CN115624385B - 术前空间配准方法及装置、计算机设备、存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种踝关节手术机器人***的术前空间配准方法，涉及手术机器人图像配准，具体实现方案为：以光学定位***为空间配准核心，通过计算机械臂的基坐标系与光学定位***坐标系、光学定位***坐标系与病灶坐标系、病灶坐标系与三维图像坐标系的变换矩阵，以计算出机械臂的基坐标系与三维图像坐标系之间的变换矩阵。也即基于光学定位***的空间配准方法，将病灶空间位置映射到机械臂的基坐标系，为机器臂末端的工具精确定位病灶奠定基础，同时实现三维图像与真实场景下踝关节空间姿态配准，以便外科医生使用三维医学图像制定踝关节手术方案，合理规划手术路径。

Description

术前空间配准方法及装置、计算机设备、存储介质
优先权申请
本申请要求2022年9月19提交的中国发明专利申请【2022111369349】“【一种踝关节手术***术前空间配准方法、装置】”的优先权，以及2022年 9月19日提交的中国发明专利申请【2022111362405】“【一种踝关节手术机器人***】”的优先权，该两个优先权发明专利申请以引用方式全文并入。
技术领域
本发明涉及一种骨科手术机器人，尤其是一种应用于踝关节手术机器人***的术前空间配准方法及装置、术前空间配准的计算机设备及存储介质。
背景技术
踝关节的距骨骨软、骨损伤是运动医学中常见的疾病，常见的手术治疗方案括关节镜下骨髓刺激、自体软骨细胞植入、自体骨膜与骨复合体移植、同种异体骨软骨移植或同种异体青少年软骨微粒移植等。关节镜下骨髓刺激技术(特别是微骨折)适用于较小的病灶，自体骨膜、骨复合体移植常用于伴有较大囊性病变的距骨骨软骨损伤患者。
针对目前医疗手术规划***功能较为单一、对于关节等复杂解剖结构分割重建的模型精度以及病灶识别的精度较低、手术过程规划严重依赖医生经验，自动化处理能力不强、且无法对手术方案进行自主分析评价等问题。因此，需要一种可提高准确性、安全性及可重复性的新方法引入到踝关节手术中。随着计算机性能、人工智能技术的提高与医学影像技术的发展，使得基于光学图形导航的技术广泛应用于各种疾病治疗中；而机器人具有精度高、定位准、稳定性好及重复性好等优点，其广泛应用于医疗过程。目前，国内还没有专门用于踝关节修复的手术机器人***，也没有提出一种专门针对踝关节手术机器人***的术前空间配准方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种踝关节手术机器人***的术前空间配准方法及装置，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够快速地进行空间配准，缩短了整个手术耗费时长。
为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：
本发明的第一方面在于，提供一种踝关节手术机器人***，包括：
机械臂，用于通过所述机械臂末端安装的手术器具执行踝关节手术方案；
光学定位***，用于进行所述机械臂与患者足部三维图像之间的图像配准、机械臂与病灶之间的定位；其中，所述三维图像是术前预先对患者足踝胫骨进行CT扫描，并基于CT数据所构建的，且CT扫描前，通过克氏针在所述患者足踝的病灶处安装第一定位工具E1，而CT扫描时需将所述第一定位工具E1一同扫描；
手术床，用于固定患者足踝位姿，保证足踝位姿在术中固定不变；所述手术床包括手术床本体，以及用于使得所述患者足部在手术过程中保持相同足部姿态和相同位置的足部定位机构，所述足部定位机构可拆卸地安装在手所述术床本体上；
工作站，用于根据所述三维图像进行术前手术方案规划、手术导航及控制所述机械臂执行所述手术方案；
其中，所述机械臂末端的所述手术器具包括：
用于切割胫骨以完全暴露位于距骨末端的病灶的第一手术器具；
用于清除病灶，并在所述病灶位置形成孔洞的第二手术器具；
用于在所述患者胫骨提取骨膜-骨复合体的第三手术器具，其包括骨膜分割器具、骨膜下层骨提取器具；
用于将骨膜-骨复合体置入所述孔洞换移植器具未第四手术器具；
用于打入胫骨末端以形成复位孔的第五手术器具。
在一些实施例中，所述足部定位机构包括L形的足部定位板，以及用于将所述足部定位板可拆卸地连接在所述手术床本体上的连接部件。采用L形的足部定位板，是为了顺应踝关节的特殊结构，以使得患者踝关节能够保持在一个既具有一定舒适度，又利于机械臂进行胫骨切割，以及后续操作的角度，也即在舒适度和手术操作便利性的两者之间取平衡。
在一些实施例中，所述工作站包括：
数据通信模块，用于与CT扫描设备进行数据通信，以获取所述三维图像；
手术方案规划模块，用于基于所述三维图像进行病灶识别，匹配到相应的手术方案；
手术方案执行模块，用于控制所述机械臂执行所述手术方案。
在一些实施例中，所述手术方案执行模块具体包括：
切割模块，用于当所述机械臂更换好所述第一手术器具时，控制所述机械臂利用所述第一手术器具切割胫骨以准确、完全暴露位于距骨上的病灶；
清除病灶模块，用于当所述机械臂更换好所述第二手术器具时，控制所述机械臂利用所述第二手术器具清除病灶，并在所述病灶位置形成孔洞；
移植体提取模块，用于当所述机械臂更换好所述第三手术器具时，控制所述机械臂利用所述第三手术器具进行在所述患者胫骨提取健康的骨膜-骨复合体。
本发明的第二方面，在于提供一种踝关节手术机器人***的控制方法，其基于上述的踝关节手术机器人***，相应地，所述控制方法具体包括步骤：
响应于用户的第一操作，控制CT扫描装置对患者的足踝，以及预先安装在所述足踝病灶处的第一光学定位工具E1进行CT扫描，并基于扫描得到的CT数据重建所述足踝的三维图像；
响应于用户的第二操作，控制光学定位***进行术前空间配准，包括机械臂与病灶的定位、所述机械臂与所述三维图像配准；其中，空间配准过程中，所述患者的足踝在手术床上通过足部定位机构保持固定的足踝位姿；
响应于用户的第三操作，调用手术规划***基于所述三维图像匹配相应的踝关节手术方案；
响应于用户的第四操作，控制所述手术机器人***中所述机械臂执行所述手术方案。
在一些实施例中，控制所述手术机器人***中机械臂执行所述手术方案的步骤，具体包括：
控制所述机械臂通过预先安装在末所述机械臂端的打孔工具在患者胫骨打两复位孔；
控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第一手术器具对胫骨进行切割，以准确、完全地暴露位于距骨的病灶；
控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第二手术器具对距骨病灶进行清除操作并形成孔洞；
控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第三手术器具在胫骨分割指定大小的骨膜，并在分割骨膜的位置提取骨膜下层的骨完成骨膜-骨移植物提取。
在一些实施例中，控制所述手术机器人***中机械臂执行所述手术方案的步骤，还包括：控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第四手术器具将所述骨膜-骨移植物填充到距骨上病灶处的孔洞中。
