体表定位带的点集匹配方法及设备与流程

本发明涉及医学手术机器人的定位，具体涉及一种体表定位带的点集匹配方法及设备。

背景技术：

1、在工程领域中，点集(或点云)配准技术扮演着至关重要的角色。其核心目标是寻找一个变换矩阵，该矩阵能够将源点集与目标点集精准地重合。这一过程的精髓在于精确建立两组点集之间的一一对应关系，即点集匹配。点集匹配算法，作为这一任务的数学利器，通过精密的计算与分析，致力于探寻最优的点集匹配方案，以确保配准的高精度与可靠性。

2、点集匹配算法在多个领域，尤其是医学手术机器人的体表定位带中，有着广泛应用。在医学实践中，常使用带有定位标记的反光小球组成的体表定位带，根据小球数量进行命名，有n个小球则称为n点定位带。手术前，把定位带贴合于患者身体上进行ct扫描，在ct影像下可以提取到n个小球的ct坐标，作为源点集；而在手术中时，ndi红外导航定位系统则负责捕捉到这几个小球的世界坐标，构成目标点集。为了手术的精确进行，需要将这两组点集坐标进行匹配。然而，传统的点集匹配算法在处理某些特定情况时存在明显的不足。比如在处理具有轴对称性的点集时，由于无法准确区分对称的点，传统算法往往会导致匹配失败，从而影响了手术的精确度和安全性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明一方面提供一种体表定位带的点集匹配方法及设备，包括：

2、获取贴合于人体表面的体表定位带的术前体表定位点图像和术中体表定位点图像；

3、分别在所述术前体表定位点图像和所述术中体表定位点图像中识别多个定位点，得到源点集和目标点集；

4、分别对所述源点集和所述目标点集进行平面拟合，得到源点集拟合平面和目标点集拟合平面；

5、分别获取两个拟合平面的两个法向量，并在所述源点集拟合平面和所述目标点集拟合平面中确定相同的一个法向量为正方向；

6、以正方向为观测方向、设定旋转方向、任一定位点为起点，确定所述源点集中多个定位点的顺序信息(a1…an)以及对应角度的顺序信息(α1…αn)，其中，α1…αn表示对应于定位点a1…an的角度值；

7、以正方向为观侧方向，设定旋转方向、每一定位点为起点，确定所述目标点集中多个定位点的顺序信息(bi…bj)以及对应角度的顺序信息(βi…βj)，其中，βi…βj表示对应于定位点bi…bj的角度值，βi表示作为起点的定位点，βj表示最后一个定位点；

8、根据所述目标点集中的各组角度的顺序信息(βi…βj)和所述源点集中的角度的顺序信息(α1…αn)，从顺序信息(bi…bj)中确定与(a1…an)匹配的一个定位点的顺序信息。

