CN101019771A - 一种支持多种模式的导航系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持多种模式的导航系统及导航方法，它包括固定成像设备、跟踪系统、手术器械、病床、标定针、标定模和导航系统的软件程序；与固定成像设备位置确定不变设置有至少一套构成世界坐标系的示踪器，世界坐标系的位姿可以被跟踪系统测量；手术器械上设置有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器，手术器械坐标系的位姿可被跟踪系统测量；病床上设置有构成病床坐标系的病床示踪器，病床坐标系可被跟踪系统测量；标定模内部和表面分别设置了一组不对称分布的特征点集I和特征点集II，特征点集I的特征点可被固定成像设备成像，特征点集II的特征点可被跟踪系统测量；经标定，可将病灶图像和手术器械显示到同一个坐标系中。本发明可以广泛用于各种手术导航过程中。

Description

一种支持多种模式的导航系统及导航方法

技术领域

本发明涉及一种手术导航系统及导航方法，特别是关于一种支持多种模式的导航系统及导航方法。

背景技术

手术导航系统是在医学影像设备(包括磁共振成像设备、计算机断层扫描设备(CT)、C型臂、X线设备、超声波成像系统等)所成图像的引导下，利用跟踪系统测量手术器械的位置，从而可以把病灶的三维图像和虚拟手术器械融合并显示在屏幕上，帮助医生精确定位病灶和手术器械的位置，并观察病灶周围的器官和组织，帮助医生避开重要的器官和组织，将手术器械安全地抵达预定地点，以便完成治疗。手术导航设备进入外科并用计算机改进或完善外科医师的能力以进行各项操作，如：监控定位和定向，制定治疗计划，提供最佳进入路径，在一定程度上降低了外科治疗所造成的损伤，缩短了手术时间。在某些传统的手术中，病灶不能直接用肉眼观察(例如不开刀的微创手术或者无创手术)，或者不方便用肉眼观察(例如脑部神经外科手术)，医生只能凭借肉眼观察病灶的图像，凭经验将手术器械放置到目标位置，这种方式造成的手术器件和病灶部位定位之间的误差，会拖延手术的时间，影响手术的质量，特别是这种误差有时会给患者带来不必要的痛苦和损伤。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种支持多种模式的导航系统及导航方法，利用本发明可以将病灶图片和虚拟的手术器械放到同一个坐标系下观测，医生可以通过观测屏幕既能看到病灶，也能看到手术器械，进而准确而快速地将手术器械放置到目标位置，进行手术治疗。

本发明采取以下技术方案：一种支持多种模式的导航系统，其特征在于：它包括固定成像设备、跟踪系统、手术器械、病床、标定针、标定模和导航系统的软件程序；与所述固定成像设备位置对应设置有至少一套构成世界坐标系的示踪器，所述世界坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述手术器械上设置有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器，所述手术器械坐标系的位姿可被跟踪系统测量；所述病床上设置有构成病床坐标系的病床示踪器，所述病床坐标系可被所述跟踪系统测量；所述标定针由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，其经过标定后的针尖接触某点，即可测量此点的位置；所述标定模内部和表面分别设置了一组不对称分布的特征点集I和特征点集II，所述特征点集I的特征点可被所述固定成像设备成像，所述特征点集II的特征点可被所述跟踪系统测量；特征点集I和特征点集II的相对位置关系已知；经标定后，可通过各坐标系之间的相互变换关系，将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中。

在所述病床上患者的皮肤表面设置有与病灶位置对应的导航标志，所述导航标志可被所述固定成像设备成像，且可被所述跟踪系统测量。

一种使用上述支持多种模式的导航系统的导航方法，其包括以下步骤：(1)在由固定成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，固定成像设备自身具有固定成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；(2)用固定成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入固定成像设备的成像区域，由固定成像设备提供病灶的图像数据和固定成像设备坐标系的位姿，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(4)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(5)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。

另一种使用上述支持多种模式的导航系统的导航方法，其包括以下步骤：(1)在由固定成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，固定成像设备自身具有固定成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系，在所述病床上或者与病灶相对位置不变处设置病床示踪器构成病床坐标系；(2)用固定成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入固定成像设备的成像区域，由固定成像设备提供病灶的图像数据，由跟踪系统提供病床坐标系的位姿信息；(4)将病床拖出固定成像设备的成像区域，移动至手术区域，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、病床坐标系和手术器械坐标系的位姿，由固定成像设备提供固定成像设备坐标系，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。

上述各步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，采用了旋转量和平移量分开标定的方法，其步骤如下：(a)利用固定成像设备1测量特征点集I各点在固定成像设备坐标系里的坐标X_i ^scan(i＝1，2，...，n_ph)，由坐标X_i ^scan生成L个向量D_i ^scan，这L个向量D_i ^scan分布在不同的方向；(b)利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标X_i ^track(i＝1，2，...，n_ph)，在跟踪系统坐标系生成和向量D_i ^scan一一对应的向量D_i ^track；(c)这两组向量满足变换关系为： $R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{D}_i^{\mathrm{scan}}=D_i^{\mathrm{track}}(i=\mathrm{1,2},...,n_{\mathrm{ph}});$ (d)由方程组 $R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{D}_i^{\mathrm{scan}}=D_i^{\mathrm{track}}(i=\mathrm{1,2},...,n_{\mathrm{ph}})$ 可解出旋转矩阵R_scan ^track，然后将它代入方程组 $R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{X}_i^{\mathrm{scan}}+T_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}=X_i^{\mathrm{track}}(i=\mathrm{1,2},...,n_{\mathrm{ph}}),$ 可解出T_scan ^track，得到变换关系C_scan ^track，进而得到固定成像设备坐标系和跟踪坐标系之间的变换关系C_scan ^track。