在一些实施例中，控制所述手术机器人***中机械臂执行所述手术方案的步骤，还包括：控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第五手术器具切开胫骨，以通过两个复位孔利用螺丝复位胫骨。
本发明的第三方面在于，提供了一种踝关节手术机器人***的术前空间配准方法，其中该踝关节机器人***采用上述的踝关节机器人***，相应地，该术前空间配准方法包括步骤：
分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的基坐标系 {B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的基坐标系之间的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3， 3]；
计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，并基于所述第二定位工具E2的坐标系{E}分别与所述机械臂的基坐标系{B}和所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TBE、TEO，计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪的坐标系{O}分别与所述机械臂的所述基坐标系{B}和所述第一定位工具E1的坐标系{P}之间的变换矩阵TBO、TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
获取患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系 {V}，并计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述三维图像中的所述第一定位工具E1的所述虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系之间的变换矩阵 TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
在一些实施例中，所述第一定位工具E1的支架为非金属材料。
在一些实施例中，所述第二定位工具E2的支架为金属支架或者非金属支架。
在一些实施例中，计算第一定位工具E1的坐标系{P}与光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP的步骤之前，还包括步骤：保持患者病灶、所述机械臂与所述光学定位仪相对位置固定，且直至手术结束。
本发明的第四方面在于，提供了一种踝关节手术机器人***的术前空间配准装置，其包括：
数据获取模块，用于分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系 {B}；
第一计算模块，用于计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的所述基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
第二计算模块，用于计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，以及计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO＝TBETEO；
第三计算模块，用于计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；
病灶定位模块，基于所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO、所述第一定位工具E1的坐标系{P} 与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵 TBP＝TBETEOTOP，从而实现病灶定位；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
图像配准模块，用于计算用于定位真实空间病灶的所述第一定位工具E1的坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV，从而实现图像配准；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
在一些实施例中，所述第三计算模块计算所述第一定位工具E1 的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP过程中，所述患者病灶、所述机械臂与所述光学定位仪相对位置固定，且直至手术结束。
本发明的第五方面在于，提供了一种进行踝关节术前空间配准的计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行一种术前空间配准方法，该方法包括：
分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的所述基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO；并基于所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE、所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO、所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系之间的变换矩阵 TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
本发明的第六方面在于，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上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行一种术前空间配准方法，所述方法包括：
分别获取光学定位仪坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的所述基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，并基于所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE、所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO、所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
计算真实空间中所述第一定位工具E1的坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
本发明的有益效果：
本发明的术前空间配准方法，通过将安装在机械臂末端的第二定位工具 E2的坐标系与机械臂基坐标系的欧拉角设置为N×90°，使得当安装该第二定位工具E2后，即可快速的计算该第二定位工具E2的坐标系与机械臂基坐标系之间的变换矩阵，从而快速进行空间配准，缩短了整个手术耗费时长，尤其是在整个手术中，患者踝关节需要保持一个固定的足部姿态，缩短手术时长意味着缩短患者足部固定姿态的时长，大大降低了患者的压力，提高了舒适度和用户体验。相较于每次手术前都通过将机械臂和第二定位工具进行多种运动，并根据多种运动轨迹来构建方程组，以求解得到坐标系与机械臂之间的变换矩阵，这不仅使得整个手术耗费时长增加，而且对***计算性能的要求也高，相应地，造价成本和手术成本也相应增加。
