诸如使用由一个或多个摄像机跟踪的光学参考标记的光学跟踪解决 方案、其中夹具与一个或多个通量传感器一起执行的磁性跟踪解决方案以及其中夹具是一 个或多个线圈的电磁跟踪解决方案。除其它外，光学跟踪技术的一个美国专利的示例是授 予Gilboa的7,876,942。电磁跟踪技术的美国专利的示例是授予411(16^〇11的8,391，952和授 予Gi Iboa等人的6,833,814。磁性跟踪的示例是授予Hansen的5,744,953、授予Jensen等人 的8，358，128 和授予 Kynor等人的 7，561，051 〇
[0031]图2示出了系统100的更详细的框图。根据本发明的一个非限制性的优选实施方 式，使用一个或两个摄像机120和130执行配准夹具160的跟踪。对此，配准夹具具有可识别 标记，诸如三个或更多颜色点203。也可以使用的其它可识别标记是在配准夹具上限定明确 的点的交叉线或其它形状，并且通过摄像机120或130中的至少一个看到。视频摄像机优选 地是容易买到的类型的微型USB摄像机。这些类型的摄像机在内部将视频图像转换为数字 形式，并将它通过标准USB线发送到计算机140。
[0032]预先规划的路径数据（由图中的虚线260示出）被输送到计算机140。这样的数据包 括识别标记203在三维空间中的位置、进入点205的位置、目标270的位置(或从进入点朝向 目标的方向），以及可选的针头轴的长度或描述针头的几何形状的其它信息。
[0033]在计算机上运行的软件包230识别在图像中的颜色点130。从这些点在图像中的位 置，以及它们在三维空间中的位置一起，摄像机的取向使用以下计算：
[0034] 对于4维向量(a vector of 4terms)^，在预先规划空间中定义的点的位置，
[0035] 3乘4矩阵(matrix of 3by 4terms)R，其定义了摄像机相对于预先规划空间的平 移和转动，
[0036]点^到摄像机空间内的变换主，其由下式确定：
[0038]该点在摄像机的焦平面上的投影￡是，
[0040]其中，F是透镜的焦长度。
[00411通过公式（1)和(2)，矩阵R可基于可识别标记Vi的已知坐标和它们的图像坐标pi确 定，i = l:n。如果只使用一个摄像机，则η至少应是4。如果使用了两个摄像机，则η至少应是 30
[0042] 一旦矩阵R被确定，路径260、进入点205或在真实三维空间中限定的任何其它点的 投影可在视频图像之上投射到计算机屏幕150。在图2中，摄像机130的视频图像显示在屏幕 150左侧上的视频帧241中。针头170的图像由实线246绘制。路径260在摄像机130的视频上 的投影通过虚线244绘制。摄像机120的视频图像显示在屏幕150右侧上的视频帧242中。针 头170的图像由实线254绘制。路径260在摄像机120的视频上的投影通过虚线243绘制。 [0043]颜色点203嵌入在配准夹具160上的已知坐标处，因此足以确定夹具在三维空间中 的位置，从而也能够计算出颜色点的位置。为了能够这样做，可以由扫描仪检测的基准标记 被嵌入到配准夹具内。与CT成像模式(modality) -起使用的配准夹具的一个示例在图3a和 图3b中示出，字母H形状的固体结构300由生物相容的塑料材料制成。臂由倾斜平面制成，相 对于H基座倾斜45度。一种颜色的四个颜色点310-313被嵌入在倾斜表面的一侧上，而另外 四个不同颜色的点320-323被嵌入在倾斜表面的另一侧上。四根金属线嵌入到夹具内，线 350沿着第一臂，线352沿着相对的臂，而线351沿着中心臂。另外，小的金属丝353不垂直对 称于线352放置。金属线在CT图像中被检测时具有足够高的对比度，从而允许在被扫描体表 面上的容易的自动检测。一旦检测到，每根线被定义为在CT空间中的向量(原点和方向）。结 合在一起，知道夹具的位置和取向，两组颜色点的位置也可由此确定。配准夹具的结构在图 3a和图3b中描述，并在此作为示例提出。其它形状的对照物体也可以是适用的，诸如球、盘、 环等。用于形成对照物体的材料可以是金属以外的材料。另外，对于其它成像模式，用于形 成所述对照物体的材料需要是产生高对比度的一种材料，诸如在MRI中使用的填充有油的 管子。在更一般的条件中，参考夹具被构造为具有至少一个对照标记，其构造为在至少一种 体积成像模式下可见，其中短语"体积成像模式"用来指允许对人体内部结构成像的任何成 像模式。
[0044]确定所需路径的技术与所使用的成像技术是密切相关的。在三维成像的情况下， 诸如计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)，目标的坐标、进入点的坐标，以及用于将身 体配准到引导系统的基准点的坐标(如果需要的话），是直接从图像中获取。这可以简单地 完成，因为每个图像点(称为体素(voxel))直接映射到空间中的一点。在诸如荧光透视的2D 成像的情况下，这种直接的方法是不适用的。而是在已知取向下获取的两个重叠图像被用 于计算该物体的三维坐标。荧光透视图像中的每个点代表在空间中的一个向量，其开始于X 射线源而结束于图像增强器。对于在空间中物体的每个所需3D点，它在两个图像中的位置 被标记，限定在该物体处相交的两个向量。通过计算交点，确定在空间中的所需点。
[0045] 预规划程序的实施在这里作为示例提出，并且其它实施也同样是适用的。虽然下 面的示例中使用了 CT成像设备，但是，也可以使用带有适当所需变化的其它扫描模式。该程 序在本文中被功能地描述为一系列的过程，其可以由本领域普通技术人员在任何合适的计 算机上容易地作为软件程序运行。
[0046] 患者躺在CT床上。利用扫描的图像，沿着床的目标的切片坐标被识别，并且配准夹 具在该坐标处或接近该坐标附着到病人皮肤。包括体内目标和配准夹具的身体部分的体积 (螺旋)CT扫描被获取。扫描被发送到运行规划程序的计算机。
[0047]图4示出了规划程序的屏幕。计算机屏幕400被分成三个功能区，显示区410、显示 控制区420和程序指令区430。控制区控制显示。它有三个按钮。当按下"轴向"按钮422时，显 示器410示出身体的轴向横截面，横跨3D光标位置(在图中示出为十字412)的中心呈现。同 样地，当按压"矢状"按钮424或"冠状"按钮时，矢状或冠状横截面也相应地显示在显示器 412上。光标412的位置可以通过使用计算机鼠标，或用于控制轴向位置的滑块423,或用于 矢状位置的滑块425,或用于冠状位置的滑块427而指向新的位置。操作员指到目标的中心 并且点击"设置目标"命令按钮。程序存储光标的坐标作为目标位置坐标。接下来，程序自动 地搜索配准夹具的坐标。图5描述了程序如何搜索配准夹具300在患者的皮肤500上的位置。 通过沿着从目标向上的路径搜索具有等于空气水平的密度的第一体素(CT像素单元），程序 首先确定在目标501正上方的皮肤上的点的位置。接着，程序沿皮肤搜索嵌入在配准夹具中 的最接近的金属线。这可以通过在相邻体素520上一定的高度处开始，然后向下搜索具有比 空气更高的密度值以表明皮肤所在位置的体素来完成。在该搜索中，程序还搜索高于一定 阈值的表明金属物质的密度。当线