一种系统精度验证装置及方法

摘要

本发明公开了一种系统精度验证装置及方法，包括：承载体，设有工装示踪器及至少三个共面不共线的注册点；锥节，为至少一个，其上设有至少一条模拟通道；验证件，设有与模拟通道相对应的两个检测点。本发明能够快速准确的分析出基于2D‑3D影像配准的空间定位精度，为影像配准精度的矫正提升提供了理论数据分析的基础，保证了导航定位系统的精度。而且影像采集和执行测量在两个空间环境下进行的，有效避免了辐射环境对测量设备的影响。

权利要求

1.一种系统精度验证方法，其特征在于：包括步骤：（1）采集系统精度验证装置的3D影像，采集所述系统精度验证装置的正侧位透视2D影像，并对得到的3D影像和2D影像进行配准；其中，系统精度验证装置包括设有工装示踪器及至少三个共面不共线的注册点的承载体、至少一个椎节以及验证件；在所述椎节上设有至少一条模拟通道，在所述验证件上设有与模拟通道相对应的两个检测点；

（2）在3D影像中选取一条模拟通道作为规划通道，将其作为安装在机械臂末端的验证件两个检测点连线的目标位姿，并据此计算机械臂的运动轨迹；

（3）将系统精度验证装置转移至测量环境下，布置机械臂设备，并同样转移布置光学跟踪器，使机械臂末端示踪器和工装示踪器均在光学跟踪器可见；根据工装示踪器相对光学跟踪器的位姿变化，计算得到新的3D影像坐标系与光学跟踪器坐标系的变换关系；

利用接触式测量设备测量规划通道的位姿作为参考值；

（4）结合步骤（2）得到的机械臂的运动轨迹及步骤（3）计算得到的新的3D影像坐标系与光学跟踪器坐标系的变换关系计算得到测量环境下的机械臂的运动轨迹，并据此控制机械臂运动；

（5）用接触式测量设备测量机械臂运动到位后验证件的位姿作为实际值，并据此计算参考值与实际值之间的误差。

2.根据权利要求1所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述模拟通道贯穿所述椎节的椎弓根，其两端为设置于所述椎节上的两个通道点。

3.根据权利要求2所述的系统精度验证方法，其特征在于：两个所述通道点之间距离在

6 10mm之间。

~

4.根据权利要求2所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述通道点为直径4mm大小的钢珠。

5.根据权利要求1所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述椎节包括通过球铰结构安装在所述承载体上的活动椎节及固定安装在所述承载体上的固定椎节，通过调整所述活动椎节的位姿模拟术中患者位姿变化。

6.根据权利要求1所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述验证件为探针，包括与机械臂末端执行器配合的主体及安装在主体两端的检测点。

7.根据权利要求6所述的系统精度验证方法，其特征在于：在所述主体一端设置有与所述机械臂末端执行器配合用于轴向限定的圆盘；在所述圆盘侧面设置有与所述机械臂末端执行器配合用于周向限定的凸起。

8.根据权利要求6所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述检测点为直径6mm大小的钢珠。

9.根据权利要求1所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述注册点之间的间距不少于10mm。

10.根据权利要求1所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述注册点为直径4mm大小的钢珠。

11.根据权利要求5所述的系统精度验证方法，其特征在于：调整所述系统精度验证装置中的活动椎节的位姿模拟术中患者位姿变化之后再采集所述系统精度验证装置的正侧位透视2D影像。

12.根据权利要求1所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述步骤（4）计算得到测量环境下的机械臂的运动轨迹具体如下：（41）计算得到测量环境下的3D影像坐标系与光学跟踪器坐标系之间的变换关系；

（42）通过光学跟踪器获取机械臂末端示踪器位姿并计算得到验证件的当前位姿；

（43）结合步骤（2）计算得到测量环境下的机械臂的运动轨迹。

13.根据权利要求1所述的系统精度验证方法，其特征在于：所述参考值为选取通道的通道点坐标 和 ，其中i代指通道代号，i=1,2,3,4；所述实际值为所述验证件的两个检测点坐标 和 ；

则二者之间根据相对距离公式计算得到精度误差Lij：其中：

式中，j代指相应通道点的测量点代号，取1,2；Lij表示指定通道i的通道点j相对于验证件的两个检测点连线的距离。

说明书

一种系统精度验证装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及精度验证领域，尤其涉及一种系统精度验证装置及方法。

