CN105073056A - 跟踪系统及利用其的跟踪方法 - Google Patents

Abstract

公开一种使得只用一台成像单元便能够算出各个标记的三维坐标，在减少制作费用的同时实现设备的小型化，能够使手术空间的制约最小化的跟踪系统及利用其的跟踪方法。所述跟踪系统及利用其的跟踪方法可以借助配置于互不相同位置的一对光源，在成像单元的互不相同的位置，能够按每个标记为单位完成一对标记影像的成像，因而只利用一台成像单元，便能够通过三角法算出所述各标记的三维坐标，从而能够算出并确认附着于目标物的多个标记的空间位置信息和方向信息，因此，能够节省跟踪系统的制作费用并实现小型轻量化，因而与以往的跟踪系统相比，具有相对更少受到手术空间制约的效果。

Description

跟踪系统及利用其的跟踪方法

技术领域

本发明涉及跟踪系统及利用所述跟踪系统的跟踪方法，更详细地，涉及通过跟踪附着于患者的患处或手术器械之类的目标物的多个标记的坐标，来检测目标物的空间位置信息或方向信息的手术用跟踪系统及利用所述跟踪系统的跟踪方法。

背景技术

最近，当实施腹腔镜手术或耳鼻喉科手术时，为了更加减少患者的痛苦，并使患者更快恢复而正研究和导入机器人手术。

当实施这种机器人手术时，为了可以将手术的风险最小化，并能进行更加精密的手术，使用可以在准确地跟踪并检测患处或手术器械之类的目标物的空间位置和方向之后，向患者的患处准确地引导(NAVIGATE)所述手术器械的导航仪。

如上所述的手术用导航仪包括可以准确地跟踪并检测如上所述的患处或手术器械之类的目标物的空间位置和方向的跟踪系统。

如上所述的跟踪系统包括：标记，通常附着于患处或手术器械之类的目标物；第一成像单元、第二成像单元，使通过所述多个标记来释放的光完成成像；以及处理器，与所述第一成像单元、第二成像单元相连接来计算出所述多个标记的三维坐标之后，将用于连接已保存的相邻的所述多个标记的多个直线的信息和由相邻的一对直线所形成的角度信息，与所述多个标记的三维坐标进行比较，来计算出所述目标物的空间位置和方向。

在此，为了通过处理器来计算出所述多个标记的三维坐标，通常在假设从一个标记中释放并在第一成像单元完成成像的所述标记的坐标和在所述第二成像单元完成成像的所述标记的坐标相同的情况下，通过三角法进行检测，因此必须需要两台探测器。

因此，现有的普通的跟踪系统必须设置用于在互不相同的位置使从各个标记中释放的光成像的两台成像单元，因此，不仅会使制作费用上升，而且系统的整体大小变大，从而具有手术空间受到很大制约的问题。

发明内容

解决的技术问题

因此，本发明的目的在于，提供一种跟踪系统及利用所述跟踪系统的跟踪方法，其仅利用一台成像单元也可以计算出各个标记的三维坐标，从而不仅可以减少制作费用，而且能够实现装备的紧凑化，使得能够最小化手术空间的制约。

技术方案

本发明一个实施例的跟踪系统包括：标记，其至少为3个，附着于目标物并使光反射；光源，其为一对，在互不相同的位置向所述多个标记释放光；透镜部，其使从所述一对光源释放并被所述多个标记反射的光通过；成像单元，其接收通过所述透镜部的光，按每个标记为单位完成一对标记影像的成像；及处理器，其利用在所述成像单元中按每个标记为单位完成成像的一对标记影像，算出所述多个标记的三维坐标后，比较所述多个标记的三维坐标与已保存的相互相邻的多个标记间的几何学信息，算出目标物的空间位置信息与方向信息。

另一方面，所述跟踪系统还可以包括分束器，其配置于所述透镜部与成像单元之间，使从所述一对光源中的任意一个光源释放的光的一部分反射，使得通过所述透镜部而向所述多个标记的珠心方向释放，使向所述多个标记的珠心方向释放并被所述多个标记再反射而通过所述透镜部而流入的光的一部分通过所述成像单元。

