CN117204951A - 一种基于x射线的手术定位导航设备及其定位实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于X射线的手术定位导航设备及其定位实现方法，手术定位导航设备包括X射线成像***、定位机械臂和客户端软件，X射线成像***包括主机架，主机架沿设备长度方向作前后平移，床板固定于底座上；球管和平板探测器固定于主机架内侧，并沿主机架作旋转运动，高压发生器固定在底座上；机械臂用于定位导航，并固连在机械臂控制柜上，机械臂末端通过转接块安装标定工装A，标定工装A用于X射线成像***和机械臂的标定；本发明能够实现对手术目标的定位导航，解决了传统导航设备在手术开始前需要进行导航设备和图像数据的标定，以及由于易受环境影响，标定工作往往需反复多次才能获得较高的定位精度所导致的严重降低手术效率的问题。

Description

一种基于X射线的手术定位导航设备及其定位实现方法

[技术领域]

本发明涉及医疗设备技术领域，具体地说是一种基于X射线的手术定位导航设备及其定位实现方法。

[背景技术]

在自动化、图像处理以及人工智能等工程技术手段全方位介入外科手术后，多种手术导航设备已经被开发并应用在如胸肺外科、泌尿科、骨科、妇科等领域。这些手术导航设备的实现原理主要分为两类：一类是基于光学摄像头的光学导航设备，另一类是基于电磁学的电磁导航设备。光学导航设备依赖高精度的光学摄像头，捕捉预先设定的标记物的位置和姿态，进而分析目标物的位置，其定位精度取决于摄像头的分辨率、标记物摆放的稳定性，容易受环境光的影响。在实际使用中，要求摄像头和标记物之间不能有障碍物。相比于光学导航，电磁导航的优势之一在于不受障碍物的影响，其定位原理是建立一个稳定的磁场空间，获取这个空间内定位传感器的位置后，再分析获得手术目标的位置。其中，定位传感器一般由线圈、信号处理单元组成。电磁导航的定位精度取决于磁场的稳定性和线圈内产生信号的质量。

为实现亚毫米级的定位精度，光学导航设备引入了光学摄像头和标记物，电磁导航设备引入了磁场和定位传感器。然而，该两种技术方案均容易受到环境的影响：前者受环境结构光的影响，后者受环境中金属材质的影响。且现有的导航设备多独立于医学影像设备，比如CT、MR等。在手术开始前需要进行导航设备和图像数据的标定。由于易受环境的影像，标定工作往往需反复多次才能获得较高的定位精度，从而严重降低了手术效率。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于X射线的手术定位导航设备，该设备集成了X射线成像***、定位机械臂和客户端软件，能够实现对手术目标的定位导航，解决了传统导航设备多独立于医学影像设备，在手术开始前需要进行导航设备和图像数据的标定，以及由于易受环境影响，标定工作往往需反复多次才能获得较高的定位精度所导致的严重降低手术效率的问题。

为实现上述目的设计一种基于X射线的手术定位导航设备，包括X射线成像***、定位机械臂和客户端软件，其中，

所述X射线成像***用于采集医学影像数据，所述X射线成像***包括球管20、平板探测器26、高压发生器23、主机架8、床板29和底座14，所述主机架8呈环状结构，所述主机架8可滑动式安装于底座14上，并沿底座14长度方向作前后平移，所述床板29穿过主机架8，并固定安装于底座14上；所述球管20和平板探测器26固定于主机架8内侧，并沿主机架8作旋转运动，以满足不同角度的成像需求，所述高压发生器23固定在底座14上，并为球管20产生X射线提供能量；

所述定位机械臂包括机械臂5，机械臂5用于定位导航，以辅助医生进行手术操作，所述机械臂5固连在机械臂控制柜4上，所述机械臂5末端通过转接块6安装标定工装A 7，所述标定工装A 7用于X射线成像***和机械臂5的标定；

所述客户端软件用于接收X射线成像***传输过来的数据，将目标位置输出给定位机械臂，并控制定位机械臂进行导航定位；所述客户端软件安装在计算机2上，所述计算机2固定在台车1上，并用于接收X射线成像***的图像信息以及机械臂5的位置、姿态信息，所述台车1上固定有显示器3，所述显示器3用于显示X射线成像***的图像信息，以及提供人机交互界面。

