，然后再结合所述预定位置关系计算所述标定端301在所述第二坐标系Fcam内的位置。同样地，根据所述第二影像设备200所采集的所述辅助标定端302的第二图像信息以获得所述辅助标定端302在所述第二坐标系Fcam内的位置也是公知常识。
本发明实施例对所述定位装置300的结构不作限定，其可以有多种选择，例如在一个实施例中，如图13所示，所述定位装置300包括辅助标定部310和接触部320，其中所述辅助标定部310上设置所述辅助标定端302，所述接触部320与所述辅助标定部310连接，且所述接触部320远离所述辅助标定部310的一端设置有所述标定端301。更为详细地，所述辅助标定部310可为立方体结构，所述接触部320为杆状结构，所述杆状结构的一端与所述立方体结构的一个面的中心点连接。本实施例中，所述杆状结构的另一端上设置有所述标定端301，所述立方体结构的每一个顶点上均设置有一个所述辅助标定端302(即共设置了八个所述辅助标定端302)。或者，所述立方体结构包括一个第一面和五个第二面，其中所述第一面的中心点处连接有所述接触部。至少三个所述第二面上设置有所述辅助标定端302(如图14所示)，优选每个所述第二面上设置有至少一个所述辅助标定端302。又如，在另一个实施例中，如图15所示，所述定位装置300包括相互垂直且相交于一点的第一杆体330、第二杆体340和第三杆体350，也即任意两个杆体形成为“十”字型结构。其中所述第一杆体330的两端、所述第二杆体340的两端和所述第三杆体350的一端上分别设置有一个所述辅助标定端302，以及所述第三杆体350的另一端上形成有所述标定端301。可理解，所述标定端301及所述辅助标定端302处设置有标记物，所述第二影像设备200可识别所述标记物以获得相应的图像信息。
接着，以图13所示的定位装置300的结构为例来介绍所述预定位置关系。
以所述立方体结构的相互垂直的三条边的延伸方向作为坐标系的三条轴，以及这三条边的相交点位原点来建立第三坐标系Fcali。假定这三条边的长度分别为l1、l2及l3，杆状结构的长度为l4，那么八个所述辅助标定端302的在所述第三坐标系Fcali内的坐标分别为(0,0,0)、(l1,0,0)、(l1,0，l3)、(0,0，l3)、(0，l2,0)、(0，l2，l3)、(l1，l2,0)及(l1，l2，l3),所述标定端301在所述第三坐标系Fcali内的坐标为
Figure BDA0002991368340000191
在所述第三坐标系Fcali内，根据各个辅助标定端302与所述标定端301的坐标，可得所述预定位置关系。
在其他形式所述定位装置300中，也可通过同样的方法来确定每个所述辅助标定端302与所述标定端301的预定位置关系，此处不再赘述。
在进一步的改进方案中，所述控制单元被配置为在判定所述标定端301的位置与所述目标孔位20相匹配时产生第一提示信息，提示定位成功，以及在判定所述标定端301与所述目标孔位20不匹配且所述标定端301的位置与所述目标孔位20的距离在预定范围内时，产生第二提示信息，以提示继续移动所述定位装置300。同时所述手术机器人***还包括提示装置，所述提示装置与所述控制单元通信连接，用于接收所述第一提示信息和所述第二提示信息并进行提示。
在一些实施例中，所述提示装置可以是蜂鸣报警器，例如当所述标定端301与所述目标孔位20相匹配时，所述蜂鸣报警器发出第一频率和/或第一音调的警铃，而当所述标定端301与所述目标孔位20的距离在预定范围内，例如所述标定端301与所述目标孔位20的距离小于10mm时，所述蜂鸣报警器发出第二频率和/或第二音调的警铃。在另一实施例中，所述提示装置可以是不同颜色的指示灯，例如当所述标定端301的位置与所述目标孔位20相匹配时，所述提示装置的绿色指示灯亮，而当所述标定端301的位置与所述目标孔位20不匹配且所述标定端301到所述目标孔位20的距离在预定范围内时，所述提示装置的红色指示灯亮灯。在再一些实施例中，所述提示装置可以语音提示装置。在又一些实施例中，所述提示装置可以是显示装置400，其可以以文字的方式显示所述第一提示信息和/或所述第二提示信息。特别地，当所述提示装置为语音提示装置或显示装置400时，所述第二提示信息还可包括提示定位装置300的预期移动方向，有利于快速地完成定位。