另外，所述跟踪系统还可以包括扩散器，其配置于向所述分束器侧释放光的光源与所述分束器之间，使从所述光源释放的光扩散。

若举出一例，所述成像单元可以是接收从所述多个标记反射并依次通过所述透镜部和分束器的光，从而按每个标记为单位完成一对影像成像的摄像头。

若举出一例，所述多个标记间的几何学信息可以是连接所述相互相邻的多个标记的多个直线的长度信息和所述相互相邻的一对直线构成的角度信息。

本发明一个实施例的跟踪方法包括：从配置于互不相同位置的一对光源，向至少3个标记释放光的步骤；从所述一对光源释放的光被所述多个标记而向透镜部侧反射的步骤；被所述多个标记反射的光通过所述透镜部，在成像单元中按每个标记为单位完成一对标记影像的成像的步骤；利用在所述成像单元中按每个标记为单位完成成像的一对标记影像，通过处理器算出所述各个标记的三维坐标的步骤；及比较所述各个标记的三维坐标与所述处理器中已保存的相互相邻的多个标记间的几何学信息，算出所述目标物的空间位置和方向的步骤。

其中，所述一对光源中的任意一个光源可以向配置于所述透镜部与成像单元之间的分束器方向释放光后，借助于所述分束器而使光的一部分反射，通过所述透镜部向所述多个标记的珠心方向释放，另一个光源向所述多个标记直接释放光。

另一方面，向所述分束器方向释放的光可以被配置于所述分束器之间的扩散器而扩散，向所述分束器侧释放。

若举出一例，所述多个标记间的几何学信息可以是连接所述相互相邻的多个标记的多个直线的长度信息和所述相互相邻的一对直线构成的角度信息。

若举出一例，算出所述多个标记的三维坐标的步骤还可以包括：通过所述处理器，利用在所述成像单元中成像的按每个标记为单位的一对标记影像的成像位置信息，算出所述各标记的二维中心坐标的步骤；及利用所述各标记的二维中心坐标，算出所述多个标记的三维坐标的步骤。

发明效果

如上所述，本发明一个实施例的跟踪系统及利用其的跟踪方法，由于可以借助配置于互不相同位置的一对光源，在成像单元的互不相同的位置，按每个标记为单位完成一对标记影像的成像，因而只利用一台成像单元，便能够通过三角法算出所述各标记的三维坐标，从而算出并确认附着于目标物的多个标记的空间位置信息和方向信息。

因此，不仅可以降低跟踪系统的制作费用，而且可以实现装备的小型轻量化，从而与现有的跟踪系统相比，具有相对少受手术空间的制约的效果。

附图说明

图1是本发明一个实施例的跟踪系统的概略图。

图2是多个标记附着于目标物的示例图。

图3是用于说明本发明一个实施例的跟踪方法的框图。

图4是用于说明算出多个标记的三维坐标的过程的框图。

图5是用于说明在3个标记与透镜水平排列的状态下，多个标记的影像在成像单元中成像的状态的示例图。

图6是用于说明多个标记与透镜部的距离而导致的标记影像的成像位置变化的放大示例图。

图7是用于说明算出第一标记的二维中心坐标的过程的示例图。

图8是用于说明光在标记的表面反射的地点与标记的中心的关系的示例图。

图9是用于说明算出光在标记的表面反射的地点的坐标的过程的示例图。

具体实施方式

本发明可以实施多种变更，也可以具有多种形态，本发明将特定实施例例示于附图中，并在本文中进行详细说明。但这并不用于将本发明限定于特定的公开形态，而应理解为包括本发明的思想及技术范围所包括的所有变更、等同技术方案及代替技术方案。

第一、第二等术语可用于说明多种结构要素，但上述结构要素不能仅限于上述术语。上述术语仅用于从另一个结构要素中区别出一个结构要素的目的。例如，在不脱离本发明的保护范围的情况下，第一结构要素可命名为第二结构要素，相似地，第二结构要素也可命名为第一结构要素。

在本发明中所使用的术语仅用于对特定的实施例进行说明，并不用于限定本发明。只要在上下文中未明确地表示不同，单数的表达就可以包括复数的表达。在本申请中，应理解为“包括”或“具有”等术语用于指定说明书所记载的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或他们的组合的存在，并不用于提前排除一个或一个以上的其他特征或数字、步骤、动作、结构要素、部件或他们的组合的存在或附加可能性。