进一步地，所述底座14前端底部安装有万向轮32，所述万向轮32用于设备整体移动时调节方向，所述底座14后端底部安装有驱动轮22，所述驱动轮22用于为设备提供移动时的辅助推力；所述床板29通过床板支撑架30固定安装在底座14上，所述床板支撑架30为高度固定式或高度可调节式；当床板支撑架30为高度可调节式时，所述床板支撑架30选用直线推杆或推缸驱动，以实现床板29相对底座14的高度调节。

进一步地，所述主机架8为一个整体闭环结构，所述主机架8底部左右两侧分别可滑动式连接于滑轨A15和滑轨B 31上，所述滑轨A15和滑轨B 31均固定安装在底座8上，并沿底座8前后方向延伸，所述主机架8与同步带A16相连，所述同步带A16与驱动电机B 21输出端连接，所述主机架8在驱动电机B 21的带动下沿滑轨A15和滑轨B 31作前后平移运动。

进一步地，所述机械臂控制柜4固连在控制柜底板13上，所述控制柜底板13可滑动式连接于滑轨A15和滑轨B 31上，所述机械臂控制柜4通过控制柜底板13安装在滑轨A15和滑轨B 31上，所述控制柜底板13配合主机架8位置沿底座14长度方向作前后平移。

进一步地，所述平板探测器26、球管20分别固定在探测器支撑架25、球管支撑架17上，所述探测器支撑架25和球管支撑架17均固定安装在盘式轴承27上，所述盘式轴承27固定安装在主机架8上。

进一步地，所述盘式轴承27上安装有从动齿轮28，所述从动齿轮28与主动齿轮18啮合连接，所述主动齿轮18安装在驱动电机A19输出端，所述驱动电机A19固定安装在主机架8上，所述从动齿轮28通过驱动电机A19和主动齿轮18驱动旋转，并通过控制驱动电机A19的转速和转向，调节从动齿轮28的转速和转向，进而控制平板探测器26和球管20的旋转运动。

进一步地，所述盘式轴承27上安装有皮带支撑轮37，所述皮带支撑轮37上固定有主机架皮带36，所述主机架皮带36为一根完整闭环或开口皮带，所述主机架皮带36通过主动带轮34连接驱动电机A19，并通过压紧轮A 33和压紧轮B 35调节松紧度，所述驱动电机A19带动主动带轮34旋转，所述主动带轮34带动主机架皮带36运动，并通过控制驱动电机A19的转速和转向调节转速和转向，进而控制平板探测器26和球管20的旋转运动。

进一步地，所述底座14上安装有位移传感器，所述位移传感器用于采集机械臂5和主机架8相对于底座14的位置，所述位移传感器采用但不限于光栅尺位移传感器；所述底座14上安装有磁条11，所述磁条11上装设有磁栅读头A10和磁栅读头B12，所述机械臂5的位置通过磁栅读头B12获取，所述主机架8的位置通过磁栅读头A10获取。

本发明还提供了一种基于X射线的手术定位导航设备的定位实现方法，所述机械臂和X射线图像之间的空间变换关系的构建步骤为：

首先，在底座14上建立固定的全局坐标系{0}，在机械臂5的基座上建立机械臂基座坐标系{1}，在机械臂5的末端建立机械臂工具端坐标系{2}，在标定工装A上建立工装坐标系{TRG}，在平板探测器26上建立平板坐标系{3}，在主机架8上建立主机架坐标系{4}，在成像***生成的二维或三位图像上建立图像坐标系{IMG}；

