CN112638251A - 一种测量位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量一个目标的位置的方法。该方法包括：给目标提供一个标记和提供一个跟踪组件。该标记具有凸形测量表面，配置成球体的一部分或全部，使得凸形测量表面的中心实质上对应于目标的位置。跟踪组件包括一个测量件，其上固定有跟踪工具。其中一种类型的测量件具有与标记的凸形测量表面实质上相配合的凹形测量表面。另一种类型的测量件包括一个视觉测量系统，它被配置成为能够测量标记中心的位置,该位置是指相对于视觉测量系统所指定坐标系的位置。获得校准关系的方法也被说明了，该校准关系是指视觉测量系统所指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系。本公开的方法更加方便，能够提高测量目标位置的准确度。

Description

一种测量位置的方法
技术领域
本发明一般涉及目标跟踪等领域，，更具体地说，涉及一种测量位置的方法。
背景技术
使用手术导航系统辅助手术时，标记物通常放置在患者周围(例如，患者皮肤上)。使用CT/MRI扫描后，这些标记物通常显示在生成的图像中。为了关联CT/MR图像中的标记物与在患者周围的在物理世界中的标记物，通常用注册笔进行一个注册操作。所谓的注册笔通常是与跟踪组件一起使用，用于测量这些标记物在物理世界中的位置。这些标记物中的每一个通常被认为是一个点。通过关联这个点在物理世界中的位置和在成像世界中的位置，得到了一个变换关系，从而将物理世界中的任何位置转换成成像世界中的位置。然后在一种利用了导航系统的外科手术中，一种使用了跟踪组件而位置被跟踪的医疗器械，其图像可以与扫描的患者图像一起显示在图像中。
发明内容
本发明的发明人已经认识到，目前，在注册过程中，用于确定标记物位置的方法存在不准确之处。
在一些实施例中，一种测量至少一个目标位置的方法，该方法包括：
a)为每个目标提供标记和跟踪组件，其中：
每个标记都有一个凸形测量表面，其被配置为球体的一部分或全部，使得凸形测量表面的中心实质上对应于待测量目标的位置；以及跟踪组件包括一个测量件；以及跟踪组件还包括一个跟踪工具，该跟踪工具固定地附接在测量件上；以及测量件被配置成能够获得，相对于跟踪工具的，标记的凸形测量面的中心位置；以及跟踪组件被配置成能够获得，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据；
b)获取与记录，相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，以及获取与记录，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据；
c)根据所记录的,相对于跟踪工具的,每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据,以及所记录的,相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据,计算而获得，相对于跟踪组件的参考坐标系的，每个目标的位置。
在一些实施例中，所述测量件具有凹形测量表面，与所述每个至少一个标记的凸型测量表面实质配合；以及测量件配置成能够获得，相对于跟踪工具的，凹形测量面的中心位置；
在一些实施例中，在步骤b)，获取和记录，相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，以及获取与记录，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据，是通过把测量件的凹形测量面接触到每个至少一个标记的凸形测量面来实现的。
在一些实施例中，所述测量件包括视觉测量系统，被配置成能够测量，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，所述至少一个标记的每个的中心位置；以及所述视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系是已知的；
从而，获取和记录，相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，是基于已经测量得到的，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，所述每个至少一个标记的中心位置，和所述视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系；
以数学方式来描述，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，所述每个至少一个标记的中心位置表示为(x_b,y_b,z_b),满足以下关系：
Figure BDA0002957187680000021
其中(Δx,Δy,Δz)T代表视觉测量系统的指定坐标系的原点和跟踪工具位置之间的偏差；这个3x3的矩阵
Figure BDA0002957187680000022
代表视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的旋转关系；并且(x_s,y_s,z_s)代表相对于跟踪工具的，至少一个标记的每个的中心位置。
类似地，相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的中心位置(x_s,y_s,z_s)进一步满足以下关系式：
Figure BDA0002957187680000023
其中(x’,y’,z’)T代表相对于跟踪组件的坐标系的，跟踪工具的位置；并且3x3的矩阵
Figure BDA0002957187680000031
代表跟踪工具和跟踪组件的坐标系的旋转关系。以及(x_t,y_t,z_t)代表相对于跟踪组件的坐标系的，每个至少一个标记的中心位置。
进一步来说，基于已经记录下的、相对于跟踪工具的、每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，和已经记录下的、相对于跟踪组件的参照坐标系的、跟踪工具的位置和方向数据，来计算得出相对于跟踪组件的参照坐标系的、每个目标的位置，是由以下步骤所组成的：
用方程(1)中的(x_s,y_s,z_s)T代替方程(2)中的(x_s,y_s,z_s)T得到方程
Figure BDA0002957187680000032
从而计算出相对于跟踪组件的参照坐标系的、空间中的每个至少一个标记的中心位置(x_t,y_t,z_t)。
还注意到，所述的已知的，视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系，是通过以下方法而获得的：
A)提供至少一个标记和跟踪组件，其中：所述至少一个标记中的每一个都具有凸形的测量表面，配置成球体的一部分或全部；以及所述跟踪组件包括一个视觉测量系统，所述视觉测量系统被配置成能够测量，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，至少一个标记的每一个的中心位置；以及所述跟踪组件还包括一个跟踪工具，所述跟踪工具固定地附接在所述视觉测量系统上；以及跟踪组件被配置为能够获得，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置方向数据；
B)排列多个N个标记，使得每个标记的中心位置相对于，跟踪组件的同一个参考坐标系的原点位置之间的相对位置是固定的，其中N≥1；
C)将视觉测量系统放置在，相对于跟踪组件的所述参考坐标系原点的，至少p个不同位置；并且通过视觉测量系统来记录，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，不同的N个标记的相对中心位置数据；并且通过跟踪组件来记录，对应于至少p个不同位置中的每一个的跟踪工具的位置和方向数据；其中如果N＝1，那么p＝5；如果N＝2，或者N＝3，那么p＝3；如果N≥4，那么p＝2；
D)基于N个标记的，至少p组的相对中心位置数据，求解一个非齐次线性方程组，从而获得视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系；其中所述非齐次线性方程组是从一个关系推导而来，该关系指的是，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，球形标记的中心位置，和相对于跟踪组件坐标系的，球形标记的中心位置之间的关系。
在前面步骤C)中，其中将视觉测量系统放置在，相对于跟踪组件的所述参考坐标系原点的，至少p个不同位置；并且通过视觉测量系统来记录，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，不同的N个标记的相对中心位置数据；并且通过跟踪组件来记录，对应于至少p个不同位置中的每一个的跟踪工具的位置和方向数据；其包含以下步骤：