只要没有以不同的方式定义，包括技术性术语或科学性术语在内的，在此使用的所有术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。

通常所使用的词典上已定义的术语应解释为具有与相关技术的上下文中所具有的含义相一致的含义，在本申请中，只要没有明确定义，就不会以异常或过分形式性的含义来进行解释。

下面参照附图，更详细地说明本发明的优选实施例。

本发明的一实施例的跟踪系统及利用上述跟踪系统的跟踪方法在患处或手术器械之类的目标物附着至少三个标记之后，计算出上述多个标记的三维坐标，并通过处理器来对已保存于处理器的相邻的多个标记之间的几何学信息和上述多个标记的三维坐标进行比较，从而可以计算出上述患处或手术器械之类的目标物的空间位置和方向，对于这种详细结构，将参照附图进行说明。保存

图1是本发明一个实施例的跟踪系统的概略图，图2是多个标记附着于目标物的示例图。

如果参照图1及图2，本发明一个实施例的跟踪系统可以包括至少3个标记110、111、112、至少2个第一光源150及第二光源151、透镜部120、分束器(beamsplitter)160、成像单元130及处理器140等。

所述至少三个标记110、111、112附着于患处或手术器械之类的目标物200。其中，所述至少三个标记110、111、112与相邻的标记110、111、112隔开规定间隔，并以虚拟方式连接相邻的标记110、111、112，使得各标记的相邻的一对直线L1、L2、L3配置成形成一定的角度A1、A2、A3，从而附着于所述患处或手术器械之类的目标物200。

其中，所述相邻的标记110、111、112之间的几何学信息，即，用于连接相邻的标记110、111、112的直线L1、L2、L3的长度信息和用于连接相邻的标记110、111、112的相邻的一对直线所形成的角度A1、A2、A3信息已保存于安装在所述处理器140的保存器(memory)141中。

例如，所述三个标记110、111、112能够以三角形形态附着于患处或手术器械之类的目标物200，而用于形成将所述三个标记110、111、112作为顶点的三角形的边的各个直线L1、L2、L3的长度信息和用于连接所述多个标记110、111、112的相邻的一对直线所形成的角度A1、A2、A3信息可以已保存于所述处理器140所包括的保存器141中。

另一方面，所述标记110、111、112可以是至少反射从所述第一光源150、所述第二光源151释放的光的被动(passive)标记。

所述第一光源150、所述第二光源151在互不相同的位置向所述标记110、111、112释放光。例如，所述第一光源150可以向所述标记110、111、112直接释放光，所述第二光源151配置成位于所述透镜部120与所述成像单元130之间，能够使之朝向配置于所述透镜部120与所述成像单元130之间的分束器160并释放光。并且使从所述第二光源151释放的光，的一部分被分束器160而反射，从而通过所述透镜部120后，向所述标记110、111、112的珠心方向释放光。

即，从第二光源151释放的光的一部分被所述分束器160而反射，通过透镜部120而向所述标记110、111、112的珠心方向释放，而其余的则使其通过所述分束器160。

不同于此，所述第二光源151也可以直接向所述标记110、111、112释放，第一光源150可以向分束器160释放光，通过所述透镜部130，向所述标记110、111、112的珠心方向释放光。

例如，作为所述第一光源150、所述第二光源151，优选使用在所述标记110、111、112的全体表面中只在一点进行反射的点照明。

所述透镜部120使从在所述第一光源150与第二光源151中选择的任意一个光源向所述标记110、111、112直接释放并反射的光，和从另一光源释放后被所述分束器160而反射并通过透镜部120而向所述标记110、111、112的珠心方向释放并再反射的光通过。

所述分束器160配置于所述透镜部120的后方部。所述分束器160使从在所述第一光源150与第二光源151中选择的任意一个光源释放的光的一部分通过，而对其余的进行反射并使其通过透镜部120后，向所述标记110、111、112的珠心方向进行释放。

所述成像单元130配置于所述分束器160的后方部，接收依次通过所述透镜部120和分束器160的光，使按所述每个标记110、111、112为单位完成一对标记影像的成像。