工装坐标系{TRG}的原点TRG在机械臂工具端坐标系{2}中用符号²TRG表示；

根据机器人学空间变换原理，原点TRG在机械臂基座坐标系{1}的坐标¹TRG通过以下公式获得：

其中是机械臂工具端坐标系{2}相对于机械臂基座坐标系{1}的变换关系，与机械臂5的关节角度相关，可通过机械臂5的关节角度计算获得；

原点TRG在全局坐标系{0}的坐标⁰TRG通过以下公式获得：

其中是机械臂基座坐标系{1}相对于全局坐标系{0}的变换关系，与机械臂5在底座14上的位置相关，可通过磁栅读头B12的输出以及测量机械臂5底座的位置获得；

联立公式(i)和公式(ii)，获得：

标定工装A 7在成像***中成像后，获得原点TRG在图像坐标系{IMG}中的坐标^IMGTRG；

原点TRG在平板坐标系{3}上的坐标³TRG通过以下公式获得：

其中是平板探测器26生成图像和探测器固有的坐标转换关系；

原点TRG在主机架坐标系{4}上的坐标⁴TRG通过以下公式获得：

于是，原点TRG在全局坐标系{0}的坐标⁰TRG又可以通过以下公式获得：

其中是主机架坐标系{4}相对于全局坐标系{0}的变换关系，与主机架8在底座14上的位置相关，可通过磁栅读头A10的输出以及测量主机架8的位置获得；

联立公式(iv)、公式(v)和公式(vi)，可以获得：

联立公式(iii)和公式(vii)，可以获得：

根据公式(viii)，通过逆变换，可以获得标定工装A 7原点TRG在机械臂工具端坐标系{2}和图像坐标系{IMG}的变换关系：

其中，变换矩阵由下式表达：

公式(x)表示的即为机械臂和X射线图像之间的空间变换关系。

进一步地，所述标定工装A7采用标定工装B替代，所述标定工装B采用多个球体，分别包括小球A 38、小球B 39、小球C 40和小球D 41，所述小球A 38、小球B 39、小球C 40、小球D 41的直径相同或互相有所区别，在小球A 38上建立坐标系{A}，在小球B 39上建立坐标系{B}，在小球C 40上建立坐标系{C}，在小球D 41上建立坐标系{D}；选用其中任意一个或多个小球构建机械臂和X射线图像之间的空间变换关系，当选用一个时则选用剩余的小球进行空间变换的验证和补偿。

本发明同现有技术相比，提供了一种新型的基于X射线的手术定位导航设备，该设备集成了X射线成像***、定位机械臂和客户端软件，其中，X射线成像***用于采集包含人体正常组织、结节或可能为肿瘤等非正常组织的医学影像数据；定位机械臂用于定位导航，辅助医生进行手术操作；客户端软件接收X射线成像***传输过来的数据，将目标位置输出给机械臂，并控制机械臂进行导航定位；本发明所述的新型手术定位导航设备不同于传统的光学导航和电磁导航，其实现原理是通过获取和分析特殊几何结构及其图像特征，构建机械臂和X射线图像之间的空间关系，从而实现对手术目标的定位导航。此外，本发明手术定位导航设备中的主机架能够沿着设备长度方向作前后平移，从而用于满足人体不同部位的成像需求；球管和平板探测器能够在主机架上作旋转运动，用于满足不同角度的成像需求，该球管主要旋转范围在主机架的下半圆，平板探测器的主要旋转范围在主机架的上半圆，但也可以根据实际需要时均作360°旋转；该手术定位导航设备占地面积小(长度不超过2.5米，宽度不超过1.5米)，可以根据实际使用需求，移动到任意场所，使用非常方便。

本发明解决了传统导航设备多独立于医学影像设备，在手术开始前需要进行导航设备和图像数据的标定，以及由于易受环境影响，标定工作往往需反复多次才能获得较高的定位精度，从而严重降低了手术效率的问题。

[附图说明]

图1是本发明手术定位导航设备主要组成示意图；

图2是本发明手术定位导航设备成像***立体图；

图3是本发明手术定位导航设备成像***前视图；

图4是本发明手术定位导航设备同步带传动示意图；

图5是本发明手术定位导航设备机械臂和成像***坐标标定示意图；

图6是本发明手术定位导航设备标定工装B示意图；

图中：1、台车；2、计算机；3、显示器；4、机械臂控制柜；5、机械臂；6、转接块；7、标定工装A；8、主机架；9、人体；10、磁栅读头A；11、磁条；12、磁栅读头B；13、控制柜底板；14、底座；15、滑轨A；16、同步带A；17、球管支撑架；18、主动齿轮；19、驱动电机A；20、球管；21、驱动电机B；22、驱动轮；23、高压发生器；24、握把；25、探测器支撑架；26、平板探测器；27、盘式轴承；28、从动齿轮；29、床板；30、床板支撑架；31、滑轨B；32、万向轮；33、压紧轮A；34、主动带轮；35、压紧轮B；36、主机架皮带；37、皮带支撑轮；38、小球A；39、小球B；40、小球C；41、小球D；{0}、全局坐标系；{1}、机械臂基座坐标系；{2}、机械臂工具端坐标系；{TRG}、工装坐标系；{3}、平板坐标系；{4}、主机架坐标系。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图所示，本发明涉及一种手术定位导航设备，尤其涉及一种基于X射线的手术定位导航设备，以及该导航设备定位实现的原理。