再一种使用上述支持多种模式的导航系统的导航方法，其包括以下步骤：(1)在病床上的患者体表设置至少三个与病灶之间无相对移动的导航标志，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；(2)将载有患者的病床推入固定成像设备的成像区域，由固定成像设备提供病灶的图像数据和导航标志的图像数据；(3)将病床拖出固定成像设备的成像区域，移动至手术区域，首先用软件在病灶图像上提取导航标志在固定成像设备坐标系里的坐标，再用跟踪系统测量导航标志在跟踪系统坐标系里的坐标，根据这两组数据得到固定成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系；(4)由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，由固定成像设备提供固定成像设备坐标系的位姿，结合步骤3的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。

上述各步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，在所述导航系统的软件程序中设置有通过对特征点集I中特征点成像结果进行球心定位的程序，其包括以下步骤：(1)首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；(2)沿球在同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，或扫描得到两幅不同位置的截面圆图像后，拟合出第三幅截面圆图像，由该截面圆面积与该截面圆在扫描方向的坐标值组成一组值；(3)将获得的三组值，拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点对应的坐标值即为球心在该扫描方向上的坐标值；(4)按照同样的方法，得到球心在另外两个坐标轴方向的坐标值，将每一个轴向坐标值，组合在一起即为球心坐标。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1本发明由于设置了各种示踪器、标定针和标定模，因此可以对各示踪器形成的坐标系用标定模进行标定，进而使各坐标系之间可以相互进行变换，实现将病灶图像和手术器械变换到同一坐标系中，使医生可以通过图像看到真实的手术器械与病灶的相对位置，而在图像的引导下进行精确的手术操作。2、本发明针对标定模上的特征点在固定成像设备成像过程中出现的球心位置不确定的问题，提出了一种球心定位方法，并将其预设在导航系统的软件中，因此可以在进行标定模标定时，从图像中得到精确的球心位置，使本发明导航系统导航效果更加精确。3、由于本发明对手术器械、病床等分别设置了示踪器，因此在通过标定模进行标定后，无论是在固定成像设备成像的同时，还是移动或变化手术器械，甚至移动病床到其它位置，都可以在本发明导航系统的控制下，进行多种模式的手术导航，并保证导航精度。4、本发明由于采取将平移量和旋转量分开标定的方式，有效地提高了标定精度。5、本发明标定模的特征点分布在立体空间里，相对于平面标定模(即特征点位于一个平面上)，操作十分方便，可以一次性地提供一组分布于立体空间里的点，克服了使用平面标定模标定，需要手工平移标定模的缺点，使标定结果在固定成像设备的成像区域内准确可靠，特别是标定模的每个面的特征点的几何分布不一样，在计算时可自动匹配标定模特征点。本发明可以广泛用于各种手术导航过程中。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明标定模结构示意图

图3是本发明标定模一个面的特征点设置示意图

图4是本发明标定模的特征点分布示意图

图5是采用固定成像设备所成图像示意图

图6是图5三个截面位置的示意图

图7是本发明沿三维坐标中的z轴扫描拟合出的高斯曲线

图8是本发明球心定位几何关系示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明支持多种模式的导航系统是在一般治疗手术过程中使用的各种设备的基础上，增加本发明特别设置的一些设备组成的导航系统，下面仅就与本发明导航系统相关的设备进行简要描述。

本发明导航系统包括固定成像设备1、跟踪系统2、世界坐标系示踪器3、手术器械4及手术器械示踪器5、病床6及病床示踪器7、标定针8、标定模9和导航系统软件程序等，本发明还可以包括设置在患者体表的导航标志10。

本发明固定成像设备1的“固定”指的是在成像和手术的过程中，其位置不发生移动，例如磁共振成像设备、计算机断层扫描设备(CT)、C型臂、X线设备、超声波成像系统等。固定成像设备1用于对患者的病灶、标定模9内的特征点、导航标志10等成像，固定成像设备坐标系是固定成像设备1自身的属性，可以通过标定模的标定建立它和其它坐标系之间的坐标变换关系。

本发明的跟踪系统2由位置传感器、工作站及相关电路等组成，跟踪系统2能够在跟踪系统的视场(保持测量精度的空间区域)内探测目标点的坐标，也能够测量目标坐标系的位置和姿态(称为位姿)信息，跟踪系统2可以是光学跟踪系统、电磁跟踪系统和机器人等。跟踪系统2利用其上的位置传感器对世界坐标系示踪器3、手术器械示踪器5、病床示踪器7等进行探测，完成对世界坐标系、手术器械坐标系和病床坐标系的位姿跟踪测量。

本发明的世界坐标系示踪器3、手术器械示踪器5和病床示踪器7都可以采用现有技术中由若干个(3个或3个以上)最小的示踪单位(比如表面具有荧光材料的示踪球)组成示踪器，此示踪单元的位置能直接被跟踪系统2里的位置传感器观测，从而示踪器3、5、7可分别作为一个坐标系，提供所依附设备的位姿信息。世界坐标系的位置一般与固定成像设备1连接在一起，也可以设置在其它位置，世界坐标系的位置在治疗中不产生移动。世界坐标系可以由一套或者多套示踪器3构成，如果将多套示踪器3安放在不同位置，在导航过程中可根据需要改变位置传感器的位置，保证位置传感器总能探测到其中的1个示踪器，从而得到世界坐标系的位姿。

本发明的手术器械4包括导管、导丝等精密器械，手术中被引入人体，对体内病灶进行诊断和局部治疗，手术器械4上连接有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器5，由于手术器械4与手术器械示踪器5的物理尺寸和相对位置是确定的，因此手术器械4的位姿信息可以被跟踪系统2测量。

本发明的病床6上放置患者，并可相对固定成像设备1从起始位置运动到成像区域或手术区域等。在病床6上固定作为病床坐标系的病床示踪器7后，病床6的位姿信息就可以被跟踪系统2测量。在某些应用中(例如脑部的神经外科手术)，在病床6上的患者身体上固定有支架，此时也可将病床示踪器7固定在支架上。在病床6或者支架上放置示踪器7的目的都是在病灶发生移动的情况下准确跟踪病灶的位置。在病床6上放置示踪器7，当病灶和病床6无相对移动时，病床6的移动和病灶的移动是一样的；同样的，在支架上放置示踪器7，当病灶和支架无相对移动时，支架的移动和病灶的移动是一样的。在下面的叙述中，病床示踪器7也可理解为支架的示踪器，病床的位姿也可理解为支架的位姿，在数学符号上不作明显的区别。