即，所述成像单元130配置于所述分束器160的后方部，接收从在所述第一光源150与第二光源152中选择的任意一光个源直接向所述标记110、111、112释放并反射后依次通过所述透镜部120和分束器160的光，和从另一个光源向分束器160释放并反射而通过透镜部120后，向所述标记110、111、112的珠心方向释放并再反射后，依次通过所述透镜部120和分束器160的光，从而完成按每个标记110、111、112为单位的一对标记影像的成像。

其中，从所述第一光源150、所述第二光源151释放后被所述标记110、111、112反射并通过透镜部120而流入所述分束器160的光，一部分被所述分束器160而反射，其余的则通过所述分束器160后，流入所述成像单元130，使得按每个标记110、111、112为单位完成一对标记影像的成像。

例如，所述成像单元130可以是安装有图象传感器131的摄像头，所述图象传感器131接收从所述第一光源150、所述第二光源151释放后被所述标记110、111、112而反射，从而依次通过所述透镜部120和分束器160的光，使得按每个标记110、111、112为单位完成一对标记影像的成像。

另一方面，也可以在所述第一光源150、所述第二光源151中的向所述分束器160释放光的任意一个光源与所述分束器160之间配置有扩散器(diffuser)170，使向所述分束器160侧释放的光进行扩散。

所述处理器140利用从第一光源150、所述第二光源151释放并分别被标记110、111、112反射而在所述成像单元130中成像的，按每个标记110、111、112为单位的一对标记影像，算出所述各标记110、111、112的三维坐标，把所述标记110、111、112的三维坐标与已保存的相互相邻的标记110、111、112间的几何学信息比较，从而能够算出附着有所述标记110、111、112的患处或手术器械之类的所述目标物200的空间位置信息和方向信息。

在此，在上述处理器140安装有保存器141。另一方面，可在安装于上述处理器140的保存器141中已保存相邻的上述多个标记110、111、112之间的几何学信息，即，用于已保存连接相邻的多个标记110、111、112的多个直线L1、L2、L3的长度信息和用于连接相邻的多个标记110、111、112的相邻的一对直线所形成的角度A1、A2、A3信息。

在此基础上，在安装于所述处理器140的保存器141中，可以已保存有所述第一光源150、所述第二光源151的空间位置信息和方向信息。

下面参照图1至图8，对利用本发明一个实施例的跟踪系统来跟踪目标物的空间位置和方向的过程进行说明。

图3是用于说明本发明一个实施例的跟踪方法的框图，图4是用于说明算出多个标记的三维坐标的过程的框图，图5是用于说明在3个标记与透镜水平排列的状态下，多个标记的影像在成像单元中成像的状态的示例图，图6是用于说明多个标记与透镜部的距离而导致的标记影像的成像位置变化的放大示例图，图7是用于说明算出第一标记的二维中心坐标的过程的示例图，图8是用于说明光在标记的表面反射的地点与标记的中心的关系的示例图，图9是用于说明算出光在标记的表面反射的地点的坐标的过程的示例图。

下面，在本发明的一个实施例中，为了说明的便利，举出将第一光源配置成向多个标记直接释放光，而将第二光源配置成通过分束器而向所述多个标记释放光的状态为例进行说明。

如果参照图1至图9，为了利用本发明一个实施例的跟踪系统来跟踪目标物的空间位置信息和方向信息，首先，启动配置于互不相同位置的第一光源150、第二光源151，从所述第一光源150、所述第二光源151向所述第一至第三标记110、111、112释放光(S110)。

如果更详细地进行说明，启动所述第一光源150而释放的点照明直接照射于所述第一至第三标记110、111、112，启动所述第二光源151而释放的点照明，则照射于分束器160，一部分通过所述分束器160，其余的被所述分束器160反射，从而通过透镜部120后，向所述第一至第三标记110、111、112的珠心方向释放。

从所述第一光源150、所述第二光源151以点照明形态向所述标记110、111、112释放的光，被所述第一至第三标记110、111、112而反射，向透镜部120侧进行反射(S120)。

如果更详细地进行说明，从所述第一光源150释放的光，直接被所述第一至第三标记110、111、112的表面中的一个地点而反射，从而通过第一至第三光程AX1、AX2、AX3，向透镜部120侧进行反射，从所述第二光源151释放的光，照射于所述分束器160，一部分通过所述分束器160，其余的被所述分束器160而反射，从而通过第四至第六光程AX4、AX5、AX6，通过所述透镜部120后，向所述第一至第三标记110、111、112的珠心方向释放。