在至少pxn个方程组中获得至少px3xn个方程：
Figure BDA0002957187680000041
Figure BDA0002957187680000042
…………
Figure BDA0002957187680000043
Figure BDA0002957187680000044
Figure BDA0002957187680000045
…………
Figure BDA0002957187680000051
…………
Figure BDA0002957187680000052
Figure BDA0002957187680000053
…………
Figure BDA0002957187680000054
…………
(4)
其中p表示在不同的p个位置，第pth次获取并记录N个标记的中心位置数据；其中如果N＝1，那么p＝5；如果N＝2，或者N＝3，那么p＝3；如果N≥4，那么p＝2；以及(x_b,y_b,z_b)表示相对于视觉测量系统的坐标系的，所述标记的已知中心位置数据。以及(x’,y’,z’)表示跟踪工具的已知位置数据；以及矩阵
Figure BDA0002957187680000055
是已知的关于跟踪工具的方向数据。以及
(xp_bN,yp_bN,zp_bN)代表第Nth个标记在第pth次位置记录时的中心位置数据；以及
(xp’,yp’,zp’)代表跟踪工具在第pth次位置记录时的位置数据；以及矩阵
Figure BDA0002957187680000061
是已知的关于跟踪工具在第pth次位置记录时的方向数据。以及
(xN_t,yN_t,zN_t)代表相对于跟踪组件的坐标系统的，第Nth个标记的中心位置数据；以及(Δx,Δy,Δz)代表视觉测量系统的坐标系和跟踪工具之间的位置校准偏差；以及矩阵
Figure BDA0002957187680000062
代表视觉测量系统的坐标系和跟踪工具之间的方向校准关系。
在前面步骤D)中,所述基于N个标记的，至少p组的相对中心位置数据，求解一个非齐次线性方程组，从而获得视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系；其中所述非齐次线性方程组是从一个关系推导而来，该关系指的是，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，球形标记的中心位置，和相对于跟踪组件坐标系的，球形标记的中心位置之间的关系。它们还包含以下步骤：
求解在公式(4)中的至少pxn个方程组中求解至少nx3xp个方程，从而获得位置偏移：
(Δx,Δy,Δz)，以及方向校准矩阵：
Figure BDA0002957187680000063
在一些实施例中，每个目标的标记包括第一部分和第二部分；第一部分具有球体的形状并且实质上处于所述球形标记的中心；第二部分位于所述球形标记的外层,被安排成所述第二部分的中心也实质上与第一部分的中心重合；以及第一部分和第二部分具有不同成分，通过诊断成像扫描仪，能够产生相对弱或强信号的，从而，在扫描成像中，根据区别显示的斑点，可以容易和准确地确定和测量所述标记的第一部分的中心的图像位置。在一些实施例中，所述至少一个目标,是至少四个目标，并且该方法还包括：
i)基于所述至少四个目标的标记，重构出相对于跟踪组件参考坐标系的，由至少四个目标组成的区域的一组位置数据，其中：
所述至少四个目标位置在三维空间中不共面；并且每个目标相对彼此有一个刚性固定位置；以及跟踪组件参考坐标系的原点和方向被设置在，相对于所述至少四个目标标记的一组位置的刚性固定位置和方向上；
ii)把用于导航的一个物体和一组至少四个目标的标记一起，通过成像扫描仪去扫描，获取至少四个目标标记的一组成像位置数据，其中用于导航的物体、跟踪组件的参考坐标系的原点和方向和至少四个目标标记，彼此之间都是刚性固定的。
iii)根据成像世界中和物理世界中的两组位置数据，满足条件:上述扫描步骤ii)中,在物体和跟踪组件的参考坐标系的方向和原点之间的相对位置和方向是刚性固定不变的，从而计算出成像世界和物理世界之间的位置和方向变换关系，用于物体的导航。
在一些实施例中，所述跟踪组件包括一个发射器，其发射器被配置成产生电磁场；以及跟踪工具包括一个感应线圈，被配置成在所述电磁场中产生感应电压；以及所述跟踪组件还包括一个电子单元，其与所述感应线圈和发射器相耦合，被配置成，基于感应线圈中产生的感应电压，计算出跟踪工具的位置和方向数据；以及跟踪组件的参考坐标系是基于跟踪工具的六个自由度的位置和方向。
附图说明
图1，是根据传统技术，使用注册笔来确定一个标记位置的示意图；
图2.示出了根据本发明的一些实施例的标记位置测量系统；
图3A示出了根据本发明的第一实施例的具有球形形状的标记；
]图3B示出了根据本发明的第二实施例的具有半球形状的标记；
图3C示出了根据本发明的第三实施例的具有凸面形状的标记；
图4A示出了根据本发明的一个实施例的标记的横截面图；
图4B示出了根据本发明的另一实施例的标记的横截面图；
图5A是根据本发明的一些实施例的跟踪组件的第一构件的横截面图，其被配置成以接触方式测量标记的位置；
图5B是图5A所示的跟踪组件的测量头的透视图；
图6示出了标记位置测量系统的示意图，其被配置成根据本本发明的一个实施例以接触方式测量标记的位置；
图7示出了第一实施例的使用标记位置测量系统的方法流程图，根据本发明的一些实施例的接触方式，用于确定待测量点在空间中的三维位置，
图8示出了根据本发明的一些实施例的跟踪组件的第一构件的示意图，其被配置成以非接触的方式测量标记的位置；
图9示出了利用双目视觉测量系统，来获取物体位置信息的原理示意图；
图10示出了标记位置测量系统的示意图，其被配置成根据本本发明的一个实施例以非接触方式测量标记的位置；
图11示出了第二实施例的使用标记位置测量系统的方法流程图，根据本发明的一些实施例的非接触方式，用于确定待测量的空间中的指定的三维位置；
图12是用于获得校准关系的方法的流程图，该校准关系是指根据本发明的一些实施例，视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系。
具体实施方式
图1，是根据传统技术，使用注册笔来确定一个标记位置的示意图.如图所示，具有尖头2(由箭头指示)的注册笔1被配置为用尖头2指向并触摸患者皮肤3上的标记4(如图1中的点所示)。
注册笔1通常配备有跟踪传感器或工具5，固定地安装在登记笔1上。跟踪传感器或工具5与跟踪装置6相耦合。跟踪装置6被配置成从跟踪传感器或工具5获取信号(红外、光学、电磁、超声波等)，并进一步配置成推导、计算并得到跟踪传感器或工具5的位置和方向参数。
基于跟踪传感器或工具5的位置和方向参数，以及跟踪工具/传感器5和注册笔1的笔尖2之间的位置关系，跟踪装置6还被配置成计算注册笔1的尖端2的位置，从而获得标记器4的位置(即，注册笔1的笔尖的位置基本上是标记(4)的位置的替代)。
如图1所示，皮肤3上的标记4不是理想的点，而是具有有限尺寸，因此标记4可以在其物理表面上具有多个点。这样的话，如果注册笔1的笔尖2指向并接触到标记4在其物理表面上的不同位置(点)，取决于标记4表面上点的实际位置，用注册笔1测量就会给出的不同值，造成在确定标记4的实际位置时精度有限的问题。
为了解决上述与当前技术相关的精度不好，一种方法是使标记尽可能小，同时使标记
足够大，以便通过CT/MRI图像在其图像分辨率范围内可以被确定。不是使用尖头的注册笔和微小标记，相反本发明的各种实施例提供了其他方法。下面描述的是本发明的跟踪目标的方法的一些实施例，如在手术导航系统中的对于标记的测量。
在一些实施例中，一种用于测量目标的三维(3D)位置的系统被提供。例如，所述目标可以是一个标记，所述系统可以称为标记位置测量系统。在一些实施例中，目标可以是在病人的皮肤上画或印的记号。在一些其它实施例中，目标可以是要追踪的物理物体，如贴纸、别针、珠子等。目标可以是可移除的或永久性地附在物体上的，如病人，用于测量/定位追踪。
图2示出了根据一些实施例的标记位置测量系统。如图2所示，标记位置测量系统001被配置成测量至少一个标记100的位置，并且包括跟踪组件200和计算设备300。计算设备300可以包括一个或多个处理器或处理电路，以及具有存储软件程序(如指令)的非暂时存储器。软件程序(如指令)，当由计算设备300执行时，可以实现如下所述的算法和方法，和/或计算、分析的步骤，并向用户显示输出。
至少一个标记100(如图2中的标记#1、#2、…、和#n所示，其中n是大于零的整数)分别布置在关于患者的不同位置。跟踪组件200耦合于至少一个标记100中的每一个及计算设备300相。计算设备300被配置成计算至少一个标记100中的每一个的3D位置。
跟踪组件200还包括第一构件210和第二构件220，如图2所示。第一构件210耦合到至少一个标记100中的每一个，并且被配置为获取，相对于第一构件210的，至少一个标记中100的每一个的相对位置数据.