本发明的标定针8是由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，由于针尖与示踪器的物理尺寸和相对位置是确定的，因此经过标定后，针尖的位置可以被跟踪系统2测量，从而利用标定针8的针尖接触某个点，就可以测量此点的位置。

本发明的导航标志10是设置在患者病灶附近皮肤上的标志，导航标志10既能在固定成像设备1中成像，也能被跟踪系统2测量，通过注册可以计算出这两个坐标系之间的坐标转换关系。导航标志10有两个用途，一是验证跟踪精度，二是注册病灶图像，将图像和病灶实体对齐。

上述注册是指有两组点的坐标数据，这两组点描述的是同一个物体，但由于两组点所在的坐标系不同导致其坐标不一样，通过注册可以计算出这两个坐标系之间的坐标转换关系。也叫做“配准”或“对齐”。

本发明的标定模9可以采用各种结构，本质上都是提供两组特征点集I和II，点集I能在成像设备中成像，从而得到点集I中每一个点在固定成像设备坐标系里的坐标，点集II能被跟踪系统测量，从而得到点集II中每一点在跟踪系统坐标系里的坐标。特征点集I与特征点集II之间的相对位置关系是已知的(称为标定模的几何信息)，即如果知道特征点集I各点的坐标，就能计算出特征点集II各点的坐标；如果知道特征点集II各点的坐标，也可以计算出特征点集I各点的坐标。

如图2、图3所示，本发明的标定模9包括由有机玻璃材料制成300mm×240mm×200mm的长方形标定模本体91，标定模本体91除底面外的其它五个面相似，每个面都具有一定厚度的特征层92，各面之间采用粘接或其它方式密封连接。在每一个特征层92内部都间隔设置有一组作为特征点93的球体(比如鱼肝油小球)，五个面的所有特征点93共同组成了特征点集I。在每一特征层92的外表面与每个特征点93的位置对应，设置一个作为特征点94的凹坑，五个外表面上的特征点94共同组成了特征点集II。在标定模本体91内部，即六个面包起来的空间内是标定模溶液95，也可以没有标定模溶液。标定模溶液95可以采用氯化钠溶液、硫酸铜溶液等，其具有提高负载和信噪比的作用。特征点集I中的特征点93可以被固定成像设备1成像，并能够根据获得的图像计算出其中心；特征点集II的特征点94只要通过标定针8点击，就能够被跟踪系统2识别。

上述实施例中，如果每个特征层92的特征点93、94是对称设置的，但是由于标定模本体1的两个背对背的面是对称的，不借助先验知识就不能知道某一点是处于这个面还是背对的那个面，那么在软件里注册时须人工通知软件特征点集I和II之间的点对应关系；如果在各面设置特征点93或特征点94时，选择不对称的空间分布(以特征点93为例，如图4所示)，即有的位置是空置的，则软件可自动寻找对应关系。本发明为了在注册运算时实现自动匹配，因此在标定模本体91中设置的特征点集I和特征点集II的特征点93、94均采用不对称分布。这种不对称分布包括特征点集I中的各特征点93不对称分布，也包括特征点集II中的特征点94不对称分布，还包括特征点集I的特征点93与特征点集II中的特征点94之间不具有一一对应的关系。尽管这些特征点93、94不对称分布，但是一旦标定模制作完成，各特征点93、94之间的相互位置便是确定的，可以将各特征点93、94标号输入计算机，以方便随时取用。

上述各标定模9主要是用于标定和检验各坐标系之间的相互位置，由于特征点集I的特征点93能够从固定成像设备1所成的图像中分析得到，特征点集II的特征点94能够被跟踪系统2识别测量得到，并且特征点集I与特征点集II之间的关系已知(称为标定模的几何信息)，只要知道其中特征点集I中特征点93(或者特征点集II中特征点94)的坐标，就能推算出特征点集II中特征点94(或特征点集I中特征点93)的坐标，通过它们之间的关系便可以建立固定成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。

然而，根据各种成像设备(磁共振成像设备、计算机断层扫描设备(CT)、C型臂X线设备、超声波成像系统等)的成像特点可知，当固定成像设备1对标定模9中的特征点93进行扫描时(如图5所示)，由于特征点93不是一个点，而是一个球体，扫描所得图像是积分得到的，并且所得到的图像并不规则，特别是距离设备扫描中心越远的位置，得到的图像变形越大(如图6中a、b、c所示)，因此不能从图像中直接得到球体的球心。为此，在本发明导航系统的软件程序中需要添加一种基于高精度成像的球心定位程序，下面具体描述如下：

如图7所示，为了得到特征点93真实的球心，本发明首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；用固定成像设备1扫描特征点93，并沿同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，在扫描方向上的某一截面圆面积S和与该截面在扫描方向的坐标值可以组成一组值；由几何学可知，只要获得三组这样的值，就可以拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点(峰值点)对应的坐标值就是球心在该扫描方向上的坐标值。曲线在z轴上的0点达到峰值，说明该点就是球心在z轴方向的坐标值。按照同样的方法，可以得到球心在另外两个坐标轴(x、y)方向的坐标值，将每一个轴向上利用三个截面计算出球心在这个轴向上的坐标值，组合在一起即可确定球心坐标。

在扫描过程中，有时可能会只得到两幅截面图，这时首先需要由这两幅图拟合出经过圆心的第三幅截面图，然后再用上述方法计算出球心的坐标位置。比如：

如图8所示，用一个平面去截一个球体(特征点93)，会得到一个圆，图中(x，y，z)代表球心坐标，d代表球心到截面圆的距离，R₀代表球半径，r代表截面圆半径，(a，b，c)代表截面圆圆心，t1代表截面圆法线方向。它们之间存在这样的几何关系：

d²+r²＝R₀ ²

已知球体的近似半径R₀是3mm，通过分析图像，可以得到截面圆的圆心坐标(a，b，c)、圆的面积S，利用圆面积S可以得到截面圆半径r，利用球心和圆心坐标可以得到球心到截面圆的距离d，从而可以利用公式(1)得到该轴向上的球心坐标(x，y，z)。