本发明所述基于X射线的手术定位导航设备，包括X射线成像***、定位机械臂和客户端软件，其中，X射线成像***用于获取人体9内组织、器官图像信息以及病灶的医学影像数据，X射线成像***主要由球管20、平板探测器26、高压发生器23、主机架8、床板29和底座14等组成，球管20、平板探测器26和高压发生器23为X射线诊断设备成像***的主要核心部件；主机架8呈环状结构，主机架8可滑动式安装于底座14上，并沿底座14沿着设备长度方向作前后平移，用于满足人体9不同部位的成像需求；床板29穿过主机架8，并固定安装于底座14上；球管20和平板探测器26固定于主机架8的内侧，并沿主机架8作旋转运动，以满足不同角度的成像需求，高压发生器23固定在底座14上，并为球管20产生X射线提供能量；定位机械臂包括机械臂5，机械臂5用于定位导航，辅助医生进行手术操作，机械臂5固连在机械臂控制柜4上，机械臂5末端通过转接块6安装标定工装A 7，标定工装A 7用于X射线成像***和机械臂5的标定；客户端软件接收X射线成像***传输过来的数据，通过目标识别、位姿运算等算法，将目标位置输出给机械臂，并控制机械臂进行导航定位；客户端软件安装在计算机2上，计算机2固定在台车1上，用于接收X射线成像***的图像信息以及机械臂5的位置、姿态信息，台车1上固定有显示器3，显示器3用于显示X射线成像***的图像信息，以及提供人机交互界面。

该新型手术定位导航设备占地面积小长度不超过2.5米，宽度不超过1.5米，可以根据实际使用需求，移动到任意场所。主机架8的移动范围能够覆盖一般成年人的身高，即范围应大于1.8米。球管20和平板探测器26能够在主机架8上作旋转运动，用于满足不同角度的成像需求，进一步地，球管20固定于主机架8内侧底部，其主要旋转范围在主机架8的下半圆，平板探测器26固定于主机架8内侧顶部，其主要旋转范围在主机架8的上半圆；但也可以根据实际需要，球管20和平板探测器26作360°旋转。

其中，底座14为设备的主体承重结构，底座14的前端底部安装有万向轮32，万向轮32用于调节设备整体移动的方向，底座14的后端底部安装有驱动轮22，驱动轮22用于提供移动时的辅助推力；床板29通过床板支撑架30固定安装在底座14上，床板支撑架30为高度固定式或高度可调节式；当床板支撑架30为高度可调节式时，床板支撑架30可以选用直线推杆或推缸等驱动，以实现床板29相对底座14的高度调节。

主机架8为一个整体闭环结构，能够沿着设备长度方向作前后平移，主机架8的平移运动通过驱动电机B21和同步带A16实现，主机架8的平移方向通过滑轨A15和滑轨B31保证；具体地，主机架8底部左右两侧分别可滑动式连接于滑轨A15和滑轨B 31上，滑轨A15和滑轨B 31均固定安装在底座8上，并沿底座8前后方向延伸，主机架8与同步带A16相连，同步带A16与驱动电机B 21输出端连接，主机架8在驱动电机B 21的带动下沿滑轨A15和滑轨B31作前后平移运动。机械臂控制柜4固连在控制柜底板13上，控制柜底板13可滑动式连接于滑轨A15和滑轨B 31上，机械臂控制柜4通过控制柜底板13安装在滑轨A15和滑轨B 31上，控制柜底板13能够配合主机架8的位置，沿设备长度方向作前后平移。因此，机械臂5和主机架8都可以做平移运动。

进一步地，平板探测器26、球管20分别固定在探测器支撑架25、球管支撑架17上，探测器支撑架25和球管支撑架17均固定安装在盘式轴承27上，盘式轴承27固定安装在主机架8上。

可以在盘式轴承27上还安装有从动齿轮28，从动齿轮28与主动齿轮18啮合连接，主动齿轮18安装在驱动电机A19输出端，驱动电机A19固定安装在主机架8上，从动齿轮28通过驱动电机A19和主动齿轮18驱动旋转，并通过控制驱动电机A19的转速和转向，调节从动齿轮28的转速和转向，最终控制平板探测器26和球管20的旋转运动。