本实施例中，所述定位装置300可以被配置为手持操作设备，由医护人员手持驱使其移动，因而在提示装置提示定位成功后，医护人员可手动对手术对象体表与所述标定端301相接触的位点进行标记，以作为后续的操作中的实际孔位。之后再进行下一个打孔位置的定位。但在其他实施例中，所述定位装置300也可通过机械手夹持，并驱动移动，且所述机械手可与所述控制单元通信连接，当所述控制单元判定所述标定端301的位置与所述目标孔位匹配时，所述控制单元可发送信号至所述机械手，以控制机械手停止运动，直至医护人员完成标记后，再重新控制机械手移动。
进一步地，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如前所述的手术机器人***的控制单元所执行的步骤。
进一步地，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和如前所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上存储的程序。
以及，本发明实施例还提供了一种手术机器人***，请参考图16，所述手术机器人***包括如上所述的位置标定***及手术执行***600；所述手术执行***600包括机械臂610，所述机械臂610用于连接手术工具40。其中所述位置标定***用于在手术对象的体表确定实际孔位，所述机械臂610用于控制所述手术工具40在所述实际孔位处进入手术对象体内以执行手术操作。
可以理解的是，所述手术机器人***可以是主从映射机器人***，也可以是非主从映射机器人***，本发明实施例对此不作限定。
更进一步地，本发明实施例还提供了一种孔位规划方法，包括前述的控制单元规划所述目标孔位时所执行的步骤，以及将所述目标孔位指引至手术对象体表时所执行的步骤。
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，当所述程序被执行时，执行以下步骤：
根据处于第一状态的手术对象的第一体表信息和病灶信息建立第一体征图像模型；所述第一体征图像模型用于规划预孔位；
根据处于第二状态的手术对象的第二体表信息建立第二体征图像模型；
对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行图像配准，以将所述第一体征图像模型上的所述预孔位转换为所述第二体征图像模型上的目标孔位；
获取一在手术对象的体表移动的定位装置的标定端的位置信息，所述标定端与手术对象体表接触；
判断所述标定端的位置信息是否与所述目标孔位相匹配，若是，则判定手术对象体表与所述标定端接触的位置为实际孔位。
2.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述第二体征图像模型位于第二坐标系内；所述程序用于执行如下步骤以获取所述实际孔位：
根据所述标定端的第一图像信息获取所述标定端在所述第二坐标系内的位置信息；
判断所述标定端在所述第二坐标系内的位置信息是否与所述目标孔位相匹配。
3.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述第二体征图像模型位于第二坐标系内；所述定位装置上设有p个辅助标定端，p是大于或等于3的整数，每个所述辅助标定端与所述标定端之间具有预定位置关系；
所述程序执行如下步骤以获取所述实际孔位：
根据所述定位装置的第二图像信息获取至少三个所述辅助标定端在所述第二坐标系内的位置，并根据至少三个所述辅助标定端在所述第二坐标系内的位置以及所述预定位置关系获取所述标定端在所述第二坐标系内的位置；
判断所述标定端在所述第二坐标系内的位置信息是否与所述目标孔位相匹配。
4.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述第一体征图像模型位于第一坐标系内，所述第二体征图像模型位于第二坐标系内；
所述程序执行如下步骤以获取所述目标孔位：
在所述第一体征图像模型上提取第一特征点以及在所述第二体征图像模型上提取第二特征点；
对所述第一特征点和所述第二特征点进行最大化相似计算，并得到所述第一坐标系和所述第二坐标系的转换矩阵；
根据所述转换矩阵将所述第一体征图像模型上的所述预孔位转换为所述第二坐标系内的预目标孔位；
判断所述预目标孔位是否在所述第二体征图像模型的体表，若是，则判定所述预目标孔位为所述目标孔位，若否，则将所述预目标孔位沿第一方向投影至所述第二体征图像模型的体表，得到所述目标孔位；所述第一方向是所述预目标孔位与所述第二体征图像模型的体表上到所述预目标孔位的距离最小的点的连线方向，且所述第一方向指向所述第二体征图像模型的体表。