背景技术

[0002] 随着医学影像工程和计算机技术的发展，医学成像广泛应用于临床诊断、外科手术设计、方案实施和疗效评估等领域。临床诊断中往往需要不同的医学成像手段的多幅影
像相结合，以辅助医生作出更准确更合适的治疗或手术方案。其中，基于2D‑3D的医学影像
配准是指一种将来自不同成像方式（术中2D成像和术前3D成像）的医学图像进行一定的变
换处理，使它们的空间位置与姿态达到匹配的技术手段，该技术已经在手术导航机器人系
统中得到广泛应用。该手段能大大减少术中辐射过程时间和辐射量，从而为医生健康和手
术效率提供了更好的保障。但前提是，术中2D‑术前3D的配准精度达到了手术操作的定位需
求，那么就需要一种可靠的方法和装置对该影像配准算法精度进行性能分析和验证，并在
此基础上作进一步矫正和提升。限于导航系统和手术流程的差异，以及术中辐射环境的限
制，部分检测工具无法进入手术环境，现行业内也并没有通用的定量的影像精度检测手段。

发明内容

[0003] 发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种基于2D‑3D影像配准的系统精度验证装置及方法，验证影像配准精度是否达到技术标准，为后续的精度矫正和提升提供数据基
础。

[0004] 技术方案：

[0005] 一种系统精度验证装置，包括：

[0006] 承载体，设有工装示踪器及至少三个共面不共线的注册点；

[0007] 椎节，为至少一个，其上设有至少一条模拟通道；

[0008] 验证件，设有与模拟通道相对应的两个检测点。

[0009] 所述模拟通道贯穿所述椎节的椎弓根，其两端为设置于所述椎节上的两个通道点。

[0010] 两个所述通道点之间距离在6 10mm之间。~

[0011] 所述通道点为直径4mm大小的钢珠。

[0012] 所述椎节包括通过球铰结构安装在所述承载体上的活动椎节及固定安装在所述承载体上的固定椎节，通过调整所述活动椎节的位姿模拟术中患者位姿变化。

[0013] 所述验证件为探针，包括与机械臂末端执行器配合的主体及安装在主体两端的检测点。

[0014] 在所述探针主体一端设置有与所述机械臂末端执行器配合用于轴向限定的圆盘；在所述圆盘侧面设置有与所述机械臂末端执行器配合用于周向限定的凸起。

[0015] 所述检测点为直径6mm大小的钢珠。

[0016] 所述注册点之间的间距不少于10mm。

[0017] 所述注册点为直径4mm大小的钢珠。

[0018] 一种系统精度验证方法，包括步骤：

[0019] （1）采集前述系统精度验证装置的3D影像，采集前述系统精度验证装置的正侧位透视2D影像，并对得到的3D影像和2D影像进行配准；

[0020] （2）在3D影像中选取一条模拟通道作为规划通道，将其作为安装在机械臂末端的验证件两检测点连线的目标位姿，并据此计算机械臂的运动轨迹；

[0021] （3）将所述系统精度验证装置转移至测量环境下测量规划通道的位姿作为参考值；

[0022] （4）结合步骤（2）得到的机械臂的运动轨迹计算得到测量环境下的机械臂的运动轨迹，并据此控制机械臂运动；

[0023] （5）测量机械臂运动到位后验证件的位姿作为实际值，并据此计算参考值与实际值之间的误差。

[0024] 所述步骤（1）中，调整所述系统精度验证装置中的活动椎节的位姿模拟术中患者位姿变化之后再采集所述系统精度验证装置的正侧位透视2D影像。

[0025] 所述步骤（4）计算得到测量环境下的机械臂的运动轨迹具体如下：

[0026] （41）计算得到测量环境下的3D影像坐标系与光学跟踪器坐标系之间的变换关系；

[0027] （42）通过光学跟踪器获取机械臂末端示踪器位姿并计算得到验证件的当前位姿；

[0028] （43）结合步骤（2）计算得到测量环境下的机械臂的运动轨迹。

[0029] 所述参考值为选取通道的通道点坐标 和 ，其中i代指通道代号，i=1,2,3,4；所述实际值为所述验证件的两个检测点坐标 和 ；

[0030] 则二者之间根据相对距离公式计算得到精度误差Lij：

[0031]

[0032] 其中：

[0033]