除了上述通过主动齿轮18和从动齿轮28的传动方式，还可以采用其它传动方式，如皮带传动，如图4所示，也可以在盘式轴承27上安装有皮带支撑轮37，皮带支撑轮37上固定有主机架皮带36，主机架皮带36为一根完整闭环或开口皮带，主机架皮带36通过主动带轮34连接驱动电机A19，并通过压紧轮A 33和压紧轮B 35调节松紧度，驱动电机A19带动主动带轮34旋转，主动带轮34带动主机架皮带36运动，并通过控制驱动电机A19的转速、转向，调节主动带轮34的转速和转向，最终控制平板探测器26和球管20的旋转运动。

此处，主机架8的平移运动和平板探测器26、球管20的旋转运动可以分别独立控制进行。该手术定位导航设备还安装有握把11，用于整体移动。

底座14上安装有位移传感器，位移传感器用于采集机械臂5和主机架8相对于底座14的位置；可以在底座14上安装磁条11，并在磁条11处装设有磁栅读头A10和磁栅读头B12，机械臂5的位置通过磁栅读头B12获取，主机架8的位置通过磁栅读头A10获取。通过这种位移传感器，可以获得微米级的定位精度。另外，也可以选择光栅尺作为位移传感器，获得更高的定位精度。

本发明手术定位导航设备的定位实现原理为：机械臂5提供最终的定位导航，手术操作人员可以在机械臂5的辅助下进行手术，比如肺穿刺、肾穿刺等。机械臂5的定位精度是手术成功的保障，而机械臂5和成像***之间的空间坐标转换是定位实现的关键。

为了建立机械臂和X射线图像之间的空间关系，在底座14上建立固定的全局坐标系{0}，在机械臂5的基座上建立机械臂基座坐标系{1}，在机械臂5的末端建立机械臂工具端坐标系{2}，在标定工装A上建立工装坐标系{TRG}，在平板探测器26上建立平板坐标系{3}，在主机架8上建立主机架坐标系{4}。另外，在成像***生成的二维或三位图像上还建立图像坐标系{IMG}。

工装坐标系{TRG}的原点TRG在机械臂工具端坐标系{2}中用符号²TRG表示。

根据机器人学空间变换原理，原点TRG在机械臂基座坐标系{1}的坐标¹TRG可以通过以下公式获得：

其中是机械臂工具端坐标系{2}相对于机械臂基座坐标系{1}的变换关系，和机械臂5的关节角度相关，可以通过机械臂5的关节角度计算获得。

原点TRG在全局坐标系{0}的坐标⁰TRG可以通过以下公式获得：

其中是机械臂基座坐标系{1}相对于全局坐标系{0}的变换关系，和机械臂5在底座14上的位置相关，可以通过磁栅读头B12的输出以及测量机械臂5底座的位置获得。

联立公式(i)和公式(ii)，可以获得：

标定工装A 7在成像***中成像后，可以获得原点TRG在图像坐标系{IMG}中的坐标^IMGTRG。

原点TRG在平板坐标系{3}上的坐标³TRG可以通过以下公式获得：

其中是平板探测器26生成图像和探测器固有的坐标转换关系。

原点TRG在主机架坐标系{4}上的坐标⁴TRG可以通过以下公式获得：

于是，原点TRG在全局坐标系{0}的坐标⁰TRG又可以通过以下公式获得：

其中是主机架坐标系{4}相对于全局坐标系{0}的变换关系，和主机架8在底座14上的位置相关，可以通过磁栅读头A10的输出以及测量主机架8的位置获得。

联立公式(iv)、公式(v)和公式(vi)，可以获得：

联立公式(iii)和公式(vii)，可以获得：

根据公式(viii)，通过逆变换，可以获得标定工装A 7原点TRG在机械臂工具端坐标系{2}和图像坐标系{IMG}的变换关系：

其中，变换矩阵由下式表达：

公式(x)表示的是机械臂和X射线图像之间的空间变换关系。

进一步地，可以采用如图6中所示标定工装B替代标定工装A 7。该标定工装上设计安装有多个球体，分别是小球A 38、小球B 39、小球C 40、小球D 41。小球A 38、小球B 39、小球C40、小球D 41的直径可以一样，也可以互相有所区别。在小球A 38上建立坐标系{A}，在小球B 39上建立坐标系{B}，在小球C 40上建立坐标系{C}，在小球D 41上建立坐标系{D}。

