一种机械臂和床的配合系统、方法及其临床应用方法
技术领域
本发明涉及机械臂和床配合的技术领域，尤其涉及一种机械臂和床的配合系统、方法及其临床应用方法。
背景技术
在当前的临床手术中，随着医学技术的进步，越来越多的手术，直接通过手术机器人来完成。手术机器人进行手术时，直接操作手术的结构主要是机械臂。
在现有技术中，手术时，机械臂、手术用的床，以及手术中用于拍摄影像的医学成像设备都处于自己独立的坐标系中，必须引入红外导航镜头来定位和校准机械臂，手术用的床，以及手术中用于拍摄影像的医学成像设备的位置。操作繁琐，在手术前，需要浪费大量的时间去进行定位。且由于操作的步骤较多，定位过程中的出错率将会大大提高，影响手术成功率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种机械臂和床的配合系统、方法及其临床应用方法，具有能够将包括机械臂，手术用的床，手术中用于拍摄影像的医学成像设备统一于同一个坐标系中，实现机械臂，手术用的床，手术中用于拍摄影像的医学成像设备的三维空间的转换，并实现上述设备的实时配准的优点。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种机械臂和床的配合系统，包括：
机械臂一体定位单元，用于将机械臂与碳纤维病床设计为一体化的结构，使得所述机械臂与所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统；
成像设备标定单元，用于标定基于X射线的医学成像设备，将所述医学成像设备与所述碳纤维病床以及所述机械臂统一于同一个坐标系统中，实现包括所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在内的三维空间的转换，所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在手术中的实现实时配准。
进一步地，在所述机械臂一体定位单元中，当所述机械臂与所述碳纤维病床固定后，所述机械臂与所述碳纤维床形成一个确定的坐标关系，具体公式为：
Pbed＝R1·Parm
其中，R1为所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，Pbed为所述碳纤维病床的坐标，Parm为所述机械臂的坐标。
进一步地，在所述机械臂一体定位单元中，所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，通过在所述机械臂末端的光学镜头与所述碳纤维病床上预先固定的包括二维码在内的标识进行手眼标定，以眼在手的标定方式求解Ax＝xb的方程，得到所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵。
进一步地，在所述成像设备标定单元中，在对基于X射线的所述医学成像设备进行标定之前，在所述碳纤维病床上安装碳纤维挡板，并同时在所述碳纤维挡板中内嵌标记点，以利于当所述医学成像设备透视过所述碳纤维挡板时，通过所述碳纤维挡板中内嵌的标记点进行定位，建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系。
进一步地，在所述成像设备标定单元中，建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系，具体包括建立方程组：
通过求解此方程组，获取所述医学成像设备的内参与外参，且由于所述外参所在的所述碳纤维挡板与所述碳纤维病床成刚性关系，可以得出所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系。
一种机械臂和床的配合方法，包括以下步骤：
S1：针对于手术机器人的应用场景，将机械臂与碳纤维病床设计为一体化的机构，使得所述机械臂与所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统；
S2：对手术中基于X射线成像的医学成像设备进行标定，将所述医学成像设备与所述碳纤维病床以及所述机械臂统一于同一个坐标系统中，实现包括所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在内的三维空间的转换，所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在手术中的实现实时配准。
进一步地，在步骤S1中，还包括：
当所述机械臂与所述碳纤维病床固定后，所述机械臂与所述碳纤维床形成一个确定的坐标关系，具体公式为：
Pbed＝R1·Parm
其中，R1为所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵；