本发明的空间配准方法、装置，基于光学定位***，计算机械臂与病灶以及三维图像与真实空间(或真实场景)中病灶的变换矩阵，以此建立机械臂的基坐标系与三维图像坐标系空间配准，为外科医生或手术规划***基于三维图像制定/匹配手术方案和机械臂精确执行手术方案奠定基础。
本发明基于术前病灶医学图像进行三维重建，在踝关节三维模型上开展手术方案规划、模拟、手术风险评估等，解决了关节手术过程中精准性、可靠性等问题；采用具有高稳定性、重复性与高精度机械臂执行手术步骤，减少对患者的二次创伤，提高手术成功率。
传统踝关节手术中，通常是由相应的手术人员来切割胫骨以暴露位于距骨上的病灶，然而，一方面，由于手术人员并不能够直观地观察到踝关节的内部结构，也无法直观、精准地找到病灶位置；另一方面，由于不同的手术人员经验不同，切割的精准性也难以保证，也即是说完全依赖于手术人员的经验，因此，人工切割很容易使得并不能够完全暴露病灶，或者切割位置有所偏差，这就使得后续清除病灶时还需要其他人员辅助按压或转动患者足部，从而暴露出完整的病灶。而本发明预先利用光学定位标记定位了病灶位置，并通过光学定位***将病灶与机械臂配准，从而控制机械臂精准地定位病灶，并精准地进行切割胫骨，以准确、完成地暴露出病灶。
本发明通过设置足部定位机构，使得患者在整个手术过程中都能够在同一位置保持相同的足部姿态，从而无需在手术过程中无需实时进行CT扫描，并根据CT扫描结果来实时校正或更改机械臂的手术路径，进而大大降低了手术的成本，也更适用于整个手术***的推广应用。虽然在手术过程中进行实时的CT 扫描可以保证手术过程中的精准性，但进行实时扫描和实时更改机械臂手术路径的方式，必然会大大增加每次手术的成本，大大增加了患者的负担，也有碍于整个手术的推广和应用。
附图说明
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一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***的框架原理图；
图2为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***的结构示意图；
图3为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***中手术床与足部定位机构的示意图；
图4为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***的工作原理图；
图5为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***应用于具体踝关节手术的原理图；
图6a为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***的术前配准方法的原理图；
图6b为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***的术前配准方法的流程图；
图7为本发明一示例性实施例的踝关节手术机器人***的术前配准装置的功能模块图；
图8为本发明的一示例性实施例的光学定位工具的支架结构示意图。
图中标记：1机械臂(或手术机器人)、2手术器具、3手术床本体、4 足部定位板、5光学定位仪、6连接部件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。
本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。
本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本文中“足部姿态”是指患者膝关节、踝关节的中心在一条直线上时，踝关节进行背屈、跖屈、内翻和外翻等动作时的脚部的姿势。相应地，“足部姿态不变”是指患者膝关节、踝关节的中心在一条直线上时，踝关节没有进行背屈、跖屈、内翻和外翻中的任一动作以引起脚部姿势的变化。
实施例1：如图1、图2所示，本发明包括机械臂1、光学定位***、手术床以及控制***(或工作站)。
机械臂1用于在工作站的控制下，通过末端安装的手术器具执行预先匹配到的踝关节手术方案；本实施例中，机械臂1优选内置有力矩反馈模块的7 轴机械臂，所述机械臂1末端安装有手术器具，例如多功能手术用电钻等，具体手术器具的种类选择可根据实际需求进行选用。由于需要实现自体骨膜、骨复合体移植，在踝关节手术过程中，根据踝关节手术特点，在手术过程中要使用：
用于切割胫骨以准确、完全的暴露位于距骨上的病灶的第一手术器具，如摆锯；
用于清除病灶，并在所述病灶位置形成孔洞的第二手术器具，如铣刀；
用于在所述患者胫骨提取健康的骨膜-骨复合体第三手术器具；所述第三手术器具包括骨膜分割器具如圆口环锯、骨膜下层骨提取器具如锯齿环锯；
用于将所述第一器具所切割的所述胫骨进行复位的第四手术器具；
用于打入胫骨末端形成复位孔的第五手术器具,如定位针；
用于打入患者胫骨上，并预先设置有病灶光学标记的第六手术器具，如克氏针。
在另一些实施例中，该手术器具还包括将所述骨膜-骨复合体置入所述病灶位置处孔洞的移植器具，如推杆。
7轴机械臂活动度高可进行各种精细的动作，适合踝关节手术的需要，同时力矩反馈模块用于反馈各关节的力矩，方便控制力度。
光学定位***用于根据患者足部的三维图像(或三维模型，包括：第一定位工具E1的三维模型)进行机械臂与三维图像之间的图像配准，以保证机械臂精准定位患者踝关节处的病灶。其中，可通过CT扫描仪扫描患者足部以获取足部的CT数据，从而基于该CT数据重建三维图像。
具体地，该光学定位***包括：术前固定在打入患者足部的克氏针上的第一光学定位工具E1、术前固定在机械臂末端的第二光学定位工具E2、光学定位仪5。其中，光学定位仪5将病灶空间位置(例如，用于定位真实空间中病灶位置的第一光学定位工具E1的坐标系)映射到真实空间中机械臂的基坐标系，从而为机械臂末端的手术器具精确定位病灶奠定基础，同时，从CT扫描仪中获取CT数据进行足部的三维图像重建，并实现该三维图像与真实空间下踝关节空间姿态配准，即图像配准。
CT扫描仪用于扫描患者足部获取足部的CT数据，然后基于该CT数据重建医学三维图像，便于基于该足部三维模型进行病灶测量、手术方案制定、模拟、风险评估等。在一些实施例中，该手术方案制定可以是根据具体的病灶位置和情况在手术方案库中自动匹配到的(例如预先通过神经网络模型训练使得该神经网络模型能够自动根据病灶的位置和病情匹配到相应的手术规划方案)，也可以是由医生现场输入的。
