光学跟踪系统及利用其的跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学跟踪系统及利用其的跟踪方法，更详细而言，涉及一种对附着于 诸如患处或手术器械的标的物的多个标记的坐标进行跟踪，检测标的物的空间位置和方向 的光学跟踪系统及利用其的跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 最近，为了在进行腹腔镜手术或耳鼻咽喉科手术时，能够进一步减轻患者的痛苦， 使得患者能够更快恢复，正在进行机器人手术。
[0003] 在这种机器人手术时，为了能够使手术的危险最小化、进行更精密的手术而使用 导航，所述导航能够在准确跟踪并检测诸如患处或手术器械的标的物的空间位置和方向 后，把所述手术器械准确地操纵（NAVIGATE)到患者的患处。
[0004] 在如上所述的手术用导航中，包括能够如上所述地准确跟踪并检测诸如患处或手 术器械的标的物的空间位置和方向的跟踪系统。
[0005] 如上所述的跟踪系统包括：多个标记，其通常附着于诸如患处或手术器械的标的 物；第1、2成像单元，其使借助于所述多个标记而释放的光成像；处理器，其与所述第1、2 成像单元连接，算出所述多个标记的三维坐标后，把已存储的连接所述相互相邻的多个标 记的多个直线的信息和由相互相邻的一对直线构成的角度信息，与所述多个标记的三维坐 标比较，算出所述标的物的空间位置和方向。
[0006] 如上所述的以往普通的跟踪系统利用成像于成像单元的标记的圆形的直径，通过 所述处理器，测量与多个标记间隔的距离。但是，成像于所述成像单元的所述多个标记的圆 形外缘，因所述成像单元透镜的歪曲而不透明，因而不仅存在难以准确测量所述多个标记 的圆形直径的问题，而且，因距离变化导致的所述多个标记的圆形直径变化微小，当测量与 多个标记的距离时，由于识别力很低，存在无法准确测量多个标记的位置的问题。
【发明内容】
[0007] 解决的抟术问题
[0008] 因此，本发明的目的是提供一种光学跟踪系统及利用其的跟踪方法，能够与要测 量的标的物的距离无关地检测并跟踪标的物的准确的空间位置和方向。
[0009] 抟术方案
[0010] 本发明一个实施例的光学跟踪系统包括：至少一个标记单元，其附着于标的物，为 使内部包含的图案部图像能够放大成像而使所述图案部的平行出射光释放；至少一个成像 单元，其接受从所述标记单元释放的所述图案部的平行出射光，使放大的图案部图像成像； 及处理器，其利用成像于所述成像单元的放大的图案部图像，算出所述标记单元的空间位 置和方向。
[0011] 若举一例，所述标记单元可以包括：至少一个图案部，其形成有多个图案；至少一 个光源，其向所述图案部照射光；及至少一个第1透镜部，其使从所述光源照射并穿过所述 图案部或被所述图案部反射的光，以平行出射光形态释放到所述成像单元。
[0012] 其中，优选所述图案部配置于所述第1透镜部的焦距。
[0013] 另一方面，所述第1透镜部可以是物镜。
[0014] 若举一例，所述光源可以配置于所述标记单元的内部。
[0015] 若举另一例，所述光源可以配置于所述标记单元的外部。
[0016] 其中，所述光源可以是 LED (Light Emitting Diode)。
[0017] 若举一例，所述成像单元可以是通过透镜部接受从所述标记单元释放的所述图案 部的平行出射光，并借助于所述平行出射光而使放大的图案部图像成像于传感器部的摄像 头。
[0018] 另一方面，所述处理器可以利用成像于所述成像单元的放大的图案部图像的位置 和大小变化，算出所述标记单元的空间位置，利用所述放大的图案部的各区域的图案位置 和图案的大小变化，算出所述标记单元的方向。
[0019] 若举一例，所述处理器可以把成像于所述成像单元的放大的图案部图像的位置及 大小，与已存储的基准图案部图像的基准位置及大小进行比较，算出所述标记单元的空间 位置，对所述放大的图案部的各区域的图案位置和图案的大小，与已存储的图案部图像的 各区域的基准图案位置及基准图案大小进行比较，算出所述标记单元的方向。