由几何关系，我们知道，只要知道了两个面的参数，就可以用几何的方法列出如下的联立方程，解出球心的坐标值来：

对第一个面：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-a_1)}^2+{(y-b_1)}^2+{(z-c_1)}^2+\frac{S_1}{\mathrm{\π}}={R_0}^2\\ \frac{x-a_1}{{t1}_x}=\frac{y-b_1}{{t1}_y}=\frac{z-c_1}{{t1}_z}\end{array}\right.$

这样可以解出两组值来，从几何上来讲是上下各一个。

对第二个面：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-a_2)}^2+{(y-b_2)}^2+{(z-c_2)}^2+\frac{S_2}{\mathrm{\π}}={R_0}^2\\ \frac{x-a_2}{{t2}_x}=\frac{y-b_2}{{t2}_y}=\frac{z-c_2}{{t2}_z}\end{array}\right.$

也可以解出两组值来，也是上下各一个。

上面解出的四个球心，应该有两个其实是同一点(当然肯定存在误差)。我们求一下每两点间的距离，l₁，l₂，l₃，l₄，则距离最小的两点应该就是正确的球心点，所以把这两点取平均，得到我们要的球心的初值。

有了球心的初值，还知道球半径R₀，也就得到了过球心的截面圆信息，综合已有的两个截面圆信息，就可以利用本发明方法计算球心。由于已经有了三个截面圆的信息(圆心，半径)，可以计算出圆面积；由于圆心坐标值已知，也就得到了三组值，每组值由扫描方向上的某一截面圆面积和与该截面在扫描方向的坐标值组成，把这三组值作为高斯曲线上的点坐标，就可以拟合出一条高斯曲线，从而得到球心在该扫描方向上的坐标值。利用同样的方法，可以得到球心在另两个方向上的坐标值，从而得到球心位置坐标。

本发明导航系统的实质是将病灶图片和虚拟的手术器械放到同一个坐标系下观测，即同时显示在工作的屏幕上(可以是液晶屏幕、投影屏幕或者其它形式的显示器材)，并且屏幕上两者的相对位置和真实的病灶和手术器械的相对位置相同，从而医生通过观测屏幕既能看到病灶，也能看到手术器械，进而准确而快速地将手术器械送到目标位置。

采用本发明的导航系统，本发明可以完成以下两种工作模式(实时和非实时)的运行：

工作模式一：患者躺在病床6上，将病床6推入固定成像设备1的成像区域内，在扫描病灶的同时，实时地进行手术。其中，固定成像设备1提供病灶的图像数据，跟踪系统2提供手术器械4的位姿信息，利用坐标变换将病灶和手术器械4放到同一个坐标系下观测，同时显示在屏幕上，即医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。

工作模式二：患者躺在病床6上，将病床6推入固定成像设备1的成像区域内，得到病灶的图像，然后将病床6拖出至一地点进行手术(患者和病床之间无相互移动)，非实时地进行手术。其中，固定成像设备1提供病灶的图像数据，跟踪系统2提供手术器械3、病床6的位姿信息，利用坐标变换将病灶和手术器械4放到同一个坐标系下观测，同时显示在屏幕上，即医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。

为支持以上两种工作模式，本发明系统支持以下三种导航模式，在具体描述本发明导航模式之前，先对描述中出现的变量定义如下(如表1所示)：

表1：变量的定义

编号	变量	名称	解释
				1	Cworld	世界坐标系矩阵	●4*4矩阵，一般把其它的坐标系、目标点等都放到此坐标系下观测。●此矩阵的值为单位矩阵
2	Cscan R	固定成像设备坐标系矩阵	固定成像设备坐标系在R坐标系里的矩阵。R为任意一个坐标系。4*4矩阵。
				3	Ctrack R	跟踪系统坐标系矩阵	跟踪系统坐标系在R坐标系里的矩阵。R为任意一个坐标系。

			4*4矩阵。
				4	Ctool R	手术器械坐标系矩阵	手术器械坐标系矩阵在R坐标系里的矩阵。R为任意一个坐标系。4*4矩阵。
5	CPT R	病床坐标系矩阵	病床坐标系矩阵在R坐标系里的矩阵。R为任意一个坐标系。4*4矩阵。
				6	Ccal R	标定针坐标系矩阵	标定针坐标系矩阵在R坐标系里的矩阵。R为任意一个坐标系。4*4矩阵。
7	Vobject R	某物体的某一点的坐标	某物体object的某一点在R坐标系里的坐标。
				9	T	手术器械上某一点的坐标	4*1向量。T＝(Tx Ty Tz 1)

导航模式A：为了进行第一种工作模式，本发明采用示踪器3作为世界坐标系(如图1所示)，其是设置在固定成像设备1上的，因此其与固定成像设备1的相对位置保持不变，在手术器械4上固定手术器械示踪器5作为手术器械坐标系。通过标定模9标定，可以得到固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的坐标变换关系，使病灶(固定成像设备1提供其图像和位姿信息)能变换到世界坐标系中(此标定工作只需在安装设备时做一次，只要示踪器3和固定成像设备1之间没有相对移动，以后的手术都可以直接采用其标定结果)。同时通过标定模9标定得到手术器械4在手术器械坐标系里的位姿(每次手术都要进行标定，因为一般在手术前才将手术器械示踪器5固定，且很可能在手术过程中进行手术器械4与手术器械示踪器5的分离、固定)。在手术过程中，跟踪系统2测量世界坐标系的位姿，得到跟踪系统2自己的坐标系和世界坐标系的转换关系；同时，跟踪系统2测量手术器械坐标系的位姿，得到手术器械坐标系和世界坐标系之间的转换关系，从而将手术器械4也变换到世界坐标系观测。除了统一将病灶和手术器械4变换到世界坐标系观测，也可以将它们变换到其它坐标系观测，例如固定成像设备坐标系或者跟踪系统坐标系等。