对于执行踝关节手术的机械臂1来讲，必须要将真实空间的病灶位置映射到机械臂基坐标系下，机械臂1才能根据规划的手术方案进行相应的手术操作。因此为了实现机械臂末端精确定位病灶，分别在打入患者足部的克氏针上设置光学定位标记(即第一光学定位工具E1)以及机械臂末端设置光学定位标记(即第二光学定位工具E2)，然后进行机械臂基坐标系与光学定位仪的坐标系、光学定位仪的坐标系与表征真实空间中病灶位置的光学定位标记的坐标系之间的矩阵变换来实现精确定位病灶。而定位病灶的光学定位标记、机械臂1末端的光学定位标记和光学定位仪三者在真实空间的坐标系都是已知的，机械臂在真实空间的基坐标系也是已知的，因此可计算出真实空间中定位病灶的光学定位标记的坐标系与机械臂的基坐标系之间的转换矩阵，从而将病灶位置转换到机械臂 1的坐标系下。具体地的配准方法可采用本领域常用的配准算法，也可采用本发明针对踝关节手术机器人控制***所提出的空间配准算法。
由于病灶一般位于踝关节的距骨末端，被胫骨所遮挡，为了清除病灶，需要先切割胫骨以暴露病灶，因此需要先在胫骨上打入定位克氏针，再将光学定位标记(即第一光学定位工具E1，参见图4)安装在克氏针上。本实施例中，病灶光学定位标记为固定在打入患者足部的克氏针上的四个被动反射球，具体地，被动反射球利用非金属支架(如图8所示)固定在克氏针上。之所以选用非金属支架是由于避免在CT扫描中造成影响。
机械臂光学定位标记(即第一光学定位工具E1，参见图4)为固定在机械臂末端被动反射球，具体地，该被动反射球同样利用支架固定在机械臂末端。该支架采用金属或者非金属均可。
手术床用于安置患者并将患者需手术的足部进行固定；具体包括手术床本体3以及用于对患者足部进行定位的足部定位机构，所述足部定位机构可拆卸地安装在手术床本体3上。足部定位机构包括L形的足部定位板4以及用于将足部定位板4可拆卸地连接在手术床本体3上的连接部件6。
L形的足部定位板4用于保持患者足部的姿态，以便进行CT扫描直至手术结束足部姿态都不发生改变，并且顺应于患者足部的结构，在保证患者舒适度的同时，为后续切割胫骨提供足够的操作空间。使用的时候，将患者足部和小腿置于足部定位板4上，再通过束带捆绑等方式进行紧固使其不发生改变。
进行CT扫描后，通过连接部件6将足部定位板4固定在手术床本体 3上。连接部件6的形式是多种多样的，可以是卡扣式也可以是螺栓式或者其他任何形式，只要能保证足部定位板4与手术床本体3的相对位置不变且可拆卸即可。足部定位板4本身的作用是保证足部姿态不发生变化，而其固定在手术床本体1上的目的在于保证标定后足部位置不发生变化。进一步地，该连接部件6 还可采用导轨的形式，相应地，在L型的足部定位板上设置相应的夹持式的滑块，使得该足部定位板可在该导轨上滑动，且滑动至控制***配准的位置时，将其锁定(例如，可通过螺钉将该夹持式滑块紧固夹持在导轨上)即可，从而适应于不同腿长的患者；另一方面，也使得手术过程中，患者可适当移动腿部，以缓解长时间保持一个姿态时的不适感；同时，该导轨上设置有刻度，从而可将患者足部移动录入工作站，工作站根据足部移动的位移重新校准足部三维模型和机械臂之间的位置，以及校正手术方案中的手术路径等。当然，在另一些实施例中，也可在该滑块或导轨上设置相应的位移传感器，从而由该位移传感器来检测手术过程中患者足部所移动的位移，并反馈至工作站，然后由工作站根据该位移进行校准。
然后启动光学定位仪5扫描病灶光学定位标记和机械臂光学定位标记完成标定后即可开始手术。
另外，本实施例中，光学定位仪优选近红外光学定位仪。
控制***(或工作站)用于从CT扫描仪中获取到患者足部的CT数据，并基于该CT数据重建足部的三维图像，并控制光学定位***及机械臂工作，具体地，包括数据通信模块，用于与CT扫描设备进行数据通信，以获取CT数据，并重建三维图像；以及与光学定位***和机械臂进行数据通信；手术方案规划模块，用于基于三维图像进行病灶识别，匹配到相应的手术方案(具体地，可自动匹配数据库中的手术方案，或者匹配到医生现场规划的手术方案)；手术执行模块，用于控制机械臂执行该手术方案。
具体地，控制机械臂的手术执行模块包括：
切割模块，用于当机械臂更换好所述第一手术器具时，控制机械臂利用所述第一手术器具切割胫骨以准确、完全暴露位于距骨上的病灶；
清除病灶模块，用于当机械臂更换好所述第二手术器具时，控制机械臂利用所述第二手术器具清除病灶，并在所述病灶位置形成孔洞；
移植体提取模块，用于当机械臂更换好所述第三手术器具时，控制机械臂利用所述第三手术器具进行在所述患者胫骨提取健康的骨膜-骨复合体。
在一些实施例中，更换手术器具可由人工更换，或者采用专用的机械臂进行更换，且更换好后手动校准该手术器具的位置；当然更换之后，机械臂会发送相应的反馈信号给控制***(或工作站)，以通知其更换好相应的手术器具，然后控制***控制机械臂继续执行该手术方案。
在另一些实施例中，该手术执行模块还包括：用于控制机械臂更换第一手术器具的第一更换器具模块、用于控制机械臂更换第二手术器的第二更换器具模块、用于控制机械臂更换第三手术器具的第三更换器具模块、用于控制机械臂更换第四手术器具的第四更换器具模块。具体地，当机械臂执行完一个环节(例如，切割好胫骨)时，会反馈给控制***，则该控制***通过相应的更换器具模块发送一个控制信号给机械臂以控制其从手术工位切换到更换器具的工位上，以准备更换手术器具；且当控制***接收到更换好手术器具的反馈信号时，也通过相应的更换器具模块发送一个控制信号给机械臂以控制其从更换器具的工位回到手术工位，而机械臂切换到相应的工位都会有个反馈信号反馈给控制***，使得控制***准确掌握机械臂的位置、状态等。
控制***可根据CT扫描仪扫描到的CT数据构建足部三维模型，并通过AI等手段自动识别病灶。基于三维模型可进行病灶测量、手术方案制定、模拟、风险评估等。同时控制***还作为控制器控制光学定位***进行标定，控制机械臂执行手术。
参见图4和图5，本实施例的上述踝关节机器人***的工作原理如下：
术前分别在患者胫骨设置定位病灶的第一光学定位工具E1(即光学定位标记)，以及在机械臂末端安装第二光学定位工具E2(即光学定位标记)；具体地，由手术操作者在患者需要手术的足部距骨上打入用于定位的克氏针，并将病灶光学定位标记(即第一定位工具E1)安装到该克氏针上；当然，也有手术操作者或其他协助人员在机械臂末端安装该第二定位工具E2；
将患者足部固定在上述L形的足部定位板4上后进行CT扫描；
根据CT扫描的CT数据构建足部三维模型(该足部三维模型包括上述克氏针上光学定位标记(即第一光学定位工具E1)的三维模型)；
将足部定位板4连同患者足部固定在手术床本体3(即专用手术床) 上，使其在术中保持固定的足部姿态；
利用光学定位仪对病灶光学定位标记(即第一光学定位工具E1)与机械臂末端的光学定位标记(即第一光学定位工具E1)进行扫描，以获取二者在光学定位***中的各自的坐标系，并基于光学定位***中光学定位仪的坐标系与两个定位标记的坐标系之间的转换关系，以及机械臂基坐标系与第二光学定位工具E2的坐标系之间的转换关系，也即坐标系传递来获得机械臂与固定在病灶位置的第一光学定位工具E1之间的坐标系转换关系，从而将真实空间的病灶位置映射到机械臂的基坐标系下，然后再结合病灶位置的第一光学定位工具E1的坐标系与三维模型中该第一光学定位工具E1的虚拟坐标系之间的转换关系，从而实现图像配准，即将机械臂、定第一光学定位工具E1、第二光学定位工具E2 和足部三维模型进行图像配准；
由手术规划***根据足部三维图像制定手术方案；具体地，该手术方案(也即工艺文件)包括病灶位置、手术路径规划等数据；
控制***从该手术规划***中获取该手术方案，并控制机械臂1执行该手术方案，具体地，包括以下步骤：
根据手术方案控制机械臂在胫骨末端打定位针两次，生成两个复位孔；