[0034] 式中，j代指相应通道点的测量点代号，取1,2；Lij表示指定通道i的通道点j相对于验证件的两个检测点连线的距离。

[0035] 有益效果：本发明能够快速准确的分析出基于2D‑3D影像配准的空间定位精度，为影像配准精度的矫正提升提供了理论数据分析的基础，保证了导航定位系统的精度；且影
像采集和执行测量在两个空间环境下进行的，有效避免了辐射环境对测量设备的影响；且
多组通道规划和参考测量可在一次步骤中进行，大大提高了试验效率。

附图说明

[0036] 图1（a）是精度验证工装右视图。

[0037] 图1（b）是精度验证工装正视图。

[0038] 图2是探针结构示意图。

[0039] 图3是检测方法系统流程图。

[0040] 图4是本发明的架构原理图。

[0041] 其中，1为底座，2为椎节，21为活动椎节，22为固定椎节，3为工装示踪器，4为通道点，5为注册点，6为主体，7为安装板，8为检测点。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

[0043] 图1（a）是精度验证工装右视图，如图1（a）所示，本发明的系统精度验证装置包括精度验证工装及与其配套使用的探针；

[0044] 如图1（a）所示，精度验证工装包括底座1、椎节2及工装示踪器3，精度验证工装中共有两块椎节2，分别为固定椎节22和活动椎节21，固定椎节20固定安装于底座1上；活动椎
节21通过球铰结构安装于其底部的安装座上，安装座固联于底座1上，因此该活动椎节21可
在底座上1一定范围内调整其姿态角。每块椎节2的前后两侧均分别固定嵌有若干个通道点
4，通道点4实质是直径4mm大小的钢珠。椎节2的通道点布置以椎节前侧为例，椎节2的椎体
中心处须固定有一个通道点，椎节2的两块关节横突处可以分别固定一个通道点，或者只在
其中一关节横突处固定一通道点；关节横突处的通道点与椎节椎体中心处的通道点之前形
成通道路径，且二者距离在6 10mm之间。这样的设计是为了模拟椎体手术的通道路径，尽可
~
能接近手术场景，也就是可以通过中心位置处的通道点和关节横突位置处的通道点之间的
连线建立一条通道，作为机械臂执行位姿的参考。相应地，椎节后侧也可以采用如此设计，
但本发明并不止于此，在本发明中，只要在椎节椎体处设置至少一通道点，在椎节的关节横
突处设置至少一通道点，这样可以形成若干由关节横突处至椎体处的通道路径。

[0045] 在底座1上表面嵌有若干个注册点5。注册点5实质上是直径4mm大小的钢珠，数量为3 5个，是建立影像坐标系与工装示踪器坐标系之间联系的特征。所有注册点5处于同一
~
水平面上，注册点5之间的间距应不少于10mm。工装示踪器3是与光学追踪系统（OTS）配套使
用的标准示踪器，固定安装于精度验证工装的前端面，如图1（b）所示。

[0046] 探针包括主体6、安装板7及检测点8，如图2所示。主体6为渐变圆柱体，其中间半径大，用于与机械臂末端执行器装配孔相配合；其两端半径小，用于固定安装检测点8。安装板
7为带有突起的圆盘，其固定于主体6大半径部分的偏某一端的位置，装配时圆盘与机械臂
末端执行器装配孔的端面相接触，起轴向限位作用；圆盘上的突起设计为短圆柱，类似销，
并与机械臂末端执行器装配孔的端面上开设的销孔配合，起周向限位作用。检测点8是直径
6mm大小的钢珠，共有2个，分别固定安装于主体6的两侧，且两个检测点8的连线与主体6同
轴。

[0047] 本发明还提供了一种基于2D‑3D影像配准的系统精度验证方法，如图3所示，包括如下步骤：

[0048] （1）利用C臂机对图1所示精度验证工装进行三维扫描，以获得精度验证工装中椎节、注册点、通道点的3D影像数据；

[0049] （2）对精度验证工装中的活动椎节21的位姿进行微调，调整范围为相对原始姿态偏离5 15度，模拟术中位姿发生变化，利用C臂机对精度验证工装进行正侧位透视成像，以
~
获得精度验证工装中椎节、注册点、通道点的正侧位透视影像数据；

[0050] 其中，活动椎节21的姿态调整为：活动椎节21下端与安装座之间是通过球铰连接的，因此该椎节相对安装座可以在3个旋转自由度旋转，手动转动该椎节使其相对原始姿态
偏离5 15度，模拟术中与术前由于椎节自然活动发生的姿态角度变化；
~