通过所述第一至第六光程AX1、AX2、AX3、AX4、AX5、AX6而通过了所述透镜部120的光，在成像单元130中按每个标记110、111、112为单位完成一对标记影像的成像(S130)。

如果更详细地进行说明，从所述第一光源150释放并通过第一光程AX1而被所述第一标记110而反射，从而通过透镜部120的光，在所述成像单元130中完成第一标记110的第一标记影像的成像，从所述第二光源151释放并通过第四光程AX4而被所述第一标记110而反射，从而通过透镜部120的光，在所述成像单元130中完成所述第一标记110的第二标记影像的成像。另外，从所述第一光源151释放并通过第二光程AX2而被所述第二标记111反射，从而通过透镜部120的光，在所述成像单元130中完成第二标记111的第一标记影像的成像，从所述第二光源151释放并通过第五路径AX5而被所述第二标记111而反射，从而通过透镜部120的光，在所述成像单元130中完成所述第二标记111的第二标记影像的成像。另外，从所述第一光源150释放并通过第三光程AX3而被所述第三标记112而反射，从而通过透镜部120的光，在所述成像单元130中完成第三标记112的第一标记影像的成像，从所述第二光源151释放并通过第六光程AX6而被所述第三标记112而反射，从而通过透镜部120的光，在所述成像单元130中完成所述第三标记112的第二标记影像的成像。

如上所述，第一至第三标记110、111、112的第一、二标记影像在所述成像单元130中完成成像后，利用在所述成像单元130中完成成像的所述第一至第三标记110、111、112的第一、二标记影像，通过处理器140算出所述第一至第三标记110、111、112的三维坐标(S140)。

下面对算出所述第一至第三标记110、111、112的三维坐标的步骤进行更详细说明。

为了算出所述各标记110、111、112的三维坐标，首先，通过所述处理器140，利用在所述成像单元130中完成成像的各标记110、111、112的第一、二标记影像的成像位置信息，算出所述各标记110、111、112的二维中心坐标(S141)。

对算出所述各标记110、111、112的二维中心坐标的过程进行更详细地说明。为了说明的便利，在图5及图6中，以第一至第三标记与透镜部水平地配置成一列的情形为例进行说明。而且，通过对所述多个标记与透镜部水平地配置成一列的状态进行说明，从而在附图中省略了分束器。

另外，如图1所示，对于从第二光源151向各标记110、111、112的珠心方向释放后，被所述各标记110、111、112而反射，通过第四至第六光程AX4、AX5、AX6流入成像单元130，从而完成成像的第一至第三标记110、111、112的多个第二标记影像的成像位置，由于与透镜部120的中心线CL一致，因而在图5及图6中省略。

如图5及图6所示，从第一光源150释放的光源通过第一至第三光程AX1、AX2、AX3，在各标记110、111、112的互不相同地点的表面进行反射，在所述成像单元130中完成成像。因此，从所述第一光源150释放后，被所述各标记110、111、112而反射，通过第一至第三光程AX1、AX2、AX3从而通过了透镜部120后，流入成像单元130并完成成像的第一至第三标记110、111、112的多个第一标记影像，在所述成像单元130内，在互不相同的位置完成成像。

因此，所述处理器140可以利用所述各标记110、111、112的第一标记影像的成像位置信息、所述第二标记影像的成像位置信息、所述处理器140中已保存的所述第一光源150、所述第二光源151的位置信息及所述第一至第三标记110、111、112的半径信息，算出所述各标记110、111、112的二维中心坐标。