当机械臂末端的手术器具更换为：摆锯后，控制机械臂对胫骨进行切割，以暴露位于距骨的病灶；在一些实施例中，可以手动更换，也可控制专门更换工具的机械臂来自动更换该手术机械臂末端的工具；
当机械臂末端的手术器具更换为：铣刀后，控制机械臂对距骨病灶进行清除操作；
当清除好病灶后，控制机械臂取自体骨膜-骨移植物。
在一些实施例中，每次更换手术器具之后，可由相应的工作人员进行手动的进行机械臂末端和手术器具的校准，使得手术器具安装到位。
在一些实施例中，机械臂按照手术方案每执行完一个环节时，都会反馈相应的反馈信号给控制***。
当然机械臂完成上述手术过程后，由手术操作者将骨膜-骨移植物置入病灶位置，并手工复位切割开的胫骨，通过在两个复位孔上螺丝复位胫骨。
在另一些实施例中，也可由控制机械臂将骨膜-骨移植物置入病灶位置；具体地，由于移植过程较为复杂，因为机械臂可在该手术操作者辅助下，完成移植。
在一些实施例中，上述的控制机械臂取自体骨膜-骨移植物的步骤，具体包括步骤：
当手术操作者手工复位切割开的胫骨，通过在两个复位孔上螺丝复位胫骨，且机械臂末端的手术器具更换为：圆口环钻后，控制机械臂在胫骨分割指定大小骨膜；
当机械臂末端的手术器具更换为：锯齿环钻后，控制机械臂在取骨膜的同一位置提取骨膜下层的骨，完成骨膜-骨移植物一体化提取。
实施例2:基于上述的踝关节手术机器人***，本发明还提供了一种踝关节手术机器人***的控制方法，下面结合具体实施例和附图进行详细说明。
在一些实施例中，控制***控制机械臂执行该手术方案的控制方法具体包括步骤：
(1)响应于用户的第一操作，控制CT扫描装置对患者的足踝，以及预先安装在足踝病灶位置的第一光学定位工具E1进行CT扫描，并基于扫描得到的CT数据重建足踝的三维图像。
在一些实施例中，该第一操作是指工作人员在工作站的用户界面上触发相应的功能选项，使得该工作站发送一个控制指令给CT扫描装置，以控制其进行扫描。
(2)响应于用户的第二操作，控制光学定位***进行术前空间配准，包括机械臂与病灶配准(即将真实空间的病灶位置(如第一定位工具E1的坐标系)映射到机械臂的基坐标系下)、医学图像配准(即通过第一定位工具E1在真实空间的坐标系，以及其在三维模型的虚拟坐标系之间的传递，将其虚拟坐标系映射到机械臂的基坐标系下)；其中，空间配准过程中，患者的足踝在手术床上保持固定的足踝位姿。
在一些实施例中，该第二操作是指工作人员在工作站的用户界面上触发相应的功能选项(例如，空间配准，以及手术方案规划)，使得该工作站发送一个控制指令给光学定位***，使其进行术前空间配准。
(3)响应于用户的第三操作，调用手术规划***制定踝关节手术方案，然后对所述手术方案进行模拟。
在一些实施例中，该第三操作是指工作人员在工作站的用户界面上触发相应的功能选项(例如，手术方案规划)，使得工作站发送一个控制指令给手术规划***，以触发其进行手术方案规划和模拟。
(4)响应于用户的第四操作，控制所述手术机器人***中机械臂执行所述手术方案。
在一些实施例中，该第四操作是指工作人员在工作站的用户界面上触发相应的功能选项(例如，执行手术方案)，使得该工作站根据该手术方案发送相应的控制指令给机械臂，以控制机械臂按照手术方案进行操作。
具体地，控制手术机器人***中机械臂执行手术方案的步骤，包括：
(41)依据手术方案生成在胫骨打入定位针的控制指令，以控制机械臂在患者胫骨末端打定位针两次，生成两个复位孔。
在一些实施例中，该机械臂上预装有定位针，具体地，可由工作人员手动安装或通过更换器具的其他机械臂自动安装都可，由于预先已经进行了配准，因此，安装定位针或后期更换器具过程中，尽量保证不移动机械臂的位置，当更换器具后都需要将器具与病灶位置进行配准；相应地，后续过程中更换手术器具均可手动或自动。
(42)响应于机械臂反馈的完成打定位针的反馈信号，触发第一更换器具模块控制机械臂更换为第一手术器具。
在一些实施例中，该第一手术器具为摆据。
(43)响应于机械臂反馈的完成更换的反馈信号，依据手术方案生成切割胫骨的控制指令，并发送至机械臂以控制机械臂对胫骨进行切割，以准确、完全地暴露位于距骨的病灶。
在一些实施例中，当接收到完成更换的反馈信号后，还需要接收到光学定位仪反馈的完成配准的反馈信号时，才生成上述切割胫骨的控制指令。
(44)响应于机械臂反馈的切割完成的反馈信号，触发第二更换器具模块控制机械臂更换为第二手术器具。
在一些实施例中，该第二手术器具为铣刀。
(45)响应于机械臂反馈的更换好的反馈信号，依据手术方案生成清除病灶的控制指令，并发送给机械臂，以控制机械臂对距骨病灶进行清除操作并形成孔洞。
在一些实施例中，当接收到完成更换的反馈信号后，还需要接收到光学定位仪反馈的配准好的反馈信号，才生成上述清除病灶的控制指令。
(46)响应于机械臂反馈的清除病灶完成的反馈信号，触发第三更换器具模块控制机械臂更换为第三手术器具中的骨膜切割器具。
在一些实施例中，该骨膜分割器为圆口环钻，其前端具有刃部，从而通过该刃部切割出一定大小的圆形骨膜(仍与骨组织连接在一起)。
(47)响应于机械臂反馈的更换完成的反馈信号，依据手术方案生成并发送提取骨膜的控制指令给机械臂，以控制机械臂在胫骨切割指定大小的骨膜。
在一些实施例中，当接收到完成更换的反馈信号后，还需要接收到光学定位仪反馈的配准的反馈信号，才生成上述提取骨膜的控制指令。
(48)响应于机械臂反馈的骨膜切割完成的反馈信号，触发第三更换器具模块控制机械臂更换第三手术器具中的骨膜下层骨提取器具。
在一些实施例中，该骨提取器具为锯齿环钻，其内径与上述圆口环钻的内径相同，从而可从圆口环钻切割形成的切口处开始提取骨膜下层的骨组织，进而将骨膜-骨组织一体的移植物一体化提取出来。
(49)响应于机械臂反馈的更换完成的反馈信号，依据手术方案生成并发送提取移植物的控制指令给机械臂，以控制机械臂在分割骨膜的位置提取骨膜下层的骨完成骨膜-骨移植物一体化提取。
在另一些实施例中，该控制方法还包括步骤:
(410)响应于机械臂反馈的移植物提取完成的反馈信号，触发第四更换器具模块控制机械臂更换第三手术器具中的移植器具。在一些实施例中，该移植器具为推杆，用于将提取的骨膜骨组织推入病灶位置的孔洞。
(411)响应于机械臂反馈的更换完的反馈信号，依据手术方案生成并发送移植的控制指令给机械臂，以控制机械臂将骨膜-骨移植物填充到步骤S5 在距骨上病灶处形成的孔洞中。具体地，将提取有骨膜-骨移植物的环钻对准移植部位，然后利用推杆伸入到环钻内将取下的移植物推入移植部位，最后退出钻筒和推杆，即完成操作。
在另一些实施例中，该控制方法还包括步骤:
(412)响应于机械臂反馈的移植完成的反馈信号，触发第五更换器具模块控制机械臂更换第四手术器具。
(413)响应于机械臂反馈的更换完成的反馈信号，依据手术方案生成并发送复位的控制指令给机械臂，以控制机械臂切开胫骨，通过两个复位孔利用螺丝复位胫骨。
最后医生手动缝合换关节皮、肉等组织，完成整个踝关节手术。
基于上述的踝关节手术机器人***，本发明还提供了一种应用于踝关节手术机器人***的术前空间配准方法及其装置，该手术机器人***包括多个坐标系，包括机械臂、光学定位仪、病灶与三维医学图像坐标系，为保证外科医生通过手术规划***制定手术方案后，机器人能准确对病灶开展手术操作，需要对各坐标系进行配准，实现各坐标系间的坐标转换。下面结合具体实施例和附图对该术前空间配准方法和装置进行详细说明。