导航模式A坐标变换关系具体的推导过程如下：

在世界坐标系里观测病灶和手术器械4，固定成像设备1扫描病灶，得到其图像数据，其中包括病灶的任意一点在固定成像设备坐标系里的坐标V_lesion ^scan。根据事先标定好的固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系C_scan ^world，可以将病灶的任意一点坐标从固定成像设备坐标系变换到世界坐标系中，得到此点在世界坐标系里的坐标

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{scan}}---\left(1\right)$

跟踪系统2测量手术器械示踪器5的位姿信息C_tool ^track，同时也测量世界坐标系的位姿C_world ^track，从而得到手术器械坐标系和世界坐标系之间的变换关系

$C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{wrold}}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}---\left(2\right)$

手术器械4上任意一点T在手术器械坐标系里的坐标V_T ^tool是已知的，将其变换到世界坐标系里

$V_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{world}}{V}_T^{\mathrm{tool}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(3\right)$

至此，病灶和手术器械4已经被放到同一个坐标系(世界坐标系)中观测，它们可以被显示在屏幕上。医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。

除了世界坐标系，病灶和手术器械4也可以被变换到其它的坐标系中观测，例如固定成像设备坐标系或者跟踪系统坐标系。

使用固定成像设备坐标系观测，由于病灶已经处于固定成像设备坐标系，其任意一点的坐标为V_lesion ^scan，不需要进行变换，而只需变换手术器械4到固定成像设备坐标系

$V_T^{\mathrm{scan}}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{scan}}{V}_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{scan}}{\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(4\right)$

使用跟踪系统坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在跟踪系统坐标系中的坐标分别为

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{scan}}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{scan}}---\left(5\right)$

$V_T^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(6\right)$

导航模式B：为了进行第二种工作模式，可以在导航模式A的标定方法和跟踪方法的基础上扩展。同样地，使用示踪器3作为世界坐标系，它和固定成像设备1的相对位置保持不变，在手术器械4上固定手术器械示踪器5。此外，为了适应病床6(患者)的移动，还要在病床6上固定病床示踪器7。在手术过程中，病灶在固定成像设备1里成像后，随着病床6移动到进行手术的位置，利用固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的坐标变换关系以及病床6的位姿信息，可以将病灶变换到世界坐标系中观测。手术器械4的跟踪方法和导航模式A中的方法一样。除了统一将病灶和手术器械4变换到世界坐标系观测，也可以将它们变换到其它坐标系，例如固定成像设备坐标系，跟踪系统坐标系或者病床坐标系等。

导航模式B坐标变换关系具体的推导过程如下：

在世界坐标系里观测病灶和手术器械4，患者被推入固定成像设备1成像时，病灶的任意一点在世界坐标系里的坐标即公式(1)描述的

$V_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(1\right)$

其中下标0表示病床6被推入固定成像设备1，此时病床坐标系位姿C_PT，0 ^track被跟踪系统2探测，它在世界坐标系里的位姿为

$C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}---\left(7\right)$

由式(1)和(7)可知此时病灶的任意一点在病床坐标系中的坐标为

$V_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{PT},0}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{PT},0}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{world}}={\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(8\right)$

成像完毕后，病灶(患者)随着病床6运动到手术位置(用下标1表示)。由于病人和病床6无相对移动，病灶在病床6上的坐标保持不变

$V_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{PT},1}=V_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{PT},0}---\left(9\right)$

此时病床6的位姿C_PT，1 ^track被跟踪系统2探测，它在世界坐标系里的位姿为

$C_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}---\left(10\right)$

由式(8)～(10)可得出此时病灶在世界坐标系里的坐标为

$V_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{PT},1}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}{\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(11\right)$

手术器械4的任意一点在世界坐标系里的坐标和式(3)描述的一样

$V_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{world}}{V}_T^{\mathrm{tool}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(3\right)$

至此，病灶和手术器械已经被放到同一个坐标系(世界坐标系)中观测。

除了世界坐标系，病灶和手术器械也可以被变换到其它的坐标系中观测，例如固定成像设备坐标系，跟踪系统坐标系或者病床坐标系。

使用固定成像设备坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在固定成像设备坐标系中的坐标分别为

$V_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{scan}}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{scan}}{V}_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{scan}}{\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}{\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(12\right)$

$={\left(C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}\right)}^{-1}{\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}{\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{tracl}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}$

$V_T^{\mathrm{scan}}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{scan}}{V}_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{scan}}{\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_P^{\mathrm{tool}}---\left(4\right)$

使用跟踪系统坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在跟踪系统坐标系中的坐标分别为

$V_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}{V}_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{PT},1}=C_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}{\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(13\right)$

$V_T^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(6\right)$

使用病床坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在病床坐标系中的坐标分别为

$V_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{PT},1}={\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(7\right)$

$V_T^{\mathrm{PT},1}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{PT},1}{V}_T^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(14\right)$

导航模式C：为了进行第二种工作模式，可以采用与导航模式B不同的标定方法和跟踪方法。其是在患者体表固定能在固定成像设备1中成像的导航标志10(数量不少于3个)，并在固定成像设备1中成像，手术过程中，导航标志10和病灶之间无相对移动。在病床6(患者)被拉出到达手术区域后，在病灶图像上提取导航标志10在固定成像设备坐标系里的坐标，并用跟踪系统2测量患者体表的导航标志10在跟踪系统坐标系里的坐标，将这两组数据注册，从而在某坐标系(例如跟踪系统坐标系)中将病灶图像和真正的病灶的位置重合在一起，由于此时手术器械4也被变换到此坐标系(例如跟踪系统坐标系)，因此可以实现病灶和手术器械4的一起观测，然后就能开始手术。