第二构件220耦合到第一构件210，并且被配置为获取第一个构件210的位置和方向数据(例如，六个自由度的位置和方向数据)，通过一些方法，例如，借助固定在第一构件上的跟踪工具(未在图2中示出，但在随后的图5A、图6、图8和图10中示出)。
计算设备300被配置成确定至少一个标记100的每个的3D位置，基于相对于第一构件210的所述至少一个标记100中的每一个的相对位置数据，和第一构件210的位置和方向数据。
根据一些实施例，在标记位置测量系统001中，所述至少一个标记100中的每一个呈球形，因此实质上是球形标记，如图3A所示。跟踪组件200可以具体地配置为测量每个球形标记100的几何中心(或核心中心)O的位置数据，基于每个标记的中心O的3D位置是可以确定的。
注意到，每个标记100的形状不限于球体。根据不同的实施例，每个标记100例如可以具有半球的形状(如图3B所示)，或采用部分球体(未示出)，或采用包括球体一部分的凸面100A(如图3C所示)的特殊形状。在一些其它实施例中，标记100可用非球形形状。一个例子，标记100可以具有椭圆形。在另一个示例中，标记可以具有立方体、圆锥体、矩形等的形状。
不管标记100的形状如何，根据本发明的一些实施例，标记位置测量系统001可用于测量标记100的中心O的3D位置。通过把标记100放在三维空间中相应点X的特定位置，该点的3D位置可以是通过测量标记100的中心O的三维位置获得，其中中心O可以被认为代表点X。点X可以是，例如，一个在皮肤、头骨或器官上的位置，一旦用标记位置测量系统001精确地测量了该点位置，采用手术导航系统，相对于该点位置的精密手术就可以进行。
在一些实施例中，例如当患者呼吸引起胸部周围皮肤运动，点X可能会在附近移动。在这种情况下，使用标记位置测量系统001进行实时动态位置的测量，在此披露公开。
在一些实施例中，位置测量或跟踪不限于医学应用，并可应用于其他应用领域，如地质学，建筑学、生物学研究等。
因此，相比较于测量点的3D位置的传统方法，如图1所示，通过使用注册笔测量放置在点上的标记的三维位置，本文公开的标记位置测量系统001实质上把所测量的点转为具有凸面(例如，部分或部分)的标记的中心，并通过测量中心的位置数据，可以获得较高精度的点的三维位置，原因在于有效解决了如图1所示的注册笔与标记表面接触的不同位置的问题。
注意到，根据一些实施例，对于跟踪组件，每个标记的凸形面基本上用作测量面，用于测量每个标记的中心的位置数据，下面将详细描述。
取决于实际应用，根据本发明的一些实施例，每个标记100可以包括第一部分110以及第二部分120。第一个部分110和第二部分120分别布置在所述标记的中心和外层。
图4A是根据本发明的一些实施例的标记100的横截面图。如图所示，标记100实质上是半径为r1的球形标记。第一部分110具有小球体的形状并且基本上位于球形标记100的中心(即，第一部分110的中心基本上与球形标记100的中心重合)。第二部分120位于球形标记100的外层，并且布置成使得第二部分120的中心实质上第一部分110的中心重合。
此外，第一部分110和第二部分120被配置为具有不同的成份，使得诊断扫描仪可以得到不同的感知，所述诊断扫描仪例如CT扫描仪或MRI扫描仪。第一部分110还被配置为尽可能小，使得CT/MRI可以进行较高精度的位置测量，但还要足够大，使得在图像的分辨率限制内，诊断扫描仪(即CT/MRI图像)可以感知到图像。标记器100的第二部分120被配置成具有足够的刚性，允许第一部分110安全嵌入和附着其中。
根据标记位置测量系统001与CT图像兼容应用的一些实例，标记100的第一部分110包括含有CT信号反应强的材料(例如金属材料)成份的小球，并且标记100的第二部分120实质上含有CT信号反应弱的材料，如非金属材料(如塑料)。因此，在用CT图像测量时，仅第一部分110位于球形标记100的几何中心可作为亮点清晰显示。
根据标记位置测量系统001与CT图像兼容应用的一些实例，标记100的第一部分110包括含有CT信号反应弱的材料，例如塑料，成份的小球，并且标记100的第二部分120实质上含有CT信号反应强的材料，如金属材料。因此，在用CT图像测量时，仅第一部分110位于球形标记100的几何中心可作为暗点清晰显示。
根据标记位置测量系统001与MRI图像兼容应用的一些实例，标记100的第一部分110包括含有MRI信号反应强的材料，如液体材料成份的小球，并且标记100的第二部分120实质上含有MRI信号反应弱的材料。因此，在用MRI图像测量时，仅第一部分110位于球形标记100的几何中心可作为亮点而清晰显示。
根据标记位置测量系统001与MRI图像兼容应用的一些实例，标记100的第一部分110包括含有MRI信号反应弱的材料，例如金材料成份的小球，并且标记100的第二部分120实质上含有MRI信号反应强的材料。因此，在用MRI图像测量时，仅第一部分110位于球形标记100的几何中心可作为暗点清晰显示。
换句话说，标记100的第一部分110和第二部分120具有通过诊断成像扫描仪能够产生相对弱或强信号的不同成分。这样，在扫描的图像中，只有球形标记100的几何中心处的第一部分可以被区别地显示为亮点或暗点，从而被容易和准确地测量。
图4B示出了根据本发明的其他实施例中的，具有非球形形状的标记100的横截面图。类似于如图4A所示本发明的实施例，标记100还包括具有小球体的形状的、并且嵌入在第二部分120中的第一部分110。第二部分120包括凸面120A(如图4B中的箭头所示)，配置为半径为r1的球体的一部分。第一部分110配置为实质上位于第二部分120的凸面120A的中心(即第二部分120的凸面120A的中心基本上是凸面120A所属的球体中心)。
与以上所述的实施例和图4A所示的类似，如图4B所示的标记器100的第一部分110和第二部分120可以分别含有CT信号强/弱的材料和CT信号弱/强的材料成分，或MRI信号强/弱的材料和MR信号弱/强的材料成分，取决于在CT扫描或MRI中的实际应用，从而在扫描图像中，只有位于球形标记100的几何中心的第一部分，可以被区别地显示为亮点或暗点，进而被简单和准确测量。
除了如图4A和4B所示的，标记100的第一部分110和第二部分120的布置之外，其它安排也是可能的。例如，第一部分110可以位于第二部分120的表面上，只要仍然作为小球体的第一部分实质上位于第二部分120的凸面120A的中心。
根据本发明的一些实施例，凸面120A是被配置成为一个接触表面，和位于跟踪组件200的第一构件210中的，测量件211的测量头211A相接触，如图5A、5B和6所示。根据一些其它实施例，凸面120A是被配置成作为一个表面，被位于跟踪组件200的第一构件210的双目视觉测量系统所观测，如图10所示。因此，在本文公开的位置测量系统中，凸面120A实质上是标记100的测量表面。
在这里，通过用CT/MRI信号强的物质材料构成第一部分，并使之处在具有外凸面的标记的中心，标记的物理世界的三维位置可以利用标记位置测量系统，准确地计算出。同时在CT/MRI图像中，标记的第一部分的图像位置，通过显示清晰的亮点，可以方便、准确地确定。
类似地，通过用CT/MRI信号弱的物质材料构成第一部分，并使之处在具有外凸面的标记的中心，标记的物理世界的三维位置可以利用标记位置测量系统，准确地计算出。同时在CT/MRI图像中，标记的第一部分的图像位置，通过显示清晰的暗点，可以方便、准确地确定。
取决于跟踪组件200的第一构件210获取所述至少一个标记100中的每一个的相对于第一构件210的相对位置数据，以接触方式或者非接触方式的不同，标记位置测量系统001存在两个的不同实施例：标记位置测量系统001的第一实施例和标记位置测量系统001的第二实施例分别在下文描述。
在标记位置测量系统001的第一个实施例中，跟踪组件200的第一构件210被配置成以接触方式，获取相对于所述第一构件210的，所述至少一个标记100中的每一个的相对位置。所述至少一个标记100中的每一个被配置为包括一个凸面，它是一个球体的一部分或全部，因此可以是如图3A的一个球形标记，如图3B所示的半球形标记，或如图3C所示的具有凸面的，或其它可能性。