实施例3：在进行术前空间配准之前，预先在患者病灶所在脚的胫骨打克氏针，在克氏针上安装第一定位工具E1，第一定位工具E1由支架(支架如图8所示)与4各被动反光小球构成，第一支架E1支架使用的材料为聚乳酸PLA；然后，对患者病灶所在脚进行CT扫描，CT扫描时需要对第一定位工具E1也进行扫描，基于CT数据重建三维医学影像，得到患者病灶所在脚的三维模型及其相应的坐标系，包括：患者病灶所在脚的踝关节的三维模型及其坐标系，以及定位病灶位置的该第一定位工具E1的四个被动反光小球的三维模型及其坐标系{V}。
由于踝关节手术的特殊性，为了保证患者的舒适度的同时，为手术操作提供足够的操作空间(例如为机械臂切割胫骨提供足够的空间，以完全暴露病灶)，通过足部固定机构使得患者足部保持固定姿态，然而，若过长时间的保持一个固定姿态，势必会给患者造成压力和不适感，从而影响整个手术的顺利进行。基于此，为了避免过长时间保持一个固定姿态，在机械臂末端安装第二定位工具E2(其支架使用铁制造，当然也可用非金属材料制成)时，使得该第二定位工具E2坐标系的相对于机械臂基座标系欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]，从而使得可通过计算第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE，即可快速确定第二定位工具E2与机械臂之间的坐标系关系，进而加快术前空间配准的速度，以降低踝关节手术的整体耗时，也能够减小患者保持固定或相同足部姿态的时长，提高用户舒适度和体验，降低其压力和手术的焦虑感。
在空间配准过程中保持患者病灶、机械臂与光学定位仪相对位置固定。
参见图6a和图6b，为本发明的一示例性实施例的一种踝关节手术机器人***的术前空间配准方法，其包括步骤：
S101，分别获取光学定位仪坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系 {P}、第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}。
在一些实施例中，可通过光学定位***二次开发接口获取光学定位仪坐标系{O}、第一、二定位工具E1、E2坐标系{P}、{E}。
S11，计算所述第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE。
在一些实施例中，该第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术的机械臂末端，并且该第二定位工具E2的坐标系与机械臂基坐标系的欧拉角为N ×90°，整数N取值范围为[-3，3]。通过将该第二定位工具E2的坐标系与机械臂基坐标系的欧拉角设置为N×90°，从而使得当安装该第二定位工具E2后(第二定位工具E2的坐标系是已知的，由光学定位***所提供)，即可快速的计算该第二定位工具E2的坐标系与机械臂基坐标系之间的变换矩阵(也即确定了第二定位工具与机械臂之间的坐标系的换算关系)，进而无需每次手术前都通过多种运动，并根据多种运动对应的方程组来求解得到坐标系与机械臂之间的变换矩阵，不仅大大缩短了整个手术所耗费时长，也降低了对***计算性能的要求。
在一些实施例中，该第二定位工具E2的支架为金属支架或者非金属支架。
S12，计算光学定位仪坐标系{O}与第二定位工具E2坐标系{E}之间的变换矩阵TEO。
在一些实施例中，由光学定位***来提供该第二定位工具的坐标系。具体地，光学定位***的该第二定位工具和光学定位仪预先存储在数据库中(例如，出厂设置时即存储好的)。
S13，基于上述步骤S11中计算得到的第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE，以及上述步骤S12中计算得到的光学定位仪坐标系{O}与所述第二定位工具E2坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，计算光学定位仪坐标系{O}与机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBO＝TBETEO。
S14，分别获取第一定位工具E1坐标系{P}与光学定位仪坐标系{O}，并计,第一定位工具E1坐标系{P}与所述光学定位仪坐标系{O}之间的变换矩阵 TOP。
在一些实施例中，执行该步骤S14之前或之后，需要保持患者病灶、机械臂与光学定位仪相对位置固定，并且直至手术结束。
当然，在另一些实施例中，也可不保持相对位置固定，相应地，一旦患者病灶发生变动，就需要重新执行该步骤S14。
S15，基于上述步骤S13计算得到的光学定位仪坐标系{O}与机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBO，以及上述步骤S14计算得到的第一定位工具E1坐标系{P}与光学定位仪坐标系{O}之间的变化矩阵TOP，计算第一定位工具E1坐标系{P}与机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP。
在一些实施例中，该第一定位工具E1是术前安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上。
S16，计算用于定位真实空间病灶,第一定位工具E1坐标系{P}与患者足部三维图像中的第一定位工具E1坐标系{V}的变换矩阵TPV，并计算三维图像与机械臂基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV。
在一些实施例中，执行该步骤S16之前，先获取该三维图像，具体地，giant三维图像是预先对打入上述克氏针的患者病灶所在脚和第一定位工具 E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
在一些实施例中，该第一定位工具E1的支架为非金属材料。
实施例4：参见图7，为本发明一示例性实施例的一种踝关节手术机器人***的术前空间配准装置，其包括：
数据获取模块，用于获取光学定位仪坐标系{O}、第一定位工具E1 的坐标系{P}、第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}；具体地，该数据获取模块可直接从光学定位***的数据库中获取到光学定位仪坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2坐标系{E}；可直接从机械臂的控制***中或数据库中获取到机械臂基坐标系{B}；
第一计算模块，用于计算所述第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBE；其中，第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术的机械臂末端，且第二定位工具E2的坐标系与机械臂基坐标系的欧拉角为N ×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
第二计算模块，用于计算所述光学定位仪坐标系{O}与所述第二定位工具E2坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，以及计算光学定位仪坐标系{O}与所述机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBO＝TBETEO；