所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，通过在所述机械臂末端的光学镜头与所述碳纤维病床上预先固定的包括二维码在内的标识进行手眼标定，以眼在手的标定方式求解Ax＝xb的方程，得到所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵。
进一步地，在步骤S2中，还包括：
在对基于X射线的所述医学成像设备进行标定之前，在所述碳纤维病床上安装碳纤维挡板，并同时在所述碳纤维挡板中内嵌标记点，以利于当所述医学成像设备透视过所述碳纤维挡板时，通过所述碳纤维挡板中内嵌的标记点进行定位，建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系；
建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系，具体包括建立方程组：
通过求解此方程组，获取所述医学成像设备的内参与外参，且由于所述外参所在的所述碳纤维挡板与所述碳纤维病床成刚性关系，可以得出所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系。
一种机械臂和床的配合系统的临床应用方法，包括：
使用设计为一体结构的机械臂和碳纤维病床进行手术，将所述机械臂和所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统中，无需使用红外导航镜头进行定位；
当使用基于X射线的医学成像设备进行成像时，当X射线透视过安装于所述碳纤维病床上的碳纤维挡板时，通过所述碳纤维挡板中内嵌的标记点进行定位，建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系，将所述医学成像设备与所述碳纤维病床以及所述机械臂统一于同一个坐标系统中；
当整体系统建立于统一的坐标系中之后，实现包括所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在内的三维空间的转换，所述医学成像设备、所述碳纤维病床以后所述机械臂在手术中实现实时配准。
进一步地，将所述机械臂和所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统中，具体为：
确定所述机械臂与所述碳纤维病床的坐标转换关系，具体为：
Pbed＝R1·Parm
其中，R1为所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，通过在所述机械臂末端的光学镜头与所述碳纤维病床上预先固定的包括二维码在内的标识进行手眼标定，以眼在手的标定方式求解Ax＝xb的方程，得到所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，Pbed为所述碳纤维病床的坐标，Parm为所述机械臂的坐标。
与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益效果是：
(1)通过一种机械臂和床的配合结构，将机械臂与碳纤维病床设计为一体化的结构，使得机械臂和碳纤维床统一于同一个坐标系中。进一步地，将医学成像设备与碳纤维病床以及机械臂也统一于同一个坐标系统中，实现了包括医学成像设备、碳纤维病床以及机械臂在内的三维空间的转换，医学成像设备、碳纤维病床以及机械臂在手术中实现实时配准。手术中无需另外使用红外导航镜头进行定位，降低了手术中操作的复杂度，同时省去了定位的时间，为医治病人赢得了宝贵的时间。
(2)通过在机械臂末端的光学镜头与碳纤维病床上预先固定的包括二维码在内的标识进行手眼标定，以眼在手的标定方式求解Ax＝xb的方程的方式，得到机械臂的基座坐标系到碳纤维病床的转换矩阵，进而将机械臂与碳纤维床统一于同一个坐标系统中。
(3)通过在碳纤维病床上安装碳纤维挡板，并同时在碳纤维挡板中内嵌标记点，以利于当医学成像设备透视过所述碳纤维挡板时，通过碳纤维挡板中内嵌的标记点进行定位，建立所述医学成像设备与碳纤维病床的坐标转换关系，进而将医学成像设备与碳纤维病床统一于同一个坐标系统中。
附图说明
图1为本发明机械臂和床的配合结构的整体示意图；
图2为本发明机械臂和床的配合结构的侧面示意图；
图3为本发明机械臂和床的配合结构的俯视图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
在当前的临床手术中，随着医学技术的进步，越来越多的手术，直接通过手术机器人来完成。手术机器人进行手术时，直接操作手术的结构主要是机械臂。
在现有技术中，手术时，机械臂、手术用的床，以及手术中用于拍摄影像的医学成像设备都处于自己独立的坐标系中，必须引入红外导航镜头来定位和校准机械臂，手术用的床，以及手术中用于拍摄影像的医学成像设备的位置。操作繁琐，在手术前，需要浪费大量的时间去进行定位。且由于操作的步骤较多，定位过程中的出错率将会大大提高，影响手术成功率。