根据本发明的一些实施例，图5A示出了跟踪装置200的第一构件210的横截面图.如图所示，第一构件210实质上包括测量件211。跟踪工具221固定附着在测量件211上。跟踪工具221被认为是跟踪组件200的第二构件220的组成部件，用于获得第一构件210的位置和方向参数。测量件211包括测量头211A(如虚线框所示)，含有一个凹形测量面211B。跟踪工具221可以是跟踪传感器，例如根据本发明的一些实施例的中的电磁跟踪传感器，或可以是球，例如根据本发明的一些其他实施例中的红外跟踪工具。
如图5B所示，在第一构件210的测量头211A上，凹面211B实质上是一个球体的表面的一部分(即包含一个球面，如图5B中带虚线的圆)，其被配置成使得其半径r2基本上与半径r1相同。半径r1的球面就是在每个标记100中的凸面的形状，如图3A、3B、3C、4A或4B所示。因此，跟踪组件200的第一构件210的测量头211A上的凹面211B可与标记100上的凸面相匹配地配合。
因此，无论用跟踪组件200的第一构件210的测量头211A，把它的凹形测量面211B放置到标记100中的凸面的任何位置，测量件211的测量头211A和标记器100都是基本上牢靠匹配的。
另一方面，因为标记100上的凸面基本上是球体的一部分或全部，具有固定的中心(即球体的几何中心)，相对于跟踪组件200的第一构件210的，每个标记100的相对位置数据可以相对更精确，从而允许随后计算每个标记100的三维位置要相对更精确。
因此，测量标记位置过程中的注册过程，使用常用的注册笔，由于定位较不准确，所带来的测量精度较差的问题，可以有效地避免。
有多种实施例，来配置跟踪组件200中的第一构件210和第二构件220，使得第二构件220来获得第一构件210的方向和位置数据。
根据应用电磁跟踪组件的一些实施例，如图6所示，跟踪组件200的第二构件220包括：发射器222A，其被配置为产生电磁场、跟踪工具221A和电子单元222B。跟踪工具221A固定附着在第一构件210的测量件上211上。
跟踪工具221A包括，例如一个感应线圈，并配置为在发射器222A产生的电磁场中产生感应电压。电子单元222B耦合到传感器221A以获得在传感器221A中产生感应电压，并且以有线或无线方式耦合到计算设备300，来计算第一构件210(或更具体地，传感器221A的位置和方向数据)的位置和方向数据。
根据应用红外跟踪组件的一些实施例，跟踪组件200的第二构件220可以包括照相机222A，配置成发射红外线和拍摄红外照片；第二构件220还包括跟踪工具221A和电子单元222B。跟踪工具221A，例如包括反射红外光的球。
计算设备300可以进一步联合第一构件210(或者更具体地说，跟踪工具221A)的位置和方向数据，和相对于第一构件210(或者更具体地说，跟踪工具221A)的至少一个标记100中的每一个的相对位置数据，从而推断至少一个标记100中的每一个的位置。
注意，相对于第一构件210的，至少一个标记100中的每一个的相对位置数据，可以被认为是，以第一构件210为基准的相对坐标系中的每个标记100的数据，而且第一构件210的位置和方向数据可以被视为是在一个绝对坐标系中的位置和方向数据，该绝对坐标系在空间中是有固定的位置和方向的参考坐标系(例如，如图6所示的实施例中的发射器222A，或另一个跟踪工具作为位置和方向基准)
因此，通过组合第一构件210的位置和方向数据，和相对于第一个构件210的，至少一个标记100中的每一个相对位置数据，所述至少一个标记100中的每一个在绝对坐标中的3D位置可以推导得出。
注意，如图6所示的上述实施例，仅作为示例，不应视为对披露范围的限制。也可以有其他实施例。
在下文中，提供了一种使用上述第一种实施例的标记位置测量系统，以接触方式确定空间中待测量点的三维位置的方法。具体来说，如流程图7所示.该方法包括下面的步骤。
S100A：提供一种位置测量系统，它包括：至少一个标记和一个跟踪组件，其中：至少一个标记的每个标记都有一个凸形测量表面，其被配置为球体的一部分或全部；跟踪组件包括一个测量件，它具有凹形测量表面，与所述每个至少一个标记的凸形测量表面实质配合；跟踪组件还包括一个跟踪工具，该跟踪工具固定地附接在测量件上；跟踪组件被配置成能够获得，相对于跟踪工具的，测量件的凹形测量表面的中心的固定的相对位置数据；跟踪组件被配置成能够获得跟踪工具的位置和方向数据；
S200A：安排使得至少一个标记的每个标记的凸形测量面的中心与需要测量的在空间中的至少一个位置的每个位置相一致。
S300A：把测量件的凹形测量表面和至少一个标记的每个标记的凸形测量面相贴合，使得测量件的凹形测量表面中心位置数据和至少一个标记的每个标记的凸形测量面的中心位置数据相同，同时，利用跟踪组件，获得和记录跟踪工具的位置和方向数据
S400A：根据相对于跟踪工具的测量件的凹形测量表面中心的固定的相对位置数据，和所记录的跟踪工具的位置和方向数据，从而计算和获得所需测量的每个至少一个标记在空间的三维位置。
具体地说，标记和跟踪组件可以基于任何如上所述和图示的实施例。在一个特定的应用中，所测的位置在皮肤表面，并且标记的第一部分由CT/MRI信号强的材料制成放在标记的中心，标记的第二部分由CT/MRI信号弱的材料制成放在标记的其它处。
标记的第一部分还可以由CT/MRI信号弱的材料制成放在标记的中心，标记的第二部分由CT/MRI信号强的材料制成放在标记的其它处。有了这样的方式，在CT/MRI图像中，利用突出显示的点，标记的第一部分的图像位置，可以轻松准确地确定。因此，该方法可用于把在CT/MRI扫描图像中的标记的位置和标记在物理空间中的位置进行3D位置上的匹配。
值得注意的是，在某些应用中，一个更大的区域，而不仅仅是一个单独的位置点，需要测量以确定其空间位置和构造形态。在不考虑其内部结构的情况下，可将待测面积视为包括多个点，配置成每个点位于区域上的不同位置，以及多个点一起可以充分地表示该区域。通过测量该区域上的多个点中的每一个，该区域的空间位置和构造形态可以被大致确定。
为此，上述标记位置测量系统的第一实施例，可用于确定在空间中所测区域的空间位置和构造形态。
注意到，标记位置测量系统的第一实施例中，可以仅包括一个标记，而不是多个标记，并且这个标记可以重复使用，以测量在区域上的指定的位置的点集的每个点的三维位置。
在标记位置测量系统001的第二实施例中，第一个构件210被配置成以非接触方法去获得相对于所述第一构件210的所述至少一个标记100中的每一个相对位置数据。
所述至少一个标记100中的每一个都包括球形标记，如图3A、3B或3C所示。如图8所示，跟踪组件200的第一构件210实质包括视觉测量系统213(例如，具有两个照相头213A和213B)以及固定连接在视觉测量系统213上的跟踪工具221。与标记器位置测量系统的第一实施例类似，跟踪工具221也可以是跟踪传感器(例如，电磁跟踪传感器，或红外跟踪球)，取决于本发明的不同实施例。
如图10的实施例所示，跟踪组件200的第一构件210布置在与标记100的远处，并布置成使得视觉测量系统的图像传感组件面向标记100。在图10的实施例中，视觉测量系统的图像传感组件包括两个照相头213A和213B。视觉测量系统213被配置为获得，相对于视觉测量系统213的某个参考坐标系的，至少一个标记100中的每一个的相对位置数据(或者更具体地说，每个球形标记的几何中心。
视觉测量系统可配置为具有不同数量的摄像头。双目装置就是一个例子。利用213A和213A两个摄像头获取对象O的位置信息的原理如图9所示。如图所示，对象O在两个相机中分别有两个图像O'和O“。参考f表示两个相机的焦距，参考L表示两个摄影头之间的距离。通过计算，对象O的位置坐标x，y，z，其相对一个指定的坐标系，可以获得。该坐标系的零点(0，0，0)实质上位于两个摄像机的中间。
只要视觉测量系统213能够感知球形标记100，视觉测量系统213就可以计算球形标记100的几何核心的相对位置(即，相对于视觉测量系统213的相对坐标系中的球形标记100标记的几何中心的位置)。请注意，相对坐标系也可以将其零点布置在一个不是两个摄像机的中间的位置(例如，坐标系的零点排列在一个相机头上)，这里没有限制。