第三计算模块，用于计算所述第一定位工具E1坐标系{P}与所述光学定位仪坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；
病灶定位模块，用于基于上述第一计算模块计算得到的光学定位仪坐标系{O}与机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO、上述第二计算模块计算得到的所述第一定位工具E1坐标系{P}与光学定位仪坐标系{O}之间的变化矩阵 TOP，计算第一定位工具E1坐标系{P}与机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
图像配准模块，用于获取患者足部三维图像中的所述第一定位工具 E1坐标系{V}的变换矩阵TPV，并计算定位真实空间病灶的第一定位工具E1坐标系{P}与患者足部三维图像中的第一定位工具E1坐标系{V}的变换矩阵TPV，并计算所述三维图像与所述机械臂基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具 E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
在一些实施例中，第一定位工具E1的支架为非金属材料，而第二定位工具E2的支架为金属支架或者非金属支架。
在一些实施例中，上述第三计算模块计算第一定位工具E1坐标系{P} 与所述机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP过程中，患者病灶、机械臂与光学定位仪相对位置固定，且直至手术结束。
在另一些实施例中，该装置还包括：
数据库，用于存储光学定位***中光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2坐标系{E}，以及机械臂基坐标系{B}。
实施例5：本发明还提供了一种进行踝关节术前空间配准的计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行一种术前空间配准方法，该方法包括：
分别获取光学定位仪坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术的机械臂末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与机械臂基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
计算光学定位仪坐标系{O}与所述第二定位工具E2坐标系{E}之间的变换矩阵TEO；并基于所述第二定位工具E2坐标系{E}与所述机械臂基坐标系{B} 之间的变换矩阵TBE、所述光学定位仪坐标系{O}与所述第二定位工具E2坐标系 {E}之间的变换矩阵TEO，计算所述光学定位仪坐标系{O}与所述机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1坐标系{P}与所述光学定位仪坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪坐标系{O}与所述机械臂基坐标系{B} 的变换矩阵TBO＝TBETEO、所述第一定位工具E1坐标系{P}与光学定位仪坐标系 {O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1坐标系{P}与所述机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
计算用于定位真实空间病灶的所述第一定位工具E1坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1坐标系{V}的变换矩阵TPV，并计算所述三维图像与所述机械臂基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具 E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
实施例6：本发明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上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行一种术前空间配准方法，所述方法包括：
分别获取光学定位仪坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2坐标系{E}与机械臂基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术的机械臂末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与机械臂基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
计算光学定位仪坐标系{O}与所述第二定位工具E2坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，并基于所述第二定位工具E2坐标系{E}与所述机械臂基坐标系{B} 之间的变换矩阵TBE、所述光学定位仪坐标系{O}与所述第二定位工具E2坐标系 {E}之间的变换矩阵TEO，计算所述光学定位仪坐标系{O}与所述机械臂基坐标系 {B}的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1坐标系{P}与所述光学定位仪坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪坐标系{O}与所述机械臂基坐标系{B} 的变换矩阵TBO＝TBETEO、所述第一定位工具E1坐标系{P}与光学定位仪坐标系 {O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1坐标系{P}与所述机械臂基坐标系{B}的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
计算用于定位真实空间病灶的所述第一定位工具E1坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1坐标系{V}的变换矩阵TPV，并计算所述三维图像与所述机械臂基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具 E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台计算机终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种踝关节手术机器人***的术前空间配准方法，其特征在于，包括步骤：分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的基坐标系之间的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，并基于所述第二定位工具E2的坐标系{E}分别与所述机械臂的基坐标系{B}和所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TBE、TEO，计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪的坐标系{O}分别与所述机械臂的所述基坐标系{B}和所述第一定位工具E1的坐标系{P}之间的变换矩阵TBO、TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