[0020] 另一方面，所述标记单元还可以使从至少一个光源照射的光通过在表面配备有图 案部的球透镜而反射，以平行出射光形态释放。其中，所述图案部可以配备于所述球透镜的 整个表面或一部分表面。
[0021] 若举另一例，所述标记单元可以使从至少一个光源照射并被图案部反射或透过所 述图案部的光穿过鱼眼透镜，以平行出射光形态释放。
[0022] 所述图案部可以配置于所述鱼眼透镜的焦距。
[0023] 另外，所述光源可以配置于所述标记单元的外部，使得光可以被所述图案部反射 从而穿过所述鱼眼透镜。不同于此地，所述光源可以配置于所述标记单元的内部，使得从所 述光源照射的光可以透过所述图案部，而穿过所述鱼眼透镜。
[0024] 若再举一例，所述标记单元可以使从至少一个光源照射并被图案部反射或透过所 述图案部的光穿过物镜，以平行出射光形态释放后，通过棱镜释放视角不同的平行出射光。
[0025] 所述图案部可以配置于所述物镜的焦距。
[0026] 另外，所述光源可以配置于所述标记单元的外部，使得光可以被所述图案部反射 从而穿过所述物镜。不同于此，所述光源可以配置于所述标记单元的内部，使得从所述光源 照射的光可以透过所述图案部，而穿过所述物镜。
[0027] 若再举一例，所述标记单元可以使从至少一个光源照射的光，通过配备有图案部 的镜部而反射，以平行出射光形态释放。
[0028] 所述标记单元可以还包括第1透镜，其与所述镜部隔开一定间隔地配置，使得能 够使被所述镜部反射而以平行光形态释放的光，再次变换成平行出射光形态并释放。
[0029] 另外，所述标记单元可以还包括光圈，其安装于所述镜部，使得能够调节入射到所 述镜部的光量，从而调节成像于所述成像单元的放大的图案部图像的视角及分辨率。
[0030] 另一方面，所述镜部可以为球面或非球面形态的镜子。
[0031] 接着，本发明一个实施例的利用光学跟踪系统的跟踪方法包括：使从附着于标的 物的标记单元释放所述图案部的平行出射光，使得能够使图案部图像放大成像的步骤；使 从所述标记单元释放的所述图案部的平行出射光被成像单元接受，使放大的图案部图像成 像的步骤；及利用成像于所述成像单元的放大的图案部图像，通过处理器算出所述标记单 元的空间位置和方向的步骤。
[0032] 若举一例，算出所述标记单元的空间位置和方向的步骤可以包括：通过所述处理 器，利用成像于所述成像单元的放大的图案部图像，算出所述标记单元旋转的角度，从而算 出所述标记单元的方向的步骤；及通过所述处理器，利用成像于所述成像单元的放大的图 案部图像和所述标记单元的旋转的角度，从而算出所述标记单元的空间位置的步骤。
[0033] 其中，算出所述标记单元的方向的步骤可以包括：通过所述处理器，测量成像于所 述成像单元的放大的图案部图像的各区域的图案部位置和图案部的大小变化的步骤；及对 所述处理器中已存储的所述图案部图像的各区域的基准图案部位置及基准图案部大小，与 成像于所述成像单元的放大的图案部图像的各区域的图案部位置和图案部大小变化进行 比较，算出标记单元的旋转的角度的步骤。
[0034] 而且，算出所述标记单元的空间位置的步骤可以包括：通过所述处理器，测量成像 于所述成像单元的放大的图案部图像的位置和大小的步骤；及通过所述处理器，对在所述 处理器中已存储的所述图案部图像的基准位置及大小，与成像于所述成像单元的放大的图 案部图像的位置及大小进行比较，算出标记单元的空间位置的步骤。
[0035] 若举一例，所述标记单元可以使从至少一个光源照射的光，通过在表面配备有图 案部的球透镜而反射，以平行出射光形态释放。
[0036] 若另举一如，所述标记单元可以使从至少一个光源照射并被图案部反射或透过所 述图案部的光穿过鱼眼透镜，以平行出射光形态释放。
[0037] 若再举一例，所述标记单元可以使从至少一个光源照射并被图案部反射或透过所 述图案部的光穿过物镜，以平行出射光形态释放后，通过棱镜释放视角不同的平行出射光。
[0038] 若再举一例，所述标记单元可以使从至少一个光源照射的光，通过配备有图案部 的镜部而反射，以平行出射光形态释放。
[0039] 有益效果