在本文公开的标记位置测量系统中，每个视觉测量系统213、跟踪工具221或其它的第二构件220可以有线连接或者无线连接到系统的其他模块，例如计算设备300。
根据第二构件220获得第一构件210的方向和位置数据的不同方式，有多种实施例，来配置跟踪组件200中的第一构件210和第二构件220。
根据应用电磁跟踪组件的一个实施例，如图10所示，跟踪组件200的第二构件220包括：发射器222A(其被配置为产生电磁场)、跟踪工具221A和电子单元222B。固定在双目视觉测量系统213上的跟踪工具221A包括一个传感器。传感器221A包含一个感应线圈，因此可以在由发射器222A产生的电磁场中产生感应电压。电子单元222B耦合到传感器221A以获得传感器中产生的感应电压，并有线或无线地将其耦合到计算装置300上，从而计算跟踪工具221A的位置和方向数据，因此也是第一构件210的视觉测量系统213的位置和方向数据。
计算设备300可以进一步联合第一构件210(或者更具体地说，跟踪工具221A)的位置和方向数据，和相对于第一构件210的至少一个标记100中的每一个的中心的相对位置数据，从而推断至少一个标记100中的每一个的中心的3D位置。
注意到的是，在如图10所示的上述实施例中，由于跟踪工具221A固定在视觉测量系统213上，跟踪工具221A和刚性的视觉测量系统213之间的几何关系是不变的。因此，在视觉测量系统213的指定坐标系的零点和跟踪工具221A位置之间存在一个变换关系。在视觉测量系统213的指定坐标系的坐标轴和跟踪工具221A的方向之间存在一个变换关系。这些恒定的关系可以通过测量/校准而获得。
在下文中提供了，使用本发明的上述第二种实施例的，用于确定指定要测量的三维位置的标记位置测量系统
在下文中，提供了一种使用上述第二种实施例的标记位置测量系统，以非接触方式确定空间中待测量点的三维位置的方法。
该方法实质上基于：1.相对于视觉测量系统213的指定坐标系的,球面标记的相对位置数据(即，相对于视觉测量系统213的指定坐标系的球面标记的中心的位置)；2.视觉测量系统213的指定坐标系和跟踪工具221A(如图10中的传感器221A)之间的校准关系；3。用于计算球形标记，跟踪工具221A的六自由度的位置和方向数据(或更具体而言，球形标记的核心中心，其实质上代表在空间中需测量的指定位置)。
具体而言，如图11中的流程图所示，该方法包括以下步骤：
S100B:提供一种位置测量系统，它包括：至少一个球形标记和一个跟踪组件，其中跟踪组件还包括一个视觉测量仪器和一个跟踪工具，该跟踪工具固定地附接在视觉测量仪器上。
S200B:获得一个校准关系，即是在视觉测量仪器的指定坐标系和跟踪工具之间的关系。
S300B:安排使得至少一个标记的每个球形标记的中心与需要测量的在空间中的对应的至少一个位置的每个位置相一致。
S400B:获取和记录，相对于视觉测量仪器的指定坐标系的，每个至少一个球形标记的相对位置数据，同时获取与记录，跟踪工具的6个自由度的位置和方向数据。
S500B:根据所记录的，相对于视觉测量仪器的指定坐标系的，球形标记的相对位置数据，和在视觉测量仪器的指定坐标系和6个自由度的跟踪工具之间的校准关系，还有跟踪工具的6个自由度的位置和方向数据，计算而获得，所需测量的每个至少一个球形标记在空间的三维位置。
这里，相对于视觉测量系统的指定坐标系的球形标记的相对位置数据，实质上是相对于视觉测量系统的指定坐标系的，球形标记的几何中心的三维空间。
标记和跟踪组件可以基于如上所述和示意的任何实施例。在一个特定的应用中，所测的位置在皮肤表面，并且标记的第一部分由CT/MRI信号强的材料制成放在标记的中心，标记的第二部分由CT/MRI信号弱的材料制成放在标记的其它处。
标记的第一部分还可以由CT/MRI信号弱的材料制成放在标记的中心，标记的第二部分由CT/MRI信号强的材料制成放在标记的其它处。有了这样的方式，在CT/MRI图像中，利用突出显示的点，标记的第一部分的图像位置，可以轻松准确地确定。因此，该方法可用于把在CT/MRI扫描图像中的标记的位置和标记在物理空间中的位置进行3D位置上的匹配。
具体而言，参考图8，9，和10，待测的球形标记100的相对位置(更具体地说是球形标记100的几何中心)，相对于视觉测量系统213的指定的坐标系，表示为(x_b,y_b,z_b)。视觉测量系统213的具有原点的坐标系不是和跟踪工具的坐标系一样。相对于以六自由度跟踪工具221为原点的坐标系，球形标记100表示为(x_s，y_s，z_s)。(x_b,y_b,z_b)T和(x_s,y_s,z_s)T之间的关系表示为：
Figure BDA0002957187680000151
其中(Δx，Δy，Δz)T表示视觉测量系统213的指定坐标系的零点和六自由度跟踪工具221的原点位置之间的位移变换关系或者偏差，3x3矩阵：
Figure BDA0002957187680000152
表示视觉测量系统213的指定坐标系和六自由度跟踪工具221的坐标系之间的旋转变换关系。
六自由度跟踪工具221固定在视觉测量系统213上，因而位移变换关系和旋转变换关系或者校准关系是恒定和可测量的。通过步骤S200B，校准关系的(Δx，Δy，Δz)T和矩阵
Figure BDA0002957187680000153
可以获得。通过步骤S400B，位置(x_b,y_b,z_b)可以获得。
进一步，六自由度跟踪工具221是跟踪组件的一部分。基于跟踪组件，相对于跟踪组件的参照坐标系的球形标记的位置可以表示为(x_t，y_t，z_t)。(x_t，y_t，z_t)T和(x_s，y_s，z_s)T之间的关系表示为：
Figure BDA0002957187680000154
其中(x’,y’,z’)T代表相对于跟踪组件的坐标系的跟踪工具221的位置，其中3x 3矩阵
Figure BDA0002957187680000155
代表相对于跟踪组件的坐标系的跟踪工具221的方向或者旋转矩阵。
在步骤S400B，跟踪组件提供了跟踪工具的位置(x’,y’,z’),和旋转矩阵
Figure BDA0002957187680000156
通过用公式(1)中的(x_s，y_s，z_s)T去代替公式(2)中的(x_s,y_s，z_s)T，通过公式(3)
可以得到(x_t，y_t，z_t)
Figure BDA0002957187680000157
Figure BDA0002957187680000161
公式(3)是视觉测量系统213中三维位置和和跟踪组件中的三维位置之间的关系。
最后，相对于跟踪组件的坐标系的球体标记的中心位置(x_t，y_t，z_t)获得了。
根据一些实施例，跟踪组件的坐标系是基于发射器(如图10所示)的，被认为是绝对坐标系。
跟踪组件的坐标系也可以基于其它的基础参照跟踪工具。根据一些实施例，所述跟踪组件的坐标系是使用跟踪传感器/或跟踪工具来设置的。这种类型的跟踪传感器或跟踪工具被视为参照跟踪传感器或跟踪工具。这样的参照跟踪传感器或跟踪工具的位置和方向数据被用作跟踪组件的坐标系。
值得注意的是，在某些应用中，一个更大的区域，而不仅仅是一个单独的位置，需要测量以确定其空间位置和构造形态。在不考虑其内部结构的情况下，可将待测面积视为包括多个点，配置成每个点位于区域上的不同位置，以及多个点一起可以充分地表示该区域。通过测量该区域上的多个点中的每一个，该区域的空间位置和构造形态可以被大致确定。
为此，上述标记位置测量系统的第二实施例，可用于确定在空间中所测区域的空间位置和构造形态。
注意到，在一些实施例中，这些球形标记可以更可取地配置为具有特殊的特性，具体取于在空间中要测量区域上的相应点的特定位置。这些特殊的特性包括几何的、颜色特性等。例如，球形标记配置为在锐利的边缘，或带有特殊颜色特性，使得这样球形标记的图像可以易于从视觉测量系统中识别。
还应注意，除了上述的实施例中多个球形标记包括在标记位置测量系统中，标记位置测量系统可以仅包括一个标记，而不是多个标记，并且这一个标记可以重复使用，以测量在区域上的指定位置的点集的每个点的三维位置，从而获得空间中待测区域的位置和构造形态。