下面对借助于所述处理器而算出多个标记的二维中心坐标的过程进行详细说明。

如图7所示，如果把标记110、111、112的二维中心坐标定为x、y，把第一光源150的坐标定为I₁、J₁，把第二光源151的坐标定为I₂、J₂，把由第一光源150而释放，之后被第一标记110而反射，从而在成像单元130中完成成像的所述第一标记影像的坐标定为U₁、V₁，把由第二光源151而释放，之后被所述第一标记110而反射，从而在成像单元130中完成成像的第二标记影像的坐标定为U₂、V₂，把从所述第一光源150释放的光源，被第一标记110而反射的地点的坐标定为x₁、y₁，把从第二光源151释放的光源，被所述第一标记110反射的地点的坐标定为X₂、Y₂，那么，作为从U₁、V₁朝向x₁、y₁的向量、从U₂、V₂朝向X₂、Y₂的向量、从I₁、J₁朝向x₁、y₁的向量、从I₂、J₂朝向X₂、Y₂的向量可以表示为如同<数学式1>。

数学式1

$\stackrel{\&OverBar;}{U}=\left|\right|\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\end{array}\right]\left|\right|$

$\stackrel{\&OverBar;}{V}=\left|\right|\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\end{array}\right]\left|\right|$

$\stackrel{\&OverBar;}{I}=\left|\right|\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ J_1\end{array}\right]\left|\right|$

$\stackrel{\&OverBar;}{J}=\left|\right|\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{I}_2\\ J_2\end{array}\right]\left|\right|$

另一方面，包括U₁、V₁与x₁、y₁的直线

$\tilde{u},$

包括U₂、V₂与X₂、Y₂的直线

$\tilde{v},$

包括点I₁、J₁与x₁、y₁的直线

$\tilde{I},$

包括I₂、J₂与X₂、Y₂的直线

$\tilde{J}$

可以表示为如同<数学式2>。

数学式2

$\tilde{u}=\stackrel{\&OverBar;}{U}\&CenterDot;t_1$

$\tilde{v}=\stackrel{\&OverBar;}{V}\&CenterDot;t_2$

$\tilde{I}=\tilde{I}\&CenterDot;p_1+\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ J_1\end{array}\right]$

$\tilde{J}=\stackrel{\&OverBar;}{J}\&CenterDot;p_2+\left[\begin{array}{c}{I}_2\\ J_2\end{array}\right]$

其中，t₁、t₂是决定该直线的长度的值。

另一方面，

$\tilde{u},\tilde{v},\stackrel{\&OverBar;}{I},\stackrel{\&OverBar;}{J}$

也可以表示为如同<数学式3>。

数学式3

而且，如果参照图7及图8，从所述第一光源150(参照图7)或第二光源151(参照图7)释放并被第一标记110而反射的地点的坐标x₁、y₁，应在具有x、y中心的半径r上，而输入于所述x₁、y₁的向量之和应与连接x₁、y₁与第一标记110的中心坐标x、y的向量方向一致，从而半径r的平方可以表示为如同数学式4，作为从x、y向x₁、y₁的向量

$\stackrel{\&OverBar;}{P}$

和从x、y向x₂、y₂的向量

$\stackrel{\&OverBar;}{Q}$

可以表示为如同<数学式5>。

数学式4

(X-x)²+(Y-y)²＝r²

${(\stackrel{\&OverBar;}{U_x}\&CenterDot;t_1-x)}^2+{(\stackrel{\&OverBar;}{U_y}\&CenterDot;t_1-y)}^2=r^2$

${\left({\stackrel{\&OverBar;}{V}}_x\&CenterDot;t_2-x\right)}^2+{\left({\stackrel{\&OverBar;}{V}}_y\&CenterDot;t_2-y\right)}^2=r^2$

数学式5

$\begin{array}{cc}\stackrel{\&OverBar;}{P}=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\stackrel{\&OverBar;}{U}\&CenterDot;t_1-\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]& \stackrel{\&OverBar;}{P}\&times;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{U}+\stackrel{\&OverBar;}{I}}{2}=0\end{array}$

$\begin{array}{cc}\stackrel{\&OverBar;}{Q}=\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\stackrel{\&OverBar;}{V}\&CenterDot;t_2-\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]& \stackrel{\&OverBar;}{Q}\&times;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{V}+\stackrel{\&OverBar;}{J}}{2}=0\end{array}$