[0040] 如上所述，本发明一个实施例的光学跟踪系统及利用其的跟踪方法，使图案部的 平行出射光从标记单元释放，使放大的图案部图像成像于成像单元后，利用其算出标记单 元的空间位置。即，使所述标记单元的位置精密度不仅仅依赖于成像单元的解像力，通过使 图案部的图像放大，成像于成像单元，从而即使要测量的标的物的距离远离成像单元，也可 以无准确度降低地算出所述标的物的空间位置和方向。
[0041] 因此，本发明一个实施例的光学跟踪系统及利用其的跟踪方法，可以与要测量的 标的物的距离无关地检测并跟踪标的物的准确的空间位置和方向，因而不仅能够大幅拓宽 可用区域，而且与以往的标记相比，能够大幅减小标记单元的大小从而进行制作，因而具有 能够使设备小型化的效果。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明第1实施例的跟踪系统的概略图
[0043] 图2是图示标记单元的图案部的一个示例的图
[0044] 图3是用于说明利用本发明第1实施例的光学跟踪系统跟踪标的物的过程的流程 图
[0045] 图4是用于说明光从标记单元释放的过程的图
[0046] 图5是用于说明平行出射光入射到成像单元的过程的图
[0047] 图6是用于说明利用本发明第1实施例的光学跟踪系统算出标的物的方向的过程 的图
[0048] 图7a至图7d是用于说明利用本发明第1实施例的光学跟踪系统算出标的物的空 间位置的过程的图
[0049] 图8是用于说明算出标记单元的空间位置和方向的过程的流程图
[0050] 图9是用于说明算出标记单元的方向的过程的流程图
[0051] 图10是用于说明算出标记单元的空间位置的过程的流程图
[0052] 图11是本发明第2实施例的光学跟踪系统的概略图
[0053] 图12是用于说明本发明第2实施例的算出标记单元的空间位置的过程的图
[0054] 图13是本发明第3实施例的光学跟踪系统的概略图
[0055] 图14是用于说明本发明第3实施例的光学跟踪系统的借助于处理器而算出标记 单元的空间位置的过程的图
[0056] 图15是本发明第4实施例的光学跟踪系统的概略图
[0057] 图16是用于说明本发明第4实施例的光学跟踪系统的借助于处理器而算出标记 单元的空间位置的过程的图
[0058] 图17是本发明第5实施例的光学跟踪系统的概略图
[0059] 图18是图示本发明第5实施例的标记单元的图
[0060] 图19是用于说明利用本发明第5实施例的光学跟踪系统跟踪标的物的过程的流 程图
[0061] 图20是用于说明算出标记单元的空间位置和方向的过程的流程图
[0062] 图21是用于说明算出标记单元的方向的过程的流程图
[0063] 图22是用于说明利用本发明第5实施例的光学跟踪系统算出标的物的方向的过 程的图
[0064] 图23是用于说明算出标记单元的空间位置的过程的流程图
[0065] 图24a至图24d是用于说明算出标记单元的空间位置的过程的图
[0066] 图25是本发明第6实施例的光学跟踪系统的概略图
[0067] 图26是本发明第7实施例的光学跟踪系统的概略图
[0068] 图27是本发明第8实施例的光学跟踪系统的概略图
[0069] 图28是用于说明本发明第9实施例的标记单元的图
[0070] 图29是用于说明本发明第10实施例的标记单元的图
[0071] 图30是本发明第11实施例的光学跟踪系统的概略图
[0072] 图31是图示本发明第11实施例的标记单元的图
[0073] 图32是用于说明利用本发明第11实施例的光学跟踪系统跟踪标的物的过程的流 程图
[0074] 图33是用于说明算出标记单元的空间位置和方向的过程的流程图
[0075] 图34是用于说明算出标记单元的方向的过程的流程图
[0076] 图35是用于说明利用本发明第11实施例的光学跟踪系统算出标的物的方向的过 程的图
[0077] 图36是用于说明算出标记单元的空间位置的过程的流程图
[0078] 图37a至图37d是用于说明算出标记单元的空间位置的过程的图
【具体实施方式】
[0079] 本发明可以具有多样的变更，可以具有多种形态，在附图中示例性地举出多个特 定实施例，在正文中详细说明。但这并非要把本发明限定于特定公开形态，应理解为包含本 发明的思想及技术范围内的所有变更、等同物乃至替代物。
[0080] 第1、第2等术语可以用于说明多样的构成要素，但所述构成要素不得