9、可选地，确定所述源点集中多个定位点的顺序信息(a1…an)以及对应角度的顺序信息(α1…αn)，包括：

10、获取所述源点集中多个定位点的坐标；

11、计算多个定位点的坐标的算术平均值，得到源点集拟合平面的形心c1及坐标；

12、确定所述形心c1与源点集中各个定位点之间连线；

13、根据所述形心c1的坐标和源点集中各个定位点的坐标计算各个连线与形心c1的夹角α1…αn；

14、根据所述源点集中的多个定位点顺序信息(a1…an)确定对应角度的顺序信息(α1…αn)。

15、可选地，确定对应角度的顺序信息(βi…βj)，包括：

16、获取所述目标点集中多个定位点的世界坐标；

17、计算多个定位点的世界坐标的算术平均值，得到目标点集拟合平面的形心c2及世界坐标；

18、确定所述形心c2与目标点集中各个定位点之间的连线；

19、根据所述形心c2的世界坐标和目标点集中各个定位点的世界坐标计算各个连线与形心c2之间夹角βi…βj；

20、根据所述目标点集中多个定位点的顺序信息(bi…bj)确定对应角度的顺序信息(βi…βj)。

21、可选地，确定所述源点集中多个定位点的顺序信息(a1…an)以及对应角度的顺序信息(α1…αn)，包括：

22、获取所述源点集中多个定位点的坐标；

23、根据所多个定位点的坐标计算各个定位点连线之间的夹角α1…αn；

24、根据所述源点集中的多个定位点顺序信息(a1…an)确定对应角度的顺序信息(α1…αn)。

25、可选地，确定对应角度的顺序信息(βi…βj)，包括：

26、获取所述目标点集中多个定位点的世界坐标；

27、根据多个定位点的世界坐标计算各个定位点连线之间的夹角βi…βj；

28、根据所述目标点集中多个定位点的顺序信息(bi…bj)确定对应角度的顺序信息(βi…βj)。

29、可选地，在所述源点集拟合平面和所述目标点集拟合平面中确定相同的一个法向量为正方向，包括：

30、在所述术前体表定位点图像的三维坐标系中确定体内点，进而得到所述体内点指向所述形心c1的向量m1，将所述源点集拟合平面的两个法向量中与所述向量m1的夹角更小的一个法向量确定为正方向；

31、在所述术中体表定位点图像的三维坐标系中确定体外点，进而得到所述体外点指向所述形心c2的向量m2，将所述目标点集拟合平面的两个法向量中与所述向量m2的夹角更大的一个法向量确定为正方向。

32、可选地，根据所述目标点集中的各组角度的顺序信息(βi…βj)和所述源点集中的角度的顺序信息(α1…αn)，从顺序信息(bi…bj)中确定与(a1…an)匹配的一个定位点的顺序信息，包括：

33、计算所述目标点集中的各组角度分别与所述源点集中的角度的差值；

34、将差值最小的目标点集的顺序信息作为与(a1…an)匹配的一个定位点的顺序信息。

35、可选地，利用如下方式计算所述目标点集中的各组角度分别与所述源点集中的角度的差值：

36、δi＝|βi-α1|+|βi+1-α2|……|βj-αn|

37、其中，δi表示第i组目标点集中的角度与所述源点集中的角度的差值。

38、可选地，所述正方向是从人体向外的方向。

39、本发明第二方面提供了一种体表定位带的点集匹配设备，该设备包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行上述的体表定位带的点集匹配方法。

40、本发明通过术前与术中体表定位带图像的获取，获取源点集与目标点集，并经过平面拟合与法向量正方向的精准确定，显著提高了点集匹配的准确性，特别是在处理具有轴对称性的点集时，有效避免了传统算法因无法区分对称点而导致的匹配失败问题。本发明显著提高了点集匹配的准确性，从而提高了手术的精确度和安全性，降低了因定位不准确而引发的手术风险。

技术特征：

1.一种体表定位带的点集匹配方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述源点集中多个定位点的顺序信息(a1…an)以及对应角度的顺序信息(α1…αn)，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定对应角度的顺序信息(βi…βj)，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述源点集中多个定位点的顺序信息(a1…an)以及对应角度的顺序信息(α1…αn)，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定对应角度的顺序信息(βi…βj)，包括：

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述源点集拟合平面和所述目标点集拟合平面中确定相同的一个法向量为正方向，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述目标点集中的各组角度的顺序信息(βi…βj)和所述源点集中的角度的顺序信息(α1…αn)，从顺序信息(bi…bj)中确定与(a1…an)匹配的一个定位点的顺序信息，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用如下方式计算所述目标点集中的各组角度分别与所述源点集中的角度的差值：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正方向是从人体向外的方向。

10.一种体表定位带的点集匹配设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求1-9中任意一项所述的体表定位带的点集匹配方法。

技术总结
本发明提供一种体表定位带的点集匹配方法及设备。应用于医学手术机器人的定位领域。该方法包括：获取术前体表定位点图像和术中体表定位点图像；分别识别多个定位点，得到源点集和目标点集；分别对源点集和目标点集进行平面拟合，得到源点集拟合平面和目标点集拟合平面；分别获取两个拟合平面的两个法向量，并在源点集和目标点集拟合平面中确定相同的一个法向量为正方向；确定源点集中多个定位点的顺序信息以及对应角度的顺序信息；确定目标点集中多个定位点的顺序信息以及对应角度的顺序信息；根据目标点集中的各组角度的顺序信息和源点集中的角度的顺序信息，从顺序信息中确定与匹配的一个定位点的顺序信息。本发明提高了对称点集匹配的准确性。

技术研发人员：张昊任,陈向前,李闫英男,郭健,陈妙娉,谢晓飞
受保护的技术使用者：真健康（广东横琴）医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10