【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及手术导航领域，尤其涉及空间内影像注册工装、影像注册方法及其精度评价和验证方法。
技术介绍
1、手术导航系统主要是将术前的影像坐标系和术中的导航设备坐标系关联起来，因此，在术前的影像中规划出的手术通道，可以实时转换到导航设备坐标系中，机械臂末端安装能被导航设备识别的标记物，这样就可以引导机械臂至规划手术通道。
2、将术前影像坐标系和术中的导航设备坐标系进行转换和关联的方法为影像注册。传统的影像注册是通过标定板装置上能够被医学影像识别并位于一个平面的标记物(如钢珠)来进行注册，如专利申请cn113456227a，有5个钢珠分布在一个平面内，从而将影像注册精度局限在小的范围内，当规划通道远离注册钢珠时，这会导致注册范围局限在平面空间内，平面上的注册结果不能代表空间上的真实注册转换关系，且无法度量空间内真实的影像注册精度和系统精度。
技术实现思路
1、专利技术目的：针对上述不足，本专利技术提出一种空间内影像注册工装、影像注册方法及其精度评价和验证方法，可在三维空间上进行影像注册，可以得到空间上的真实注册转换关系，并可确保三维空间上影像注册的准确性。
2、技术方案：
3、空间内影像注册工装，包括：
4、承载体；
5、注册单元，非对称地安装于所述承载体上的至少三个面上，且所述承载体的其中一面为基准面，在所述基准面上安装有至少3个不共线的注册单元；
6、示踪单元，为至少3个，且不共线地安装于所述承载体上。>
7、具体地，所述承载体上设置有至少三个注册面，至少三个注册面两两相交，其中一注册面为基准面；所述注册单元分布在至少三个注册面上，且每个注册面上的注册单元共面。
8、更具体地，所述承载体上设置有一个示踪面，所述示踪单元分布在示踪面上，且在示踪面上共面。
9、更进一步地，所述至少三个注册面和一个示踪面中任意面设置为倾斜面。
10、更进一步地，所述示踪面单独成面，或与其中一注册面重合。
11、具体地，所述承载体上还设置有若干用于在完成影像注册后验证穿刺工具末端在执行到位时能否与其对齐的验证单元。
12、更具体地，所述验证单元为在所述承载体上的标记点或开设的若干孔，其中开设的孔从所述承载体表面延伸至所述承载体内部，进而形成验证通道。
13、更进一步地，所述孔为不同直径规格的孔，且不同孔之间相互平行。
14、更进一步地，在所述承载体上设有验证面，所述验证单元设置在所述验证面上。
15、更进一步地，所述验证面与所述注册面重合设置，或者单独成面，单独成面的所述验证面与所述注册面之间相交并形成倾斜夹角。
16、本专利技术还提供一种空间内影像注册方法，包括：
17、(1)扫描如前述的影像注册工装获取其三维影像，提取三维影像中每一注册单元的影像坐标，并提取所述影像注册工装基准面上的注册单元进行影像的初步注册得到三维影像到实际空间的初始变换矩阵；
18、(2)基于步骤(1)得到的初始变换矩阵，将所述影像注册工装其他面上的注册单元从实际空间变换至三维影像中，获取各注册单元在三维影像中的质心坐标，将其与各注册单元在实际空间中的质心坐标进行配准，得到三维影像相对于所述影像注册工装的最终变换关系。
19、具体地，所述步骤(1)具体为：
20、(11)提取三维影像中每一注册单元的点簇坐标集合并分别计算其质心坐标，通过三坐标测量仪测得注册单元在实际空间中的质心坐标；
21、(12)提取所述影像注册工装基准面上的注册单元，结合步骤(11)获取三维影像中与该些注册单元相对应匹配的注册单元组合；
22、(13)将步骤(12)得到的每一组注册单元组合中各注册单元的影像坐标，与实际空间中选取的注册单元的实际坐标进行配准，选取其中最优的配准结果得到三维影像到实际空间的初始变换矩阵。
23、更具体地，所述最优的配准结果为误差最小或误差位于设定阈值范围内，所述误差采用均方根误差rmse，具体如下：
24、
25、式中，obpoint为注册单元在三维影像中的坐标变换至实际空间中得到的质心坐标，basepoint为注册单元在实际空间中的实际坐标，i表示注册单元中的第i个注册单元，n为选取的注册单元中注册单元的总数。
26、具体地，所述步骤(2)中，所述获取各注册单元在三维影像中的质心坐标，具体为：
27、获取三维影像中各注册单元的点簇坐标集合的质心坐标，遍历计算前述变换得到的各注册单元的质心坐标与三维影像中各注册单元的点簇坐标集合的质心坐标之间的距离，筛选得到其中距离最小所对应的点簇坐标集合及其质心坐标，进而获取得到各注册单元在三维影像中的质心坐标。
28、具体地，所述将各注册单元在三维影像中的质心坐标与各注册单元在实际空间中的质心坐标进行配准，具体为：
29、提取三维影像中每一注册单元的点簇坐标集合，获取各注册单元的点簇坐标集合中各体素点的体素值的最小值和最大值，设定步长进行遍历，得到各个体素阈值，计算点簇坐标集合中体素值大于对应阈值的体素点的质心，作为不同阈值对应的质心；
30、分别将不同阈值对应的质心与各注册单元在实际空间中的质心坐标进行配准，选取其中均方根误差最小所对应的配准结果作为最终配准结果。
31、本专利技术还提供一种基于前述的空间内影像注册方法的精度评价方法，包括：
32、s1、根据所述空间内影像注册方法得到的三维影像相对于影像注册工装的最终变换关系，结合光学追踪设备获取的影像设备上的示踪器的位姿及影像注册工装上示踪单元的位姿，得到影像设备处于其预摆位位置时三维影像相对于影像设备的变换关系；
33、s2、在影像设备运动至其预摆位位置时，再次扫描影像注册工装，结合s1得到的三维影像相对于影像设备的变换关系和光学追踪设备实时获取的影像设备上的示踪器的位姿及影像注册工装上示踪单元的位姿计算得到当前影像注册工装相对于三维影像的变换关系；
34、s3、获取s2扫描得到的三维影像中各注册单元的坐标，结合s2得到的当前影像注册工装相对于三维影像的变换关系计算得到各注册单元在实际空间中的理论坐标；
35、s4、获取各注册单元在实际空间中的实际坐标，根据其与s3得到的各注册单元在实际空间中的理论坐标计算得到前述空间内影像注册方法的精度。
36、具体地，所述s4中，所述计算得到前述空间内影像注册方法的精度，具体为：
37、采用各注册单元的实际坐标pacu与理论坐标preg之间的平均误差eavg作为前述空间内影像注册方法的精度，具体为：
38、