5.根据权利要求4所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序采用最小化图像灰度值的方式对对所述第一特征点和所述第二特征点执行最大化相似计算。
6.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述程序判定所述标定端的位置与所述目标孔位相匹配时，所述程序还执行如下步骤：产生第一提示信息，以提示匹配成功；和/或
当所述程序判定所述标定端的位置与所述目标孔位不匹配且所述标定端的位置与所述目标孔位的距离在预定范围内时，所述程序还执行如下步骤：产生第二提示信息，所述第二提示信息包括所述定位装置的预期移动方向。
7.一种电子设备，包括处理器和如权利要求1-6中任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
8.一种位置标定***，其特征在于，包括控制单元及定位装置，所述定位装置上设有标定端，所述标定端的位置信息用于在手术对象的体表进行孔位标定，所述控制单元用于实现如权利要求1-6中任一项所述的程序所执行的步骤。
9.根据权利要求8所述的位置标定***，其特征在于，所述控制单元还用于产生提示信息以提示所述定位装置的标定端的位置信息与所述目标孔位匹配或不匹配。
10.根据权利要求9所述的位置标定***，其特征在于，所述***还包括提示单元，所述提示单元与所述控制单元通信连接，用于显示所述提示信息。
11.根据权利要求8所述的位置标定***，其特征在于，所述位置标定***包括第二影像设备，所述第二影像设备与所述控制单元通信连接；所述定位装置在所述第二影像设备的视野范围内移动且所述标定端上设有标记物，所述第二影像设备识别所述标记物以获取所述标定端的第一图像信息；所述控制单元根据所述第一图像信息获取所述标定端的位置信息。
12.根据权利要求11所述的位置标定***，其特征在于，所述定位装置上包括P个辅助标定端，P是大于或等于3的整数，且每个所述辅助标定端与所述标定端具有预定位置关系；所述辅助标定端上设有标记物，所述第二影像设备识别所述标记物以获取所述辅助标定端的第二图像信息；所述控制单元根据所述第二图像信息获取所述标定端的位置。
13.根据权利要求12所述的位置标定***，其特征在于，所述定位装置包括辅助标定部和接触部；所述辅助标定部上设有所述辅助标定端；所述接触部与所述辅助标定部连接，且所述接触部远离所述辅助标定部的一端形成为所述标定端并用于在位置标定过程中接触手术对象体表。
14.根据权利要求13所述的位置标定***，其特征在于，所述辅助标定部包括立方体结构，并包括一个第一面和五个第二面；所述接触部为杆状结构，且所述接触部的一端连接于所述第一面的中心点处，另一端形成为所述标定端；
至少三个所述第二面上形成有所述辅助标定端；或者，所述辅助标定部的至少三个顶点处形成所述辅助标定端。
15.根据权利要求12所述的位置标定***，其特征在于，所述定位装置包括相互垂直并相交于一点的第一杆体、第二杆体和第三杆体；其中所述第一杆体的两端、所述第二杆体的两端及所述第三杆体的一端形成为所述辅助标定端，所述第三杆体的另一端形成所述标定端。
16.根据权利要求8所述的位置标定***，其特征在于，所述位置标定***还包括第一影像设备和第二影像设备，所述第一影像设备和所述第二影像设备均与所述控制单元通信连接；所述第一影像设备用于获取处于第一状态的手术对象的第一体表信息和病灶信息，所述第二影像设备用于获取处于第二状态的手术对象的第二体表信息。
17.根据权利要求16所述的位置标定***，其特征在于，所述第一影像设备包括MRI机、X射线装置或B超中的任一种；所述第二影像设备包括双目视觉相机或结构光相机。
18.一种手术机器人***，其特征在于，所述手术机器人***包括如权利要求8-17任一项所述的位置标定***以及手术执行***；所述手术执行***包括机械臂，所述机械臂用于连接手术工具，所述位置标定***用于在手术对象的体表确定实际孔位，以供机械臂控制所述手术工具在所述实际孔位处进入手术对象体内。
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