可以单独选用其中一个小球构建机械臂和X射线图像之间的空间变换关系，也可以选用剩余的小球进行空间变换的验证和补偿。且，标定工装A 7和小球A38、小球B 39、小球C 40、小球D 41可以选用工程塑料等不会造成X射线伪影，影像成像质量的材料。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，其使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于X射线的手术定位导航设备，其特征在于：包括X射线成像***、定位机械臂和客户端软件，其中，

所述X射线成像***用于采集医学影像数据，所述X射线成像***包括球管(20)、平板探测器(26)、高压发生器(23)、主机架(8)、床板(29)和底座(14)，所述主机架(8)呈环状结构，所述主机架(8)可滑动式安装于底座(14)上，并沿底座(14)长度方向作前后平移，所述床板(29)穿过主机架(8)，并固定安装于底座(14)上；所述球管(20)和平板探测器(26)固定于主机架(8)内侧，并沿主机架(8)作旋转运动，以满足不同角度的成像需求，所述高压发生器(23)固定在底座(14)上，并为球管(20)产生X射线提供能量；

所述定位机械臂包括机械臂(5)，机械臂(5)用于定位导航，以辅助医生进行手术操作，所述机械臂(5)固连在机械臂控制柜(4)上，所述机械臂(5)末端通过转接块(6)安装标定工装A(7)，所述标定工装A(7)用于X射线成像***和机械臂(5)的标定；

所述客户端软件用于接收X射线成像***传输过来的数据，将目标位置输出给定位机械臂，并控制定位机械臂进行导航定位；所述客户端软件安装在计算机(2)上，所述计算机(2)固定在台车(1)上，并用于接收X射线成像***的图像信息以及机械臂(5)的位置、姿态信息，所述台车(1)上固定有显示器(3)，所述显示器(3)用于显示X射线成像***的图像信息，以及提供人机交互界面。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述底座(14)前端底部安装有万向轮(32)，所述万向轮(32)用于设备整体移动时调节方向，所述底座(14)后端底部安装有驱动轮(22)，所述驱动轮(22)用于为设备提供移动时的辅助推力；所述床板(29)通过床板支撑架(30)固定安装在底座(14)上，所述床板支撑架(30)为高度固定式或高度可调节式；当床板支撑架(30)为高度可调节式时，所述床板支撑架(30)选用直线推杆或推缸驱动，以实现床板(29)相对底座(14)的高度调节。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述主机架(8)为一个整体闭环结构，所述主机架(8)底部左右两侧分别可滑动式连接于滑轨A(15)和滑轨B(31)上，所述滑轨A(15)和滑轨B(31)均固定安装在底座(8)上，并沿底座(8)前后方向延伸，所述主机架(8)与同步带A(16)相连，所述同步带A(16)与驱动电机B(21)输出端连接，所述主机架(8)在驱动电机B(21)的带动下沿滑轨A(15)和滑轨B(31)作前后平移运动。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述机械臂控制柜(4)固连在控制柜底板(13)上，所述控制柜底板(13)可滑动式连接于滑轨A(15)和滑轨B(31)上，所述机械臂控制柜(4)通过控制柜底板(13)安装在滑轨A(15)和滑轨B(31)上，所述控制柜底板(13)配合主机架(8)位置沿底座(14)长度方向作前后平移。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述平板探测器(26)、球管(20)分别固定在探测器支撑架(25)、球管支撑架(17)上，所述探测器支撑架(25)和球管支撑架(17)均固定安装在盘式轴承(27)上，所述盘式轴承(27)固定安装在主机架(8)上。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于：所述盘式轴承(27)上安装有从动齿轮(28)，所述从动齿轮(28)与主动齿轮(18)啮合连接，所述主动齿轮(18)安装在驱动电机A(19)输出端，所述驱动电机A(19)固定安装在主机架(8)上，所述从动齿轮(28)通过驱动电机A(19)和主动齿轮(18)驱动旋转，并通过控制驱动电机A(19)的转速和转向，调节从动齿轮(28)的转速和转向，进而控制平板探测器(26)和球管(20)的旋转运动。