基于以上应用场景，本发明的核心思路为：设计一种机械臂和床的配合结构，将医学成像设备、碳纤维病床以及机械臂等设备全部统一在同一个坐标系统中，手术时，在同一个坐标系统中操作上述设备。
本发明的一个显著特点是：包括医学成像设备、碳纤维病床以及机械臂在内的设备全部统一于同一个坐标系统中。实现了包括医学成像设备、碳纤维病床以及机械臂在内的三维空间的转换，医学成像设备、碳纤维病床以及机械臂在手术中实现实时配准。
第一实施例
图1,2,3为本发明的机械臂和床配合形成的一体化结构的示意图。本实施例提供了一种机械臂和床的配合系统，其特征在于，包括：
机械臂一体定位单元，用于将机械臂与碳纤维病床设计为一体化的结构，使得所述机械臂与所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统。
具体地，在本实施例中，由于传统的手术机器人在使用机械臂进行手术时，机械臂是一个独立的设备，在进行手术时，就需要引入红外导航镜头来针对于机械臂和手术用的床进行定位。操作过程繁琐，多一个操作，就越容易出现错误，并且定位需要一定的时间，针对于比较危急的病人，多浪费一分时间，可能就会对生命多一分威胁。
基于上述传统的手术机器人中的技术问题，本发明采用将机械臂与碳纤维病床设计为一体结构的形式，用于进行需要手术机器人参与的手术。
将机械臂与碳纤维病床设计为一体结构，有利于将机械臂与碳纤维病床的坐标统一到一个坐标系统中，手术时不需要再通过红外导航镜头进行导航定位。
以下具体列举一种将机械臂与碳纤维病床的坐标统一到一个坐标系统中的方法：
在所述机械臂一体定位单元中，当所述机械臂与所述碳纤维病床固定后，所述机械臂与所述碳纤维床将形成一个确定的坐标关系，具体公式为：
Pbed＝R1·Parm
其中，R1为所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，Pbed为所述碳纤维病床的坐标，Parm为所述机械臂的坐标，此时只需要求解出机械臂的基座坐标系到碳纤维病床的转换矩阵，即可以将机械臂与碳纤维病床转换到同一个坐标系中。
所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵的求解方法为：
通过在所述机械臂末端的光学镜头与所述碳纤维病床上预先固定的包括二维码在内的标识进行手眼标定，以眼在手的标定方式求解Ax＝xb的方程，得到所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵。
其中，通过以眼在手的标定方式进行标定时，通常具有两种不变量关系，一是机械臂末端到光学镜头之间的坐标转换关系，另一个是机械臂的基座到碳纤维病床上预先固定的标识之间的转换关系，X任意设置为两种不变量关系中的任意一个。当X设置为机械臂的基座到碳纤维病床上预先固定的标识之间的转换关系时，即求得的X为机械臂的基座坐标系到碳纤维病床的转换矩阵。
成像设备标定单元，用于标定基于X射线的医学成像设备，将所述医学成像设备与所述碳纤维病床以及所述机械臂统一于同一个坐标系统中，实现包括所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在内的三维空间的转换，所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在手术中的实现实时配准。
具体地，在将机械臂与碳纤维床统一于同一个坐标系统之后，为了在手术进行中更加的方便，需要将手术中经常会用到的基于X射线的医学成像设备也统一到同一个坐标系统中去。只有手术中的所有的设备全部统一到同一个坐标系统中之后，设备之间才能够实现三维空间的转换，在手术时，实现所有设备的实时配准。
需要说明的，本实施例中的将医学成像设备统一到同一个坐标系统中，只是一种举例，根据本发明的思路，任何一种手术中需要用到的设备都可以将坐标统一到同一个坐标系统中去，都属于本发明的保护范围，本实施例不再一一列举。
本发明通过在所述碳纤维病床上安装碳纤维挡板，并同时在所述碳纤维挡板中内嵌标记点的方式来实现将医学成像设备统一到与碳纤维病床同一个坐标系统中。当所述医学成像设备透视过所述碳纤维挡板时，通过所述碳纤维挡板中内嵌的标记点进行定位，建立类似于平面坐标与世界坐标的转换关系的所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系。
在所述成像设备标定单元中，建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系，具体包括建立方程组：