另一方面，如果利用在<数学式4>和<数学式5>中公开的4个数学式，那么，关于x、y、t₁、t₂的误差E可以表示为如同<数学式6>。

数学式6

$E=\left|{(\stackrel{\&OverBar;}{U_x}\&CenterDot;t_1-x)}^2+{(\stackrel{\&OverBar;}{U_y}\&CenterDot;t_1-y)}^2-r^2\right|+\left|{(\stackrel{\&OverBar;}{V_x}\&CenterDot;t_2-x)}^2{(\stackrel{\&OverBar;}{V_y}\&CenterDot;t_2-y)}^2-r^2\right|+\left|\stackrel{\&OverBar;}{P}\&times;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{U}+\stackrel{\&OverBar;}{I}}{2}\right|+\left|\stackrel{\&OverBar;}{Q}\&times;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{V}+\stackrel{\&OverBar;}{J}}{2}\right|$

在所述<数学式6>中，变数为t₁、t₂、x、y，因而借助于处理器140，算出作为第一标记110的二维中心坐标x、y。

所述处理器140反复如上所述的过程，还将算出第二标记111与第三标记112的二维中心坐标。

另一方面，对算出从所述第一光源150或所述第二光源151释放的光在第一标记110的表面反射的地点的坐标的过程进行说明。

如图9所示，把第一标记110的半径定为“r”，把透镜部120的中心坐标定为(0、0)，把第一光源150的位置定为(0、d)，把第一标记110的中心定为(e、f)，把从第一光源150释放的光在第一标记150的表面反射的地点的坐标定为(x、y)。

数学式7

(x-e)²+(y-f)²＝r²----------------------------(1)

y＝(tanθ-tanθ′)/(1+tanθtanθ′)x-(tanθ-tanθ′)/(1+tanθtanθ′)+f----(2)

y＝tanθx----------------------------------(3)

y＝((tanθ-(2tanθ′/(1-tanθ′²)))/(1+tanθ(2tanθ′)/(1-tanθ′²))))x+d---(4)

因此，第一标记150的半径的平方可以表示为如同数学式7的(1)，数学式(1)还可以表示为如同<数学式7>的(2)至(4)，如果求出<数学式7>的(4)的解，那么，就可以算出从所述第一光源150释放的光在第一标记110的表面反射的地点的y轴坐标。

另一方面，如果针对x整理所述<数学式7>的1，求出其解，那么，就可以算出从所述第一光源150释放的光在第一标记110的表面反射的地点的x轴坐标。

因此，所述处理器140可以反复如上所述的过程，算出由第一光源150和第二光源151释放并在第一至第三标记110、111、112的表面进行反射的地点的坐标。

之后，利用所述第一至第三标记110、111、112的二维坐标，通过所述处理器140，算出所述第一至第三标记110、111、112的三维坐标。S142

如上所述，在借助处理器140而算出第一至第三标记110、111、112的三维坐标后，通过处理器140，比较所述各个标记110、111、112的三维坐标与所述处理器140中已保存的相互相邻的标记110、111、112间的几何学信息，从而算出附着有所述标记110、111、112的目标物200的空间位置和方向(S150)。

在此，如上所述，上述相邻的多个标记110、111、112之间的几何学信息可以为用于虚拟连接相邻的多个标记110、111、112的多个直线L1、L2、L3的长度信息和用于连接上述多个标记110、111、112的相邻的一对直线所形成的角度A1、A2、A3信息。

即，通过所述处理器140，比较所述各个标记110、111、112的三维坐标与所述处理器140中已保存的，进行虚拟连接的相互相邻的标记110、111、112的直线L1、L2、L3的长度信息、相互形成连接各标记110、111、112的相互相邻的一对直线构成的角度A1、A2、A3信息，算出附着有所述标记110、111、112的目标物200的空间位置信息和方向信息。

如上所述，就本发明一个实施例的跟踪系统及利用其的跟踪方法而言，配置于互不相同位置的一对光源150、151中的任意一个光源，直接向各标记110、111、112的表面上的任意一个地点释放光，使得向透镜部120侧形成反射，从而致使各标记110、111、112的第一标记影像在成像单元130中完成成像，另一光源通过透镜部120向各标记110、111、112的珠心方向释放光，使得再向透镜部120侧形成反射，使得各标记110、111、112的第二标记影像在所述成像单元130中完成成像，从而使得在成像单元中按每个标记110、111、112为单位完成一对标记影像的成像。

即，在成像单元130的互不相同的位置，按一个标记110、111、112为单位完成一对标记影像的成像，从而只利用一台成像单元130，通过三角法，便能够算出所述各标记110、111、112的三维坐标。

