[发明专利]图像引导机器人微创外科手术的物理空间与图像空间配准方法

权利要求书

1.一种图像引导机器人微创外科手术的物理空间与图像空间配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将标定模体固连在机器人上，确定模体坐标系与机器人坐标系之间的转换关系；所述的标定模体包括圆柱形的筒体和按照一定规律设置在所述筒体内的球体，所述筒体的底部设有用于连接所述机器人基座的固定座；所述球体按照以下方式布置：

所述筒体中心轴的两端各设置一个球体，筒体的中心位置处设置一个球体；筒体的顶部端盖和底部端盖的周围均匀布置一圈球体；

2）术中CBCT扫描标定模体，获得不同角度的模体投影图；

3）针对步骤2）中获得的每张投影图，依据基于模体的CBCT成像几何参数标定算法，识别术中CBCT扫描过程中每个角度下的成像几何参数，并求得模体坐标系与探测器坐标系之间的转换关系；具体包括：

3-1）对于每张投影图，分割出标定模体中各个球体的投影；

3-2）计算每个球体投影的中心坐标；

3-3）根据球体投影中心坐标与球体投影之间的几何关系，求解成像几何参数、以及模体坐标系与探测器坐标系之间的变换矩阵；

4）根据步骤3）中获得的术中CBCT成像几何参数，修正CBCT三维重建算法，建立模体坐标系下的三维重建算法模型；具体包括：

4-1）在模体坐标系中，利用步骤3-3）中获得的成像几何参数对投影数据进行余弦修正和逐行线性移不变滤波操作；

4-2）利用步骤3-3）中获得的成像几何参数、以及模体坐标系与探测器坐标系之间的变换矩阵，将模体坐标系中的焦点坐标和重建体素坐标变换至探测器坐标系中；

4-3）在探测器坐标系中，基于体素驱动的反投过程按照焦点和体素点连线与探测器平面求交的形式，对加权反投过程进行修正，并采用快速增量算法对各体素进行快速遍历及求解，得到三维重建算法模型；

5）术中CBCT扫描手术对象，获得不同角度的人体投影图，采集人体投影图的角度与步骤2）中模体投影图的角度一一对应；

6）将步骤5）中获得的人体投影图代入步骤4）中建立的三维重建算法模型，重建模体坐标系中手术对象的三维CT图像；

7）利用模体坐标系与机器人坐标系之间的转换关系，获得机器人与手术对象内部结构的相对位置关系。

2.根据权利要求1所述的图像引导机器人微创外科手术的物理空间与图像空间配准方法，其特征在于，步骤3-1）中的分割方法包括基于灰度阈值的分割方法、基于边缘检测和霍夫圆检测的分割方法、基于U-Net全卷积网络的分割方法。

3.根据权利要求1所述的图像引导机器人微创外科手术的物理空间与图像空间配准方法，其特征在于，步骤3-2）中，采用像素灰度值加权的方法计算每个球体投影的中心坐标。

4.根据权利要求1所述的图像引导机器人微创外科手术的物理空间与图像空间配准方法，其特征在于，步骤4）中，采用齐次变换矩阵的形式修正所述的CBCT三维重建算法。

5.根据权利要求1~4中任一权利要求所述的图像引导机器人微创外科手术的物理空间与图像空间配准方法，其特征在于，所述的成像几何参数包括标定模体的焦点坐标、探测器中心点坐标、以及探测器偏转角度。