【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗器械，特别涉及一种c形臂x光机的标定系统及空间定位方法。
技术介绍
1、c形臂x光机是骨科手术中常用的术中影像定位设备，还具有实时成像的能力，可以在手术过程中实时观察和导航，对于手术的准确性和安全性非常重要。该设备的工作原理是利用x光球管发出x射线，x线在穿透人体后对组织器官形成可见光图像。c形臂x光机的成像原理与可见光相机基本相同，可以通过解算成像数学模型的方式实现光学定位操作。目前普遍使用相机的小孔成像模型作为c形臂成像的数学模型，需要求解12个外部成像参数以及4个内部成像参数，共计16个参数，通常需要10张以上的不同姿态下的标定图像，进行c形臂内外参标定计算。
2、由于c形臂x光机的x射线发射端和接收端分别位于“c形”手臂的两端，因此在移动c形臂时微小的机械形变放大到手臂两端时会导致c形臂内部参数的巨大变化，无法获得变化的实时参数。现有计算方法标定过程繁琐，并且无法在患者环境下进行标定。
技术实现思路
1、鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本专利技术提供了一种c形臂x光机的标定系统及空间定位方法，能够解决上述存在的技术问题。
2、本专利技术的一个方面，提供了一种c形臂x光机的标定系统，包括：c形臂x光机、光学跟踪设备、标定板、三坐标探针和可在x光下显影的n个靶点，其中n≥6；所述n个靶点设置在所述标定板上，所述标定板通过支撑装置固定在手术床上，标定板垂直于c形臂x光机的光轴，并位于所述c型臂x光机的成像视野下；所述三坐标探针用于获取每个
3、进一步的，所述三坐标探针上设置有四个呈y字形的反光标记点。
4、进一步的，所述靶点包括小球状靶点、圆环形靶点、平面圆形靶点或者针状靶点。
5、进一步的，所述光学跟踪设备为双目摄像机。
6、进一步的，所述支撑装置的长度可调。
7、本专利技术的另一方面，还提供了一种基于上述c形臂x光机的标定系统的空间定位方法，包括：
8、将c形臂x光机的光心作为c形臂x光机坐标系的原点，令c形臂x光机坐标系的z轴与c形臂x光机的光轴重合，令c形臂x光机坐标系的x、y轴与图像坐标系的横纵坐标轴平行；
9、根据世界坐标系和屏幕坐标系的转换关系得到c形臂x光机成像的数学模型：
10、 （1）
11、 （2）
12、其中，为屏幕坐标系的横纵坐标，为世界坐标系的三维坐标，为待求解的11个参数；
13、通过所述c形臂x光机的标定系统获取每个靶点相对于光学跟踪设备的基础坐标系的三维空间坐标，该三维空间坐标为世界坐标系下的坐标；获取每个靶点在x光图像上的坐标，将该x光图像上的坐标作为屏幕坐标系下的坐标；
14、根据获取的n个靶点的三维空间坐标和靶点在屏幕坐标系下的坐标，计算所述数学模型的参数；
15、根据待定位点的世界坐标系下的坐标、计算出的参数和所述数学模型，获得待定位点在屏幕坐标系下的坐标。
16、进一步的，所述根据世界坐标系和屏幕坐标系的转换关系计算得到c形臂x光机成像的数学模型的步骤包括：
17、将空间中某点在世界坐标系的齐次坐标和屏幕坐标系的齐次坐标的转换关系记为：
18、（3）
19、其中，为c形臂x光机的焦距，为c形臂x光机的光心在图像坐标系统中的坐标；为图像坐标系中一个像素的长和宽；为c形臂x光机的坐标系相对于世界坐标系的旋转参数；为c形臂x光机的坐标系相对于世界坐标系的平移参数。
20、进一步的，还包括：
21、根据上述公式（3）和矩阵乘法规则，得到：
22、 （4）。
23、进一步的，还包括：
24、将公式（4）通过矩阵点乘运算得到：
25、 （5）
26、将进行消元后可得：
27、 （6）
28、将消元后得到所述c形臂x光机成像的数学模型。
29、进一步的，所述根据获取的n个靶点的三维空间坐标和靶点在屏幕坐标系下的坐标，计算所述数学模型的参数的步骤，包括：
30、将n个靶点的三维空间坐标和屏幕坐标系下的坐标代入至c形臂x光机成像的数学模型，得到以下矩阵表达式：
31、 ；
32、其中，，为n个靶点的三维空间坐标，其中；为n个靶点在屏幕坐标系下的坐标，其中；
33、其中，；
34、其中，；
35、通过下式求解参数矩阵： 。
36、本专利技术提供的一种c形臂x光机的标定系统及空间定位方法，提出一种基于小孔成像模型的改进型c形臂x光机成像数学模型，将模型中的内参与外参矩阵融合到一起，简化为一个转换矩阵，大大简化模型解算难度。此外，标定系统使用若干靶点作为3d特征，解算c形臂x光机的数学模型中转换矩阵的参数，实现3d空间数据与2d图像数据的空间映射关系计算。本专利技术只需要拍摄一张带3d特征的x光片即可解算当前姿态下c形臂x光机的数学模型参数，大大简化模型参数计算过程，同时精度得以保证。
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1.一种C形臂X光机的标定系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种C形臂X光机的标定系统，其特征在于，所述三坐标探针上设置有四个呈Y字形的反光标记点。
3.根据权利要求1所述的一种C形臂X光机的标定系统，其特征在于，所述靶点包括小球状靶点、圆环形靶点、平面圆形靶点或者针状靶点。
4.根据权利要求1所述的一种C形臂X光机的标定系统，其特征在于，所述光学跟踪设备为双目摄像机。
5.根据权利要求1所述的一种C形臂X光机的标定系统，其特征在于，所述支撑装置的长度可调。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的一种C形臂X光机的标定系统的空间定位方法，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的空间定位方法，其特征在于，所述根据世界坐标系和屏幕坐标系的转换关系计算得到C形臂X光机成像的数学模型的步骤包括：
8.根据权利要求7所述的空间定位方法，其特征在于，还包括：
9.根据权利要求8所述的空间定位方法，其特征在于，还包括：
10.根据权利要求6所述的空间定位方法，其特征
...【技术特征摘要】
1.一种c形臂x光机的标定系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种c形臂x光机的标定系统，其特征在于，所述三坐标探针上设置有四个呈y字形的反光标记点。
3.根据权利要求1所述的一种c形臂x光机的标定系统，其特征在于，所述靶点包括小球状靶点、圆环形靶点、平面圆形靶点或者针状靶点。
4.根据权利要求1所述的一种c形臂x光机的标定系统，其特征在于，所述光学跟踪设备为双目摄像机。
5.根据权利要求1所述的一种c形臂x光机的标定系统，其特征在于，所述支撑装置的长度可调。
6.一种基...
【专利技术属性】
技术研发人员：覃建伟，吴晓君，奚强，郭宸恺，杨标，
申请(专利权)人：苏州铸正机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：
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