在一些实施例中，相对于跟踪组件的参考坐标系，包括至少四个目标标记的区域可以被测量。这个区域是被配置成刚性的，使得每个目标相对彼此有一个刚性的固定位置。跟踪组件的参考坐标系的原点和方向为设置在，相对于所述的至少四个目标标记的位置组的刚性固定位置和方向上。所述跟踪组件的参考坐标系可以用跟踪传感器或跟踪工具设置。例如，在使用电磁跟踪系统的情况下，采用跟踪线圈传感器作为基准/坐标系统。所述刚性区域还可以有一个具有特定位置和方向的空间来刚性地放置跟踪工具，其中该空间配置为刚性固定的，以便跟踪组件的参考坐标系的原点和方向是刚性固定的，无论是否放置参考跟踪工具。
众所周知，至少需要四个位置(非共面)才能计算出两个坐标系的两个空间之间的方向和位置的变换关系(例如，在物理世界和图像世界)。这种变换关系是手术导航系统的关键因素。通过一起扫描所述刚性的区域和病人/物体，可以获得图像世界中的位置。病人可能只是手术的区域。在成像扫描过程中，病人的手术区域和所述刚性区域之间的相对位置和方向是刚性固定的。换句话说，相对于参照坐标系的原点和方向，或放置参考追踪工具的空间，和相对于至少四个目标标记的群组，病人是刚性固定的。为了满足刚性位置和方向的关系要求，所述刚性区域可以以某种方式刚性地放在病人身上。
通过将物理世界中至少四个目标的位置与图像世界中的位置相关联，得到转换变换，以转换物理世界中的任何位置到影像世界中。因而，在利用导航系统辅助的手术过程中，一个医疗器械被跟踪组件所跟踪了其位置，它可以和预扫描的患者图像一起显示在图像中。前提是，在上述的患者扫描步骤中，患者或手术区域，相对于跟踪组件的参考坐标系的原点和方向或者放置跟踪工具的空间，它们之间的相对位置和方向是刚性固定的和不变的，同时，至少四个标记的群组不一定需要呈现。
此外，应注意，在如上所述并在图11中示出的非接触式方法的任何实施例中，视觉测量系统的指定坐标系和六自由度的跟踪工具的坐标系之间的校准关系需要确定。在视觉测量系统的指定的坐标系的零点和六自由度跟踪工具或传感器的零点之间有一种平移关系。在视觉测量系统的指定的坐标系的坐标轴和六自由度跟踪工具或传感器的方向之间有一种旋转关系。
本发明还提供了一种获得视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具(例如，步骤200B)之间校准关系的方法。该方法实质上用于确定校准参数。
具体地，如图12所示的本发明的一些实施例，该方法包含了线面的步骤。
S2001:提供至少一个标记和一个跟踪组件，其中：至少一个标记的每个标记都有一个凸形测量表面，其被配置为球体的一部分或全部；并且跟踪组件包括一个视觉测量系统，其被配置成可以测量，相对于视觉测量系统的指定坐标系统的至少一个标记的每个标记的中心位置；并且跟踪组件还包括一个跟踪工具，该跟踪工具固定地附接在视觉测量系统上；并且跟踪组件被配置成可以获得，相对于跟踪组件的参照坐标系的跟踪工具的位置和方向数据.
S2002:安排N个标记，使得每个标记的中心位置相对于跟踪组件的同一个参照坐标系的原点是固定的，其中N>＝1.
跟踪组件的参考点可以在参考跟踪传感器上，或者在用电磁跟踪装置时，放在发射器上。它也可以放在摄像头上，当使用光/红外跟踪组件时候。这里跟踪组件的指定参照点，于所有数量的标记点在同一位置。
根据一些实施例，标记被配置为具有这样的特点，标记可以容易且唯一地被识别，因此具有唯一的3D位置。例如，在双目视觉测量系统的两个摄像头拍摄的两幅图像上，一对球形标记可以容易地和唯一地识别，从而获得唯一的3D图像位置。
在一些实施例中，标记具有凸形表面，该凸面是球体的一部分或全部，标记代表点，点处于球体的中心。
S2003:将能够一次测量N个标记3D位置的视觉测量系统放置在，相对于N个标记，或者相对于跟踪组件的所述参考坐标系原点的，至少p个不同位置；并且通过视觉测量系统来记录，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，不同的N个标记的相对中心位置数据；并且通过跟踪组件来记录，对应于至少p个不同位置中的每一个的跟踪工具的位置和方向数据；其中如果N＝1，那么p＝5；如果N＝2，或者N＝3，那么p＝3；如果N≥4，那么p＝2；
该视觉测量系统可以一次性的测量出N个标记中心的三维位置数据，以及进行相对于跟踪组件参考原点的，在至少p个不同位置的p次测量。
此外，当存在多个标记(N>1)时，在多次测量多个标记时，视觉测量系统配置为能够识别每个单独的标记。
回想公式(3)，视觉测量系统中和跟踪组件里的三维位置关系。在每个位置的获取和记录中，通过视觉测量系统，标记/点的位置(x_b，y_b，z_b)是已知的，也通过跟踪组件，已知跟踪工具的数据(x'，y'，z')和矩阵：
Figure BDA0002957187680000171
在pth位置的获取和记录中，标记/点的位置(xp_b,yp_b,zp_b)是已知的，已知跟踪工具的数据(xp’,yp’,zp’)和矩阵：
Figure BDA0002957187680000181
在公式(3)中，有12个常数和未知参数(Δx,Δy,Δz)和矩阵：
Figure BDA0002957187680000182
如前面所述，在每次放置视觉测量系统时，视觉测量系统一次性地测量N个标记中心的3D位置。对于N个标记，第Nth个标记的已知位置为(x_bN,y_bN，z_bN)。对于每次放置视觉测量系统，已知跟踪工具的数据(x’，y’，z’)和矩阵：
Figure BDA0002957187680000183
有Nx3个常数和数据(xN_t，yN_t，zN_t)。有12个常数和未知参数(Δx,Δy，Δz)和矩阵：
Figure BDA0002957187680000184
其中(xN_t，yN_t，zN_t)代表，相对于跟踪组件参考原点的，第Nth个标记的三维位置。因而有N个公式(3)的方程组。对于视觉测量系统的每次位置测量，有Nx3个方程式。
Figure BDA0002957187680000185
Figure BDA0002957187680000186
…………
Figure BDA0002957187680000187
(4)
其中N N≥1。相对于跟踪组件的参考原点，视觉测量系统在至少p个不同位置，进行了至少p次位置测量。那么至少有pxN个公式(3)的方程组，或者至少pxNx3个方程式
Figure BDA0002957187680000191
Figure BDA0002957187680000192
…………
Figure BDA0002957187680000193
Figure BDA0002957187680000194
Figure BDA0002957187680000195
…………
Figure BDA0002957187680000196
…………
Figure BDA0002957187680000197
Figure BDA0002957187680000201
…………
Figure BDA0002957187680000202
(5)
其中p表示在不同的p次位置获取和记录第pth次的数据。如果N＝1，那么p＝5；如果N＝2，或者N＝3，那么p＝3；如果N≥4，那么p＝2。
S2004:基于在S2003步骤中获得的，N个标记的，至少p组的数据，求解pxNx3个非齐次线性方程，从而获得视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系；其中所述非齐次线性方程组是从视觉测量系统中3D位置和跟踪组件中3D位置之间的关系推导而来。
从视觉测量系统中3D位置和跟踪组件中3D位置之间的关系，这里用公式(3)表示，非齐次线性方程组，即是公式(5)可以被导出，其中有p x N x 3个方程组，含有Nx3+12个常数和未知参数，有N个(xN_t，yN_t，zN_t)3D位置，(Δx，Δy，Δz)和矩阵
Figure BDA0002957187680000203
其中(xN_t，yN_t，zN_t)代表，相对于跟踪组件的参考原点，第Nth个标记的三维位置。注意到，条件：如果N＝1，那么p＝5；如果N＝2，或者N＝3，那么p＝3；如果N≥4，那么p＝2，该条件可以使方程式的数目p x N x 3总是大于常数和未知参数的个数N x 3+12。通过求解非齐次线性方程组公式(5)，可以得到两个结果，包括