获取患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}，并计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述三维图像中的所述第一定位工具E1的所述虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一定位工具E1的支架为非金属材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二定位工具E2的支架为金属支架或者非金属支架。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算第一定位工具E1的坐标系{P}与光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP的步骤之前，还包括步骤：
保持患者病灶、所述机械臂与所述光学定位仪相对位置固定，且直至手术结束。
5.一种踝关节手术机器人***的术前空间配准装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B}；
第一计算模块，用于计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的所述基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
第二计算模块，用于计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，以及计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO＝TBETEO；
第三计算模块，用于计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；
病灶定位模块，基于所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO、所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP，从而实现病灶定位；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；
图像配准模块，用于计算用于定位真实空间病灶的所述第一定位工具E1的坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV，从而实现图像配准；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一定位工具E1的支架为非金属材料。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二定位工具E2的支架为金属支架或者非金属支架。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三计算模块计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP过程中，所述患者病灶、所述机械臂与所述光学定位仪相对位置固定，且直至手术结束。
9.一种进行踝关节术前空间配准的计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行一种术前空间配准方法，该方法包括：
分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的所述基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO；并基于所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE、所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO、所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行一种术前空间配准方法，所述方法包括：
分别获取光学定位仪坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B}；
计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE；其中，所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端，且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的所述基坐标系的欧拉角为N×90°，整数N取值范围为[-3，3]；
计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，并基于所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBE、所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵TEO，计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}的变换矩阵TBO＝TBETEO；
计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵TOP；并基于所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBO、所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变化矩阵TOP，计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵TBP＝TBETEOTOP；其中，所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上；计算真实空间中所述第一定位工具E1的坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵TPV，并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系之间的变换矩阵TBV＝TBETEOTOPTPV；其中，所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后，基于CT数据重建的三维图像。
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