导航模式C坐标变换关系具体的推导过程如下：

在病床6到位后，在病灶图像上将n_nav个导航标志10(n_nav≥3，一般n_nav等于4)，提取出来，得到导航标志10在固定成像设备坐标系里的三维坐标M_i ^img(i＝1，2，...，n_nav)；使用跟踪系统2测量导航标志点10，得到它们在跟踪系统坐标系里的坐标M_i ^track。病灶和手术器械坐标之间的变换关系为：

$C_{\mathrm{img}}^{\mathrm{track}}{M}_i^{\mathrm{img}}=M_i^{\mathrm{track}}---\left(15\right)$

其中C_img ^track为固定成像设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿。通过式(15)可得到n_nav个方程，并解出C_img ^track。从而病灶的任意一点在固定成像设备坐标系里的坐标V_lesion ^img可变换到跟踪系统坐标系

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{img}}^{\mathrm{track}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{img}}---\left(16\right)$

手术器械4上的任意一点T在手术器械坐标系里的坐标V_T ^tool是已知的，将其变换到跟踪系统坐标系里

$V_T^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(6\right)$

至此，病灶和手术器械4已经被放到同一个坐标系(跟踪系统坐标系)中观测，它们可以被显示在屏幕上，医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。

为了使医生不需要再次使用跟踪系统2测量导航标志点10，可增加一个示踪器作为世界坐标系，其位姿C_world ^track被跟踪系统2测量。此世界坐标系和导航模式A、B的世界坐标系不同，它不是固定于固定成像设备1上，而是和病灶的相对位置保持不变，例如病灶为头部时，可通过机械装置将示踪器和头部固定。

用下标0表示初始的标定位置，1表示跟踪系统2的位置传感器移动到新位置。将病灶的任意一点由跟踪系统坐标系变换到世界坐标系

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{track},1}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track},1}=C_{\mathrm{track},1}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{track},0}^{\mathrm{track},1}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track},0}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},1}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},1}{\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},0}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{img}}^{\mathrm{track},0}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{img}}---\left(17\right)$

将手术器械4的任意一点变换到世界坐标系

$V_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{world}}{V}_T^{\mathrm{tool}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},1}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track},1}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(18\right)$

这样我们就把病灶和手术器械4都放到世界坐标系里观测，当位置传感器移动后，世界坐标系在位置传感器的位姿C_world ^track更新，通过式(17)和(18)的变换保证病灶和手术器械的定位准确。

也可以在跟踪系统中观察病灶和手术器械

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track},1}=C_{\mathrm{track},0}^{\mathrm{track},1}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track},0}={C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},1}\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}.0}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{img}}^{\mathrm{track},0}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{img}}---\left(19\right)$

$V_T^{\mathrm{track},1}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track},1}{V}_T^{\mathrm{tool}}---\left(20\right)$

上述固定成像设备坐标系的标定中，固定成像设备1扫描一个物体得到图像，所用的空间坐标系为固定成像设备坐标系，为了将图像从固定成像设备坐标系变换到其它的坐标系(如世界坐标系)，就需要进行标定工作，得到成像坐标系和某坐标系R(如世界坐标系或跟踪系统坐标系等)之间的变换关系C_scan ^R，有了这个关系，病灶就可以变换到该坐标系中观测。如果知道其它的坐标系(例如跟踪系统坐标系)和世界坐标系的关系，还可以将病灶变换到其它的坐标系中。

本发明采用标定模9和跟踪系统2来标定固定成像设备坐标系与世界坐标系之间的变换关系C_scan ^world。

根据上述标定模9结构的描述可知，固定成像设备扫描标定模9，得到特征点集I的每一特征点93在固定成像设备坐标系里的坐标V_i ^scan(i＝1，2，...，n_ph)；跟踪系统2测量标定模9，得到特征点集II的每一特征点94的坐标，也就得到了特征点集II的每一点在跟踪系统坐标系里的坐标V_i ^track(i＝1，2，..，n_ph)。这两组坐标满足方程

$C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{V}_i^{\mathrm{scan}}=V_i^{\mathrm{track}},(i=\mathrm{1,2},...,n_{\mathrm{ph}})---\left(21\right)$

由这些方程解可解出固定成像设备坐标系与跟踪坐标系之间的变换关系C_scan ^track，进而得到固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系

$C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}---\left(22\right)$

其中C_world ^track由跟踪系统2测量世界坐标系得到。为了提高导航模式A和导航模式B中的标定精度，本发明在用标定模9进行标定时，采用了旋转量和平移量分开标定的方法

C_scan ^track包括旋转矩阵(3×3矩阵)和平移向量(3×1矩阵)，即

$C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}=\left(\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}& T_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(23\right)$

将点坐标

V＝(X 1)^T＝(x y z 1)^T

和式(23)代入(21)得到

$R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{X}_i^{\mathrm{scan}}+T_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}=X_i^{\mathrm{track}}---\left(24\right)$

一般的标定办法是利用固定成像设备1测量特征点集I各点在固定成像设备坐标系里的坐标X_i ^scan(i＝1，2，...，n_ph)，利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，由于特征点集I和II的相对位置关系是已知的，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标X_i ^track(i＝1，2，...，n_ph)，通过方程式(24)同时解出旋转矩阵R_scan ^track和平移向量T_scan ^track。

这样做可以在特征点集I、II附近的区域得到好的局部标定结果，但是由于视场比较大，而标定模的特征点93只是视场里点的一小部分，因此在固定成像设备1的整个视场内标定的精度受旋转矩阵R_scan ^track的误差影响大，使得只有特征点93附近区域定位准确，而远离特征点93的区域误差大。将旋转矩阵和平移矩阵分开标定，可以保证旋转矩阵有最佳的标定结果，这样做虽然牺牲了特征点93、94附近的最小标定误差，但是在整个视场内可以得到好的标定结果。分开标定的具体的过程如下：

首先，利用固定成像设备1测量特征点集I各特征点93在固定成像设备坐标系里的坐标X_i ^scan(i＝1，2，...，n_ph)，由坐标X_i ^scan生成L个向量D_i ^scan。原则是使向量尽量分布在视场的各个方向(最理想的是从视场中心向各个方向发出的向量集)。然后，利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标X_i ^track(i＝1，2，...，n_ph)，在跟踪系统坐标系生成和向量D_i ^scan一一对应的向量D_i ^track(一一对应的意思是如果向量D_i ^scan由特征点V_j ^scan和特征点V_k ^scan生成，那么向量D_i ^track也由同样的特征点V_j ^track和特征点V_k ^track生成)。