39、其中，j表示各注册单元中的第j个注册单元，m表示各注册单元的总数，xacuj,yacuj,zacuj分别为第j个注册单元的实际质心坐标的坐标值，xregj,yregj,zregj本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.空间内影像注册工装，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述承载体上设置有至少三个注册面，至少三个注册面两两相交，其中一注册面为基准面；所述注册单元分布在至少三个注册面上，且每个注册面上的注册单元共面。
3.根据权利要求2所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述承载体上设置有一个示踪面，所述示踪单元分布在示踪面上，且在示踪面上共面。
4.根据权利要求3所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述至少三个注册面和一个示踪面中任意面设置为倾斜面。
5.根据权利要求3所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述示踪面单独成面，或与其中一注册面重合。
6.根据权利要求1所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述承载体上还设置有若干用于在完成影像注册后验证穿刺工具末端在执行到位时能否与其对齐的验证单元。
7.根据权利要求6所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述验证单元为在所述承载体上的标记点或开设的若干孔，其中开设的孔从所述承载体表面延伸至所述承载体内部，进而形成验证通道。
8.根据权利要求7所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述孔为不同直径规格的孔，且不同孔之间相互平行。
9.根据权利要求8所述的空间内影像注册工装，其特征在于，在所述承载体上设有验证面，所述验证单元设置在所述验证面上。
10.根据权利要求9所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述验证面与所述注册面重合设置，或者单独成面，单独成面的所述验证面与所述注册面之间相交并形成倾斜夹角。
11.一种空间内影像注册方法，其特征在于，包括：
12.根据权利要求11所述的空间内影像注册方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：
13.根据权利要求12所述的空间内影像注册方法，其特征在于，所述最优的配准结果为误差最小或误差位于设定阈值范围内，所述误差采用均方根误差RMSE，具体如下：
14.根据权利要求11所述的空间内影像注册方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述获取各注册单元在三维影像中的质心坐标，具体为：
15.根据权利要求11所述的空间内影像注册方法，其特征在于，所述将各注册单元在三维影像中的质心坐标与各注册单元在实际空间中的质心坐标进行配准，具体为：
16.一种基于权利要求11所述的空间内影像注册方法的精度评价方法，其特征在于，包括：
17.根据权利要求16所述的精度评价方法，其特征在于，所述S4中，所述计算得到前述空间内影像注册方法的精度，具体为：
18.一种基于权利要求11所述的空间内影像注册方法的精度验证方法，其特征在于，包括：
19.根据权利要求18所述的精度验证方法，其特征在于，所述验证单元为在所述承载体上的标记点或开设的若干孔，所述判断穿刺工具前端是否与前述影像注册工装上的验证单元对齐具体为：判断穿刺工具前端与所述影像注册工装上的标记点是否重合或穿刺工具前端能否穿入所述影像注册工装上的某一孔内。
20.根据权利要求19所述的精度验证方法，其特征在于，设定一阈值，判断所述穿刺工具前端与所述影像注册工装上的标记点或所述孔中心之间的距离是否小于该阈值，若小于，则认为穿刺工具前端与所述影像注册工装上的验证单元对齐，否则不对齐。
21.根据权利要求20所述的精度验证方法，其特征在于，所述阈值的设定如下：
...【技术特征摘要】
1.空间内影像注册工装，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述承载体上设置有至少三个注册面，至少三个注册面两两相交，其中一注册面为基准面；所述注册单元分布在至少三个注册面上，且每个注册面上的注册单元共面。
3.根据权利要求2所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述承载体上设置有一个示踪面，所述示踪单元分布在示踪面上，且在示踪面上共面。
4.根据权利要求3所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述至少三个注册面和一个示踪面中任意面设置为倾斜面。
5.根据权利要求3所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述示踪面单独成面，或与其中一注册面重合。
6.根据权利要求1所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述承载体上还设置有若干用于在完成影像注册后验证穿刺工具末端在执行到位时能否与其对齐的验证单元。
7.根据权利要求6所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述验证单元为在所述承载体上的标记点或开设的若干孔，其中开设的孔从所述承载体表面延伸至所述承载体内部，进而形成验证通道。
8.根据权利要求7所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述孔为不同直径规格的孔，且不同孔之间相互平行。
9.根据权利要求8所述的空间内影像注册工装，其特征在于，在所述承载体上设有验证面，所述验证单元设置在所述验证面上。
10.根据权利要求9所述的空间内影像注册工装，其特征在于，所述验证面与所述注册面重合设置，或者单独成面，单独成面的所述验证面与所述注册面之间相交并形成倾斜夹角。
11.一种空间内影像注册方法，其特征在于，包括：
12....
【专利技术属性】
技术研发人员：曹红洋，
申请(专利权)人：佗道医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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