位移偏差(Δx，Δy,Δz)，即视觉测量系统的指定坐标系原点位置和六自由度的跟踪工具的原点位置之间的位移关系。以及
矩阵
Figure BDA0002957187680000204
即视觉测量系统的坐标系的坐标轴和六自由度跟踪工具的方向之间的旋转变换关系。
测量标记的系统和方法的至少一些实施例包括以下一个或多个实施例，具有多个优点。
首先，因为球体的中心是用来表示一个点的，由于只有球心的位置数据被计算，不管标记有多大，精度可以提高。
其次，标记测量变得更加方便。测量件的头部可放置在标记测量面的不同位置，它是球体的一部分或全部，就仍然提供相同的球体中心的位置数据。
第三，该系统可以实现非接触式测量，不需要被测量物体的任何移动。视觉测量系统可以以非接触方式从不同方向和不同距离查看球形标记，而它仍然给出基本相同的位置数据，即球体的中心的位置数据。
第四，测量更大的面积变得容易。被测物体与测量系统之间的相对位置是可变的。测量是自由手的方式。无论视觉测量系统在哪里，跟踪组件提供唯一的测量参照基础。
此处公开的实施例可适用于，利用跟踪组件，用接触笔，或者非接触的视觉系统，测量一个位置、点状物体或物体的表面。
跟踪系统可采用一种或多种不同类型的定位方法和装置，如使用光或红外线(IR)光束(如激光束)的用于定位的光学装置，主动或被动跟踪系统，磁跟踪、射频(RF)跟踪、超声波跟踪等。
本领域普通技术人员将认识到本发明中描述的功能块、方法、单元、装置和系统，可以被集成或分割成系统、单元、装置和功能块的不同组合。任何合适的编程语言和编程技术可以用来对特定实施例进行程序的实施。可以采用不同的编程技术，例如过程的或面向对象的。这些程序可以在单个处理器、或者多处理器上执行。尽管这些步骤、操作或计算可以按照特定的顺序呈现，但在不同的具体实施例中可以改变顺序。在某些特定实施例中，在本公开中表示为先后顺序的多个步骤可以是同时执行。
“处理器”或“处理电路”可以包括任何合适的硬件和/或软件系统，机制或组件，它们处理数据、信号或其他信息。该处理器可以包括一个系统，其具有通用中央处理单元、多个处理单元、用于实现功能的专用电路或其他系统。处理不必限于地理位置或具有时间限制。例如处理器可以以“批处理模式，”“实时，”“离线”执行其功能。处理过程的某些部分可以在不同的时间和不同的位置，使用不同(或相同)的处理系统来执行。本文公开的各种实施例可以通过硬件和/或软件(例如存储在存储器中的计算机程序)实现。例如，存储在有形的、非暂时性的、计算机可读存储介质中的指令，当由一个或多个处理器执行时，会使一个或多个处理器执行包含上述步骤中的操作。
在一些实施例中，提供软件或程序代码以实现如上所述的方法。该软件或程序代码可以存储在任何类型的计算机可读介质或内存里面，例如包括磁盘或硬盘的存储设备。该计算机可读介质可以包括暂时性计算机可读介质或内存，例如可在短时间内存储数据的计算机可读介质，如寄存器存储器，处理器缓存和随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可以包括非暂时性介质或存储器，例如二级或永久性长期存储，例如光学或磁性的只读存储器(ROM)，例如，光盘只读存储器(CD-ROM)。电脑可读介质也可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。电脑可读介质可以被认为是计算机可读存储介质，有形存储设备，或其他产品(例如)。软件指令可以存储在计算机可读介质中，并且也包含在电子信号中并作为电子信号提供，例如也可以是从服务器(例如分布式系统和/或云计算系统)交付的服务(SaaS)的软件形式。
尽管以上已经详细描述了特定实施例，但是该描述仅出于说明的目的。因此，应该意识到，上述许多方面，除非明确说明，并非旨在是要求或必不可少的要素。
受益于本公开的本领域的普通技术人员，可以在不脱离以下权利要求中定义的本发明的精神和范围的情况下，对所公开的示例性实施例方面，除了上述实施例之外，进行各种修改以及与之等效的动作。该范围应具有最广泛的解释，包括此类修改和等效结构。

Claims (14)

1.一种测量至少一个目标位置的方法，该方法包括：
a)为每个目标提供标记和跟踪组件，其中：
每个标记都有一个凸形测量表面，其被配置为球体的一部分或全部，使得凸形测量表面的中心实质上对应于待测量目标的位置；以及
跟踪组件包括一个测量件；以及
跟踪组件还包括一个跟踪工具，该跟踪工具固定地附接在测量件上；以及
测量件被配置成能够获得，相对于跟踪工具的，标记的凸形测量面的中心位置；以及
跟踪组件被配置成能够获得，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据；
b)获取与记录，相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，以及获取与记录，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据；
c)根据所记录的,相对于跟踪工具的,每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据,以及所记录的,相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据,计算而获得，相对于跟踪组件的参考坐标系的，每个目标的位置。
2.根据权利要求1的方法，其中所述测量件具有凹形测量表面，与所述每个至少一个标记的凸型测量表面实质配合；以及
测量件配置成能够获得，相对于跟踪工具的，凹形测量面的中心位置。
3.根据权利要求2的方法，其中获取和记录，相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，以及获取与记录，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置和方向数据，是通过把测量件的凹形测量面接触到每个至少一个标记的凸形测量面来实现的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量件包括视觉测量系统，被配置成能够测量，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，所述每个至少一个标记的中心位置；以及所述视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系是已知的。
5.根据权利要求4的方法，其中获取和记录，相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，是基于已经测量得到的，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，所述每个至少一个标记的中心位置，和所述视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系。
6.根据权利要求5的方法，其中相对于视觉测量系统的指定坐标系的，所述每个至少一个标记的中心位置表示为(x_b,y_b,z_b),满足以下关系：
Figure FDA0002957187670000021
其中(Δx,Δy,Δz)T代表视觉测量系统的指定坐标系的原点和跟踪工具位置之间的偏差；这个3x3的矩阵
Figure FDA0002957187670000022
代表视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的旋转关系；并且(x_s,y_s,z_s)代表相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的中心位置。
7.根据权利要求6的方法，其中相对于跟踪工具的，每个至少一个标记的中心位置(x_s,y_s,z_s)进一步满足以下关系式：
Figure FDA0002957187670000023