[0051] （3）对2D影像和3D影像进行配准；

[0052] （4）在3D影像中规划通道，然后将规划的通道通过一系列变换传递给导航模块；规划通道指的是在3D影像中选择某个椎节的其中一组通道点作为对象，连接该组通道点的两
点，得到通道点连线；

[0053] 变换传递的逻辑如下：

[0054] 通过OTS得到工装示踪器的空间位置，通过模型参数得到工装示踪器与精度验证工装上注册点之间的位置关系，进而得到注册点的空间位置，根据2D影像内注册点的影像
位置得到2D影像坐标系与OTS坐标系的变换关系T1；根据步骤（3）对2D影像和3D影像的配准
得到3D影像坐标系与2D影像坐标系之间的变换关系T2； 最终得到3D影像坐标系与OTS坐标
系之间的变换关系T，T= T1•T2；

[0055] （5）通过导航模块对机械臂末端的探针向规划通道进行路径导航规划；

[0056] 在3D影像中选择拟定到达的一组通道点作为目标，使该组通道点其中一点作为机械臂末端的探针的下检测点的目标点，即确定目标位置；使通道点连线作为机械臂末端探
针两检测点的连线的目标位姿，并根据步骤（4）得到的3D影像坐标系与OTS坐标系之间的变
换关系得到探针在OTS坐标系下的目标位姿；通过OTS识别机械臂末端示踪器并根据探针安
装参数计算得到探针的当前位姿，如图4所示；根据探针在OTS坐标系下的当前位姿和目标
位姿对机械臂进行笛卡尔空间的轨迹规划得到运动轨迹S；

[0057] （6）将精度验证工装撤出X射线机房，转移到测量环境下，布置机械臂设备，并同样转移布置OTS于合适位置，使机械臂末端执行器上的示踪器和精度验证工装的示踪器均在
OTS可见；

[0058] （7）由于设备的重新布置，精度验证工装的工装示踪器相对OTS系统的位姿变化，* *
记作T1 ，根据步骤（4）计算得到新的3D影像坐标系与OTS坐标系的变换关系T'=T1•T1•T2。实
*
际上，由于其他变换矩阵均为常矩阵，仅T1随安装位置的变化而变换，而OTS系统能实时跟
*
踪示踪器从而更新T1 ，因此可以实现3D影像数据的同步实时传输；此时，机械臂末端执行器
的示踪器在OTS下可见，即通过OTS系统标定出末端执行器坐标系相对于OTS坐标系的变换
矩阵T3；

[0059] （8）利用接触式测量设备测量重新布置后选定通道的通道点的位置，作为参考值；具体为：用三坐标测量仪对椎节的每组通道点进行标定测量，得到每组通道点的位置
和 ，i代指通道代号，i=1,2,3,4，单位为mm；进而得到选定通道的通道点
的位置；

[0060] （9）控制机械臂到达目标点；

[0061] 在导航模块中锁定3D影像数据，记录下所有通道的OTS位姿，撤出精度验证工装，并在机械臂末端执行器内插入探针，通过OTS获取机械臂末端示踪器并计算得到探针的当
前位姿，根据步骤（5）计算得到的轨迹规划S及步骤（7）得到的新的3D影像坐标系与OTS坐标
系之间的变换关系，计算得到新的轨迹规划S'，并据此控制机械臂在OTS跟踪下到达指定通
道位置，待抵达稳定后，接着用接触式测量设备测量其上安装的探针两端检测点的位置，作
为实际值；具体为：用三坐标测量仪标定机械臂末端执行器上的探针两端检测点的位置
和 ；

[0062] （10）根据参考值和实际值，计算分析抵达轴线与通道轴线的差异误差；具体为：根据相对距离公式计算指定通道i的通道点j相对于探针轴线的距离Lij作为影像配准误差的
估计，单位为mm，计算公式如下：

[0063]

[0064] 其中：t为中间变量，

[0065]

[0066] 式中，j代指相应通道点的测量点代号，取1,2。

[0067] 本发明能够快速准确的分析出基于2D‑3D影像配准的空间定位精度，为影像配准精度的矫正提升提供了理论数据分析的基础；且影像采集和执行测量在两个空间环境下进
行的，有效避免了辐射环境对测量设备的影响；且多组通道规划和参考测量可在一次步骤
中进行，大大提高了试验效率。

[0068] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数
量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护范围。