这两组向量满足变换关系

$R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{D}_i^{\mathrm{scan}}=D_i^{\mathrm{track}},(i=1,2,...,n_{\mathrm{ph}})---\left(25\right)$

由方程组(25)可解出旋转矩阵R_scan ^track，然后将它代入方程组(24)可解出T_scan ^track，得到变换关系C_scan ^track，进而得到固定成像设备坐标系和跟踪坐标系之间的变换关系C_scan ^track。

在实施上述三种导航模式A、B、C过程中，为了增加跟踪系统2的视场，可使用多个示踪器3共同组成世界坐标系，这些示踪器3分布在不同的位置(各示踪器3之间的坐标变换关系是已经测定好的)，导航时选择位置传感器探测效果最好的示踪器3作为世界坐标系。从而允许跟踪系统2的位置传感器能够移动到多个位置对手术器械4进行位置跟踪，扩大了位置传感器的工作区域。此时病灶和手术器械仍然可以用前面的公式来计算。

Claims (12)

1、一种支持多种模式的导航系统，其特征在于：它包括固定成像设备、跟踪系统、手术器械、病床、标定针、标定模和导航系统的软件程序；与所述固定成像设备位置对应设置有至少一套构成世界坐标系的示踪器，所述世界坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述手术器械上设置有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器，所述手术器械坐标系的位姿可被跟踪系统测量；所述病床上设置有构成病床坐标系的病床示踪器，所述病床坐标系可被所述跟踪系统测量；所述标定针由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，其经过标定后的针尖接触某点，即可测量此点的位置；所述标定模内部和表面分别设置了一组不对称分布的特征点集I和特征点集II，所述特征点集I的特征点可被所述固定成像设备成像，所述特征点集II的特征点可被所述跟踪系统测量；特征点集I和特征点集II的相对位置关系已知；经标定后，可通过各坐标系之间的相互变换关系，将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中。

2、如权利要求1所述的一种支持多种模式的导航系统，其特征在于：在所述病床上患者的皮肤表面设置有与病灶位置对应的导航标志，所述导航标志可被所述固定成像设备成像，且可被所述跟踪系统测量。

3、如权利要求1或2所述的一种支持多种模式的导航系统，，其特征在于：所述标定模包括一标定模本体，所述标定模本体除底面外的其它五个面，每个面都具有一定厚度的特征层，各所述特征层内部设置有组成一特征点集I的一组球体，各所述特征层表面设置有组成特征点集II的另一组凹坑，所述标定模本体由六个面包起来的空间内充满标定模溶液。

4、一种如权利要求1或2或3所述的支持多种模式的导航系统的导航方法，其包括以下步骤：

(1)在由固定成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，固定成像设备自身具有固定成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；

(2)用固定成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；

(3)将载有患者的病床推入固定成像设备的成像区域，由固定成像设备提供病灶的图像数据和固定成像设备坐标系的位姿，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；

(4)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；

(5)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。

5、如权利要求4所述的一种支持多种模式的导航方法，其特征在于：在所述世界坐标系中，

所述病灶的任意一点坐标V_lesion ^world，可以由此点在固定成像设备里的坐标V_lesion ^scan变换而来：

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{scan}}$

其中C_scan ^world为事先标定好的固定成像设备坐标系与世界坐标系之间的变换关系。

所述手术器械的任意一点的坐标V_T ^world，可以由此点在手术器械坐标系里的坐标V_T ^tool变换而来：

$V_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{world}}{V}_T^{\mathrm{tool}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}$

$C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{wrold}}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}$

其中，C_world ^track为跟踪系统测量的世界坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系，C_tool ^track为跟踪系统测量的手术器械坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。

6、一种如权利要求1或2或3所述的支持多种模式的导航系统的导航方法，其包括以下步骤：

(1)在由固定成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，固定成像设备自身具有固定成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系，在所述病床上或者与病灶相对位置不变处设置病床示踪器构成病床坐标系；

(2)用固定成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；

(3)将载有患者的病床推入固定成像设备的成像区域，由固定成像设备提供病灶的图像数据，由跟踪系统提供病床坐标系的位姿信息；

(4)将病床拖出固定成像设备的成像区域，移动至手术区域，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、病床坐标系和手术器械坐标系的位姿，由固定成像设备提供固定成像设备坐标系，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；

(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；

(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。

7、如权利要求6所述的一种支持多种模式的导航方法，其特征在于：在所述世界坐标系里观测病灶和手术器械时，固定成像设备扫描病灶，得到其图像上任意一点的坐标V_lesion ^scan，根据事先标定好的固定成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系C_scan ^world，将病灶的图像数据变换到世界坐标系中：

$V_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(1\right)$

其中下标0表示病床被推入成像设备，此时病床的坐标系位姿C_PT，0 ^track被跟踪系统探测，它在世界坐标系里的位姿为：

$C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}---\left(2\right)$

由以上两式可知此时病灶在病床坐标系中的位姿为：

$V_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{PT},0}=C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{PT},0}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{world}}={\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}---\left(3\right)$

成像完毕后，病灶随着病床运动到手术位置，用下标1表示，由于病灶和病床无相对移动，病灶在病床上的位姿保持不变：

$V_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{PT},1}=V_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{PT},0}---\left(4\right)$

此时病床的位姿C_PT，1 ^tarck被跟踪系统探测，它在世界坐标系里的位姿为：

$C_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{track}}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}---\left(5\right)$

由式(3)～(5)可得出此时病灶在世界坐标系里的位姿为：

$V_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},1}^{\mathrm{PT},1}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{PT},1}^{\mathrm{track}}{\left(C_{\mathrm{PT},0}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion},0}^{\mathrm{scan}}$