其中(x’,y’,z’)T代表相对于跟踪组件的坐标系的，跟踪工具的位置；并且3x3的矩阵
Figure FDA0002957187670000024
代表跟踪工具和跟踪组件的坐标系的旋转关系。以及(x_t,y_t,z_t)代表相对于跟踪组件的坐标系的，每个至少一个标记的中心位置。
8.根据权利要求7的方法，其中基于已经记录下的、相对于跟踪工具的、每个至少一个标记的凸形测量面的中心位置数据，和已经记录下的、相对于跟踪组件的参照坐标系的、跟踪工具的位置和方向数据，来计算得出相对于跟踪组件的参照坐标系的、每个目标的位置，是由以下步骤所组成的：
用方程(1)中的(x_s,y_s,z_s)T代替方程(2)中的(x_s,y_s,z_s)T得到方程
Figure FDA0002957187670000025
从而计算出相对于跟踪组件的参照坐标系的、空间中的每个至少一个标记的中心位置(x_t,y_t,z_t)。
9.根据权利要求4的方法，其中所述的已知的，视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系，是通过以下方法而获得的：
A)提供至少一个标记和跟踪组件，其中：
所述至少一个标记中的每一个都具有凸形的测量表面，配置成球体的一部分或全部；以及
所述跟踪组件包括一个视觉测量系统，所述视觉测量系统被配置成能够测量，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，至少一个标记的每一个的中心位置；以及
所述跟踪组件还包括一个跟踪工具，所述跟踪工具固定地附接在所述视觉测量系统上；以及
跟踪组件被配置为能够获得，相对于跟踪组件的参考坐标系的，跟踪工具的位置方向数据；
B)排列多个N个标记，使得每个标记的中心位置相对于，跟踪组件的同一个参考坐标系的原点位置之间的相对位置是固定的，其中N≥1；
C)将视觉测量系统放置在，相对于跟踪组件的所述参考坐标系原点的，至少p个不同位置；并且通过视觉测量系统来记录，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，不同的N个标记的相对中心位置数据；并且通过跟踪组件来记录，对应于至少p个不同位置中的每一个的跟踪工具的位置和方向数据；其中如果N＝1，那么p＝5；如果N＝2，或者N＝3，那么p＝3；如果N≥4，那么p＝2；
D)基于N个标记的，至少p组的相对中心位置数据，求解一个非齐次线性方程组，从而获得视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系；其中所述非齐次线性方程组是从一个关系推导而来，该关系指的是，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，球形标记的中心位置，和相对于跟踪组件坐标系的，球形标记的中心位置之间的关系。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将视觉测量系统放置在，相对于跟踪组件的所述参考坐标系原点的，至少p个不同位置；并且通过视觉测量系统来记录，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，不同的N个标记的相对中心位置数据；并且通过跟踪组件来记录，对应于至少p个不同位置中的每一个的跟踪工具的位置和方向数据；其包含以下步骤：
在至少pxn个方程组中获得至少px3xn个方程：
Figure FDA0002957187670000031
Figure FDA0002957187670000032
…………
Figure FDA0002957187670000033
Figure FDA0002957187670000041
Figure FDA0002957187670000042
…………
Figure FDA0002957187670000043
…………
Figure FDA0002957187670000044
Figure FDA0002957187670000045
…………
Figure FDA0002957187670000051
其中p表示在不同的p个位置，第pth次获取并记录N个标记的中心位置数据；其中如果N＝1，那么p＝5；如果N＝2，或者N＝3，那么p＝3；如果N≥4，那么p＝2；以及
(x_b,y_b,z_b)表示相对于视觉测量系统的坐标系的，所述标记的已知中心位置数据。以及(x’,y’,z’)表示跟踪工具的已知位置数据；以及矩阵
Figure FDA0002957187670000052
是已知的关于跟踪工具的方向数据。以及
(xp_bN,yp_bN,zp_bN)代表第Nth个标记在第pth次位置记录时的中心位置数据；以及
(xp’,yp’,zp’)代表跟踪工具在第pth次位置记录时的位置数据；以及矩阵
Figure FDA0002957187670000053
是已知的关于跟踪工具在第pth次位置记录时的方向数据。以及
(xN_t,yN_t,zN_t)代表相对于跟踪组件的坐标系统的，第Nth个标记的中心位置数据；以及
(Δx,Δy,Δz)代表视觉测量系统的坐标系和跟踪工具之间的位置校准偏差；以及矩阵
Figure FDA0002957187670000054
代表视觉测量系统的坐标系和跟踪工具之间的方向校准关系。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述基于N个标记的，至少p组的相对中心位置数据，求解一个非齐次线性方程组，从而获得视觉测量系统的指定坐标系和跟踪工具之间的校准关系；其中所述非齐次线性方程组是从一个关系推导而来，该关系指的是，相对于视觉测量系统的指定坐标系的，球形标记的中心位置，和相对于跟踪组件坐标系的，球形标记的中心位置之间的关系。它们还包含以下步骤：
求解在公式(4)中的至少pxn个方程组中求解至少nx3xp个方程，从而获得位置偏移：(Δx,Δy,Δz)，以及方向校准矩阵：
Figure FDA0002957187670000061
12.根据权利要求1所述的方法，其中每个目标的标记包括第一部分和第二部分；第一部分具有球体的形状并且实质上处于所述球形标记的中心；第二部分位于所述球形标记的外层,被安排成所述第二部分的中心也实质上与第一部分的中心重合；以及第一部分和第二部分具有不同成分，通过诊断成像扫描仪，能够产生相对弱或强信号的，从而，在扫描成像中，根据区别显示的斑点，可以容易和准确地确定和测量所述标记的第一部分的中心的图像位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个目标,是至少四个目标，并且该方法还包括：
i)基于所述至少四个目标的标记，重构出相对于跟踪组件参考坐标系的，由至少四个目标组成的区域的一组位置数据，其中：
所述至少四个目标位置在三维空间中不共面；并且每个目标相对彼此有一个刚性固定位置；以及跟踪组件参考坐标系的原点和方向被设置在，相对于所述至少四个目标标记的一组位置的刚性固定位置和方向上；
ii)把用于导航的一个物体和一组至少四个目标的标记一起，通过成像扫描仪去扫描，获取至少四个目标标记的一组成像位置数据，其中用于导航的物体、跟踪组件的参考坐标系的原点和方向和至少四个目标标记，彼此之间都是刚性固定的。
iii)根据成像世界中和物理世界中的两组位置数据，满足条件:上述扫描步骤ii)中,在物体和跟踪组件的参考坐标系的方向和原点之间的相对位置和方向是刚性固定不变的，从而计算出成像世界和物理世界之间的位置和方向变换关系，用于物体的导航。
14.如请求项13之方法，其中：
所述跟踪组件包括一个发射器，其发射器被配置成产生电磁场；以及
跟踪工具包括一个感应线圈，被配置成在所述电磁场中产生感应电压；以及
所述跟踪组件还包括一个电子单元，其与所述感应线圈和发射器相耦合，被配置成，基于感应线圈中产生的感应电压，计算出跟踪工具的位置和方向数据；以及跟踪组件的参考坐标系是基于跟踪工具的六个自由度的位置和方向。
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