7.如权利要求5所述的设备，其特征在于：所述盘式轴承(27)上安装有皮带支撑轮(37)，所述皮带支撑轮(37)上固定有主机架皮带(36)，所述主机架皮带(36)为一根完整闭环或开口皮带，所述主机架皮带(36)通过主动带轮(34)连接驱动电机A(19)，并通过压紧轮A(33)和压紧轮B(35)调节松紧度，所述驱动电机A(19)带动主动带轮(34)旋转，所述主动带轮(34)带动主机架皮带(36)运动，并通过控制驱动电机A(19)的转速和转向调节转速和转向，进而控制平板探测器(26)和球管(20)的旋转运动。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述底座(14)上安装有位移传感器，所述位移传感器用于采集机械臂(5)和主机架(8)相对于底座(14)的位置，所述位移传感器采用但不限于光栅尺位移传感器；所述底座(14)上安装有磁条(11)，所述磁条(11)上装设有磁栅读头A(10)和磁栅读头B(12)，所述机械臂(5)的位置通过磁栅读头B(12)获取，所述主机架(8)的位置通过磁栅读头A(10)获取。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的基于X射线的手术定位导航设备的定位实现方法，其特征在于，所述机械臂和X射线图像之间的空间变换关系的构建步骤为：

首先，在底座(14)上建立固定的全局坐标系{0}，在机械臂(5)的基座上建立机械臂基座坐标系{1}，在机械臂(5)的末端建立机械臂工具端坐标系{2}，在标定工装A上建立工装坐标系{TRG}，在平板探测器(26)上建立平板坐标系{3}，在主机架(8)上建立主机架坐标系{4}，在成像***生成的二维或三位图像上建立图像坐标系{IMG}；

工装坐标系{TRG}的原点TRG在机械臂工具端坐标系{2}中用符号²TRG表示；

根据机器人学空间变换原理，原点TRG在机械臂基座坐标系{1}的坐标¹TRG通过以下公式获得：

其中是机械臂工具端坐标系{2}相对于机械臂基座坐标系{1}的变换关系，与机械臂(5)的关节角度相关，可通过机械臂(5)的关节角度计算获得；

原点TRG在全局坐标系{0}的坐标⁰TRG通过以下公式获得：

其中是机械臂基座坐标系{1}相对于全局坐标系{0}的变换关系，与机械臂(5)在底座(14)上的位置相关，可通过磁栅读头B(12)的输出以及测量机械臂(5)底座的位置获得；

联立公式(i)和公式(ii)，获得：

标定工装A(7)在成像***中成像后，获得原点TRG在图像坐标系{IMG}中的坐标^IMGTRG；

原点TRG在平板坐标系{3}上的坐标³TRG通过以下公式获得：

其中是平板探测器(26)生成图像和探测器固有的坐标转换关系；

原点TRG在主机架坐标系{4}上的坐标⁴TRG通过以下公式获得：

于是，原点TRG在全局坐标系{0}的坐标⁰TRG又可以通过以下公式获得：

其中是主机架坐标系{4}相对于全局坐标系{0}的变换关系，与主机架(8)在底座(14)上的位置相关，可通过磁栅读头A(10)的输出以及测量主机架(8)的位置获得；

联立公式(iv)、公式(v)和公式(vi)，可以获得：

联立公式(iii)和公式(vii)，可以获得：

根据公式(viii)，通过逆变换，可以获得标定工装A(7)原点TRG在机械臂工具端坐标系{2}和图像坐标系{IMG}的变换关系：

其中，变换矩阵由下式表达：

公式(x)表示的即为机械臂和X射线图像之间的空间变换关系。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述标定工装A(7)采用标定工装B替代，所述标定工装B采用多个球体，分别包括小球A(38)、小球B(39)、小球C(40)和小球D(41)，所述小球A(38)、小球B(39)、小球C(40)、小球D(41)的直径相同或互相有所区别，在小球A(38)上建立坐标系{A}，在小球B(39)上建立坐标系{B}，在小球C(40)上建立坐标系{C}，在小球D(41)上建立坐标系{D}；选用其中任意一个或多个小球构建机械臂和X射线图像之间的空间变换关系，当选用一个时则选用剩余的小球进行空间变换的验证和补偿。