手术器械在世界坐标系里的位姿为：

$V_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{world}}{V}_T^{\mathrm{tool}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}$

此时病灶和手术器械已经被放到世界坐标系中观测。

8、如权利要求4或5或6或7所述的一种支持多种模式的导航方法，其特征在于：所述步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，采用了旋转量和平移量分开标定的方法，其步骤如下：

(a)利用固定成像设备1测量特征点集I各点在固定成像设备坐标系里的坐标X_i ^scan(i＝1，2，...，n_ph)，由坐标X_i ^scan生成L个向量D_i ^scan，这L个向量D_i ^scan分布在不同的方向；

(b)利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标Xⁱ _track(i＝1，2，...，n_ph)，在跟踪系统坐标系生成和向量D_i ^scan一一对应的向量D_i ^track；

(c)这两组向量满足变换关系为： $R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{D}_i^{\mathrm{scan}}=D_i^{\mathrm{track}}(i=\mathrm{1,2},...,n_{\mathrm{ph}});$

(d)由方程组 $R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{D}_i^{\mathrm{scan}}=D_i^{\mathrm{track}}(i=\mathrm{1,2},...,n_{\mathrm{ph}})$ 可解出旋转矩阵R_scan ^track，然后将它代入++++方程组 $R_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}{X}_i^{\mathrm{scan}}+T_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{track}}=X_i^{\mathrm{track}}(i=\mathrm{1,2},...,n_{\mathrm{ph}}),$ 可解出T_scan ^track，得到变换关系C_scan ^track，进而得到固定成像设备坐标系和跟踪坐标系之间的变换关系C_scan ^track。

9、一种如权利要求1或2或3所述的支持多种模式的导航系统的导航方法，其包括以下步骤：

(1)在病床上的患者体表设置至少三个与病灶之间无相对移动的导航标志，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；

(2)将载有患者的病床推入固定成像设备的成像区域，由固定成像设备提供病灶的图像数据和导航标志的图像数据；

(3)将病床拖出固定成像设备的成像区域，移动至手术区域，首先用软件在病灶图像上提取导航标志在固定成像设备坐标系里的坐标，再用跟踪系统测量导航标志在跟踪系统坐标系里的坐标，根据这两组数据得到固定成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系；

(4)由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，由固定成像设备提供固定成像设备坐标系的位姿，结合步骤3的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；

(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；

(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。

10、如权利要求9所述的一种支持多种模式的导航方法，其特征在于：当患者到达手术区域后，用软件处理固定成像设备扫描得到的导航标志图像上，得到导航标志在固定成像设备坐标系里的坐标M_i ^img，其中i＝1，2，...，n_nav；用跟踪系统测量导航标志，得到其在跟踪系统坐标系里的坐标M_i ^track；病灶和手术器械的坐标之间的变换关系为：

$C_{\mathrm{img}}^{\mathrm{track}}{M}_i^{\mathrm{img}}=M_i^{\mathrm{track}}---\left(1\right)$

其中C_img ^track为固定成像设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿，通过式(1)可得到n_nav个方程，并解出C_img ^track，则病灶图像的任意一点V_lesion ^img可变换到跟踪系统坐标系：

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{img}}^{\mathrm{track}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{img}}---\left(2\right)$

手术器械上某点T在手术器械坐标系里的坐标V_T ^tool是已知的，将其变换到跟踪系统坐标系：

$V_T^{\mathrm{track}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track}}{V}_T^{\mathrm{tool}}$

其中C_tool ^track为跟踪系统测量的手术器械坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。

此时病灶和手术器械已经被放到跟踪系统坐标系中观测。

11、如权利要求9所述的一种支持多种模式的导航方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，增加一个与所述病灶位置相对保持不变示踪器作为新世界坐标系，其位姿C_world ^track被跟踪系统测量，用下标0表示跟踪系统的位置传感器处于初始的标定位置，1表示跟踪系统的位置传感器移动到新位置；病灶的任意一点在世界坐标系里的坐标V_lesion ^world可由此点在固定成像设备坐标系里的坐标V_lesion ^img变换而来：

$V_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{track},1}^{\mathrm{world}}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track},1}=C_{\mathrm{track},1}^{\mathrm{world}}{C}_{\mathrm{track},0}^{\mathrm{track},1}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{track},0}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},1}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},1}{\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},0}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{img}}^{\mathrm{track},0}{V}_{\mathrm{lesion}}^{\mathrm{img}}$

其中C_world ^track，0为世界坐标系和初始位置上的跟踪系统坐标系之间的变换关系，C_world ^track，1为世界坐标系和新位置1上的跟踪系统坐标系之间的变换关系，C_img ^track，0固定成像设备坐标系和初始位置0上的跟踪系统坐标系之间的变换关系。

所述手术器械的任意一点的坐标V_T ^world，可以由此点在手术器械坐标系里的坐标V_T ^tool变换而来：

$V_T^{\mathrm{world}}=C_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{world}}{V}_T^{\mathrm{tool}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track},1}\right)}^{-1}{C}_{\mathrm{tool}}^{\mathrm{track},1}{V}_T^{\mathrm{tool}}$

其中，C_world ^track，1为世界坐标系和新位置1上的跟踪系统坐标系之间的变换关系，C_tool ^track为手术器械坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。

此时病灶和手术器械已经被放到世界坐标系中观测。

12、如权利要求4或5或6或7或8或9或10或11所述的一种支持多种模式的导航方法，其特征在于：所述步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，在所述导航系统的软件程序中设置有通过对特征点集I中特征点成像结果进行球心定位的程序，其包括以下步骤：

(1)首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；

(2)沿球在同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，或扫描得到两幅不同位置的截面圆图像后，拟合出第三幅截面圆图像，由该截面圆面积与该截面圆在扫描方向的坐标值组成一组值；

(3)将获得的三组值，拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点对应的坐标值即为球心在该扫描方向上的坐标值；

(4)按照同样的方法，得到球心在另外两个坐标轴方向的坐标值，将每一个轴向坐标值，组合在一起即为球心坐标。

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