其中，(x,y)为点在平面投影的坐标，坐标系为左下角原点的笛卡尔坐标系，单位为物理尺寸如mm；(u,v)为点在平面投影的坐标转换到图像坐标系，即左上角原点，单位为像素；(x0,y0)为像主点的平面投影坐标；(u0,v0)同理为像主点转换到图像坐标系；f为焦距，fx为x方向焦距，fy为y方向焦距；(X,Y,Z)为点的三维坐标，(Xs,Ys,Zs)为光源点的三维坐标。
最终求得的转换矩阵为：R＝[r11,r12,r13；r21,r22,r23；r31,r32,r33]为相机坐标系到物方坐标系的转换矩阵，即医学成像设备与碳纤维病床的坐标转换关系。
因此，通过求解此方程组，即，获取所述医学成像设备的内参与外参，且由于所述外参所在的所述碳纤维挡板与所述碳纤维病床成刚性关系，可以得出所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系。
第二实施例
本实施例提供了一种机械臂和床的配合方法，包括以下步骤：
S1：针对于手术机器人的应用场景，将机械臂与碳纤维病床设计为一体化的机构，使得所述机械臂与所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统；
S2：对手术中基于X射线成像的医学成像设备进行标定，将所述医学成像设备与所述碳纤维病床以及所述机械臂统一于同一个坐标系统中，实现包括所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在内的三维空间的转换，所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在手术中的实现实时配准。
进一步地，在步骤S1中，还包括：
当所述机械臂与所述碳纤维病床固定后，所述机械臂与所述碳纤维床形成一个确定的坐标关系，具体公式为：
Pbed＝R1·Parm
其中，R1为所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵；
所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，通过在所述机械臂末端的光学镜头与所述碳纤维病床上预先固定的包括二维码在内的标识进行手眼标定，以眼在手的标定方式求解Ax＝xb的方程，得到所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵。
进一步地，在步骤S2中，还包括：
在对基于X射线的所述医学成像设备进行标定之前，在所述碳纤维病床上安装碳纤维挡板，并同时在所述碳纤维挡板中内嵌标记点，以利于当所述医学成像设备透视过所述碳纤维挡板时，通过所述碳纤维挡板中内嵌的标记点进行定位，建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系；
建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系，具体包括建立方程组：
通过求解此方程组，获取所述医学成像设备的内参与外参，且由于所述外参所在的所述碳纤维挡板与所述碳纤维病床成刚性关系，可以得出所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系。
第三实施例
本实施例提供了一种机械臂和床的配合系统的临床应用方法，包括：
使用设计为一体结构的机械臂和碳纤维病床进行手术，将所述机械臂和所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统中，无需使用红外导航镜头进行定位；
当使用基于X射线的医学成像设备进行成像时，当X射线透视过安装于所述碳纤维病床上的碳纤维挡板时，通过所述碳纤维挡板中内嵌的标记点进行定位，建立所述医学成像设备与所述碳纤维病床的坐标转换关系，将所述医学成像设备与所述碳纤维病床以及所述机械臂统一于同一个坐标系统中；
当整体系统建立于统一的坐标系中之后，实现包括所述医学成像设备、所述碳纤维病床以及所述机械臂在内的三维空间的转换，所述医学成像设备、所述碳纤维病床以后所述机械臂在手术中实现实时配准。
进一步地，将所述机械臂和所述碳纤维病床统一于同一个坐标系统中，具体为：
确定所述机械臂与所述碳纤维病床的坐标转换关系，具体为：
Pbed＝R1·Parm
其中，R1为所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，通过在所述机械臂末端的光学镜头与所述碳纤维病床上预先固定的包括二维码在内的标识进行手眼标定，以眼在手的标定方式求解Ax＝xb的方程，得到所述机械臂的基座坐标系到所述碳纤维病床的转换矩阵，Pbed为所述碳纤维病床的坐标，Parm为所述机械臂的坐标。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