因此，本发明一个实施例的跟踪系统及利用其的跟踪方法只用一台成像单元130，便能够算出并确认附着于目标物200的标记110、111、112的空间位置信息和方向信息。

因此，不仅可以降低跟踪系统的制作费用，而且可以实现装备的小型轻量化，从而与现有的跟踪系统相比，具有相对少受手术空间的制约的优点。

在如上所述的本发明的详细说明中，虽然参照本发明的优选实施例进行了说明，但只要是本发明所属技术领域的成熟的技术人员或该技术领域的普通技术人员，就可以在不脱离本发明的保护范围所记载的本发明的思想及技术领域的范围内，对本发明进行多种修改及变更。

Claims (10)

1.一种跟踪系统，其特征在于，包括：

标记，其至少为3个，附着于目标物并使光反射；

光源，其为一对，在互不相同的位置向所述多个标记释放光；

透镜部，其使从所述一对光源释放并被所述多个标记反射的光通过；

成像单元，其接收通过所述透镜部的光，按每个标记为单位完成一对标记影像的成像；及

处理器，其利用在所述成像单元中按每个标记为单位完成成像的一对标记影像，算出所述多个标记的三维坐标后，比较所述多个标记的三维坐标与已保存的相互相邻的多个标记间的几何学信息，算出目标物的空间位置信息与方向信息。

2.根据权利要求1所述的跟踪系统，其特征在于，

还包括分束器，其配置于所述透镜部与成像单元之间，

使从所述一对光源中的任意一个光源释放的光的一部分进行反射，使之通过所述透镜部而向所述多个标记的珠心方向释放，

使向所述多个标记的珠心方向释放并被所述多个标记再反射且通过所述透镜部而流入的光的一部分通过所述成像单元。

3.根据权利要求2所述的跟踪系统，其特征在于，

还包括扩散器，其配置于向所述分束器侧释放光的光源与所述分束器之间，使从所述光源释放的光扩散。

4.根据权利要求1所述的跟踪系统，其特征在于，

所述成像单元是接收从所述多个标记反射并依次通过所述透镜部和分束器的光，从而按每个标记为单位完成一对影像成像的摄像头。

5.根据权利要求1所述的跟踪系统，其特征在于，

所述多个标记间的几何学信息是连接所述相互相邻的多个标记的多个直线的长度信息和所述相互相邻的一对直线构成的角度信息。

6.一种跟踪方法，其特征在于，包括：

从配置于互不相同位置的一对光源，向至少3个标记释放光的步骤；

从所述一对光源释放的光被所述多个标记而向透镜部侧进行反射的步骤；

被所述多个标记反射的光通过所述透镜部，从而在成像单元中按每个标记为单位完成一对标记影像的成像的步骤；

利用在所述成像单元中按每个标记为单位完成成像的一对标记影像，通过处理器算出所述各个标记的三维坐标的步骤；及

比较所述各个标记的三维坐标与所述处理器中已保存的相互相邻的多个标记间的几何学信息，从而算出所述目标物的空间位置和方向的步骤。

7.根据权利要求6所述的跟踪方法，其特征在于，

所述一对光源中的任意一个光源向配置于所述透镜部与成像单元之间的分束器方向释放光后，借助于所述分束器而使光的一部分进行反射，从而通过所述透镜部向所述多个标记的珠心方向进行释放，

另一个光源向所述多个标记直接释放光。

8.根据权利要求7所述的跟踪方法，其特征在于，

向所述分束器方向释放的光被配置于所述分束器之间的扩散器而扩散，从而向所述分束器侧进行释放。

9.根据权利要求6所述的跟踪方法，其特征在于，

所述多个标记间的几何学信息是连接所述相互相邻的多个标记的多个直线的长度信息和所述相互相邻的一对直线构成的角度信息。

10.根据权利要求6所述的跟踪方法，其特征在于，

算出所述多个标记的三维坐标的步骤，还包括：

通过所述处理器，利用在所述成像单元中成像的按每个标记为单位的一对标记影像的成像位置信息，算出所述各标记的二维中心坐标的步骤；及

利用所述各标记的二维中心坐标，算出所述多个标记的三维坐标的步骤。