[发明专利]确定一个或多个目标的空间位置和/或方向的系统

说明书

一般地说本发明涉及一种能够确定三维(3D)物体或目标的空间位置和角度方向(即，姿势)的系统，更具体地说，涉及一种能够在指定的空间中实时地跟踪目标不考虑目标的刚性或可见度的系统。

如本领域中所公知，已研制出了很多不同的系统，这些系统能够在较小的时间量程上确定目标的空间位置和角度方位，由此能够实时地跟踪它们的运动。这些系统通常利用具有不同的能力和局限性的特定的物理现象等。一种系统是光学系统。这种光学系统通过敏感阵列比如电荷耦合器件(CCD)感测源辐射的电磁能量(即，自有源指点器中发射的光能或红外线能量或自无源指点器反射的光能或红外线能量)。这种光学系统能够在较高的采样频率下在较大的运行空间(通常为房间大小)中提供较高精度的空间和角度测量，但是它要求最少数量的指点器总是在CCD传感器的视域中。通过应用三角测量技术从所测得的可见指点器的位置确定被遮挡的点的位置可以部分地弥补这种视线的局限性。例如，可以将指点器固定到仪器或探头(比如外科探头)以便跟踪它们的端点。然而，这种探头必需是刚性。这种方法不能应用到而于柔性的探头比如导液管。

另一种类型的系统是非光学系统。这种系统包括磁系统、机械系统和超声系统。例如，Nowacki和Horbal的美国专利US5,197,476和US5,295,483公开了应用光学摄象机来跟踪超声扫描器或探头的位置，该超声扫描器或探头本身检测结石比如在人体内的肾结石。然而超声扫描器并不能确定所跟踪的目标的姿势。虽然磁系统并不存在在光学系统中所固有的视线问题，但是这种系统严重地受到外部目标干扰它们的磁场的影响，并且通常精度更低。机械系统应用机械器件比如关节式臂杆，并且不存在视线和磁系统干扰的问题，但是对于给定等级的精度这种系统昂贵得多。它们的精度受到由重力产生的力和扭矩的干扰，这种力或扭矩通常将它们限制在它们的运动范围所跨越的更小的操作空间中。此外，由于它们的运动受到可能与在它们的操作空间中的其它的目标的碰撞的限制，所以它们比其它的装置更加笨重。

在本领域中仍然公知的是，光学装置可以与非光学装置结合使用以克服光学装置的视线的局限性，但是这种结合不能方便地导出在分离的坐标系中给出的所测量的位置数据，因此要求通过用户校正装置对数据进行一致调整以确定在两种坐标系之间的所需的转换。Birkfellner等人在Concepts and Results in theDevelopment of a Hybrid Tracking System for CAS(Lecture Notes in ComputerScience:Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention-MICCAI’98,Vol.1496(1998),pp.342-351)中描述了一种包括光学跟踪系统和直流脉冲电磁跟踪系统的系统。他们还描述了相对光学系统的参考坐标系校正和对准磁系统的局部坐标系的步骤。这种系统要求在完成长度校正和对准步骤之后磁场源保持固定，因此阻碍了场源运动到其它的可能所需的方便或适当的位置，因为仅当由于在光学系统的视线中的障碍物导致不能得到光学位置数据时它们的系统才从磁子系统中给出位置数据，所以实质上它还是一种被非光学系统加大了的光学系统。

Hansen的美国专利US5,831,260教导了一一种具有磁子系统和光学子系统的混合式运动跟踪器。这种系统用于运动记录，它应用在被跟踪的人的关键位置上放置的传感器组件(该传感器组件具有磁场传感器和光学式光发射二极管(LED)源)来检测运动。在通常的操作中，由于光学子系统固有的较高的精度，所以它提供3D位置数据，而磁子系统提供方向数据；如果光源模糊不清，则磁子系统也能够提供位置数据。Hansen的系统类似于Birkfellner等人所描述的系统，它基本上是将商业上可买到的磁子系统与商业上可买到的光学子系统相结合起来，并应用商业上可买到的软件在子系统之间转换结果(虽然存在一些融合，比如应用光学子系统来补偿磁子系统降低信噪比)。因此，Hansen的系统具有在这些系统中固有的相同缺陷，它要求固定的磁场发射器和固定的光学传感器，而用户必需首先借助于长度校正和定位步骤对这些发射器和光学传感器的固定参考坐标系进行定位，由此排除了根据方便需要相对于另一个子系统对该子系统进行容易地再定位的可能。