專利名稱：用于把對(duì)象的虛擬模型映射到對(duì)象的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality)系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明 涉及用于將虛擬坐標(biāo)系中的對(duì)象的虛擬模型的位置映射到真實(shí)坐標(biāo)系 中該對(duì)象的位置的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
諸如磁共振成像(MRI)和計(jì)算機(jī)化X射線軸向分層造影(CAT) 的成像醫(yī)療器械，允許以能夠使用計(jì)算機(jī)來査看和操縱圖像的方式來 生成諸如病人的身體或身體部分的真實(shí)物體的三維(3-D)圖像。例如， 可以進(jìn)行病人頭部的MRI掃描或CAT掃描，然后由成像醫(yī)療器械使用 計(jì)算機(jī)來生成3-D虛擬模型，并顯示模型的視圖?？梢允褂糜?jì)算機(jī) 外觀上旋轉(zhuǎn)頭部的3-D虛擬模型，從而可以從另一個(gè)視點(diǎn)來看到該模 型；移除模型的部分，從而其他部分變得可見，諸如移除頭部的一部 分以更接近地查看腦腫瘤；高亮突出諸如軟組織的頭部某些部分，從 而那些部分變得更加可見。以這種方式査看由掃描數(shù)據(jù)生成的虛擬模 型可以相當(dāng)多地用于多種應(yīng)用，諸如用于病情的診斷和治療，以及具 體地用于準(zhǔn)備和規(guī)劃外科手術(shù)。例如，該技術(shù)可以允許外科醫(yī)生來決 定他或她應(yīng)該從哪個(gè)點(diǎn)和方向進(jìn)入病人頭部來去除腫瘤，從而使得對(duì) 于周圍結(jié)構(gòu)的損害最小。或者，例如，該技術(shù)使得可以使用經(jīng)由遙感 而獲得的地質(zhì)構(gòu)造3-D模型來規(guī)劃石油勘探。國際公開No. WO-A1-02/100284公開了用于按3-D方式查看并操 縱由MRI掃描、CAT掃描或其他成像醫(yī)療器械產(chǎn)生的虛擬模型的設(shè)備 的例子。該設(shè)備由WO-A1-02/100284所述發(fā)明的所有者按商標(biāo)名 DEXTROSCOPE 制造并出售，該所有者也是這里描述的本發(fā)明的所 有者。也可以在手術(shù)自身期間來使用由MRI和CAT成像產(chǎn)生的虛擬模 型。例如，這樣做是很有用的提供視頻屏幕，該視頻屏幕向外科醫(yī) 生提供病人身體的部分或多個(gè)部分的實(shí)時(shí)視頻圖像，并且在該實(shí)時(shí)視 頻圖像上疊加所述部分或多個(gè)部分的對(duì)應(yīng)虛擬模型的表示。這可以使 得外科醫(yī)生能夠例如看到相對(duì)于實(shí)時(shí)視頻圖像正確定位的虛擬模型的 視圖中的表面下的結(jié)構(gòu)。這就像實(shí)時(shí)視頻圖像可以按"X-射線視覺" 看到身體部分的表面下的部分。因此，外科醫(yī)生可以具有身體部分的 改進(jìn)視圖，并可以由此以更大精度進(jìn)行操作。這種技術(shù)的改進(jìn)在具有和本發(fā)明共有的申請(qǐng)人的申請(qǐng) WO-Al-2005/000139中進(jìn)行了描述。在WO-Al-2005/000139中，描述 了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和方法。其中，公開了包括與手持式探針集成的相機(jī) 也就是所謂的"相機(jī)-探針"的示例性設(shè)備。在3-D坐標(biāo)系中的相機(jī)的 定位可以通過跟蹤裝置來跟蹤，整個(gè)布置使得可以移動(dòng)相機(jī)，從而在 視頻顯示屏幕上顯示身體部分的不同視圖，但是在這些視圖上顯示有 該身體部分的虛擬模型的對(duì)應(yīng)視圖。為了讓諸如在WO-Al-2005/000139中描述的增強(qiáng)發(fā)揮作用，應(yīng)理 解需要獲得在虛擬模型的圖像和實(shí)時(shí)視頻圖像之間的某種配準(zhǔn)。事實(shí) 上，轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明所有者的美國公開專利申請(qǐng)No.2005/0215879Al("the Accuracy Evaluation application")描述了通過測量"覆蓋誤差"來測 量這種配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度的多種方法。該申請(qǐng)描述了覆蓋誤差的多種源， 突出的一個(gè)是相互配準(zhǔn)誤差。美國公開專利申請(qǐng)No.2005/0215879A1 的公開由此通過引用完全包括在這里。為了在真實(shí)對(duì)象和該對(duì)象的虛擬圖像之間的準(zhǔn)確相互配準(zhǔn)，需要 一種方法，可將計(jì)算機(jī)內(nèi)虛擬坐標(biāo)系中存在的虛擬模型映射到作為模 型的真實(shí)對(duì)象，所述真實(shí)對(duì)象存在于真實(shí)世界的真實(shí)坐標(biāo)系中。這可 以按多種方式完成。例如，可以按兩階段過程執(zhí)行。在這種過程中， 可以執(zhí)行將虛擬模型大致映射到真實(shí)對(duì)象的初始對(duì)準(zhǔn)。然后，可以執(zhí) 行精確對(duì)準(zhǔn)，該精確對(duì)準(zhǔn)的目的是使得虛擬模型與真實(shí)對(duì)象完全對(duì)準(zhǔn)。執(zhí)行這種初始配準(zhǔn)的一種方式是在病人身體上固定若干公知為 "基準(zhǔn)(fiducial)"的標(biāo)記器。在人類頭部的實(shí)例中，采用小球形式 的基準(zhǔn)諸如通過螺釘將它們固定到病人頭骨中而固定到頭部。這些基 準(zhǔn)可以在成像之前被固定到適當(dāng)位置，并且由此可以在從掃描產(chǎn)生的 虛擬模型中出現(xiàn)。然后，可以使用跟蹤設(shè)備來跟蹤與例如在手術(shù)室中 的每個(gè)基準(zhǔn)接觸的探針，從而記錄在手術(shù)室中的真實(shí)坐標(biāo)系中的該基 準(zhǔn)的真實(shí)位置。由該信息，以及只要病人頭部保持靜止，可以將頭部 的虛擬模型映射到真實(shí)頭部。這種初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的顯著缺點(diǎn)是需要把基準(zhǔn)固定到病人。這對(duì)于 病人來說是不舒服的經(jīng)歷，而對(duì)于安裝基準(zhǔn)的工作人員來說是耗時(shí)的。用于獲得該初始配準(zhǔn)的另一方法是在成像掃描所產(chǎn)生的虛擬模型 上指定一組點(diǎn)。例如，外科醫(yī)生或放射線技師可以使用諸如上面提到的DEXTROSCOPETM的適合計(jì)算機(jī)設(shè)備，來選擇對(duì)應(yīng)于身體部分的表 面上的點(diǎn)的虛擬模型的容易識(shí)別的點(diǎn)，稱為"解剖標(biāo)記"。這些選擇 的點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)與上述基準(zhǔn)相似的功能。選擇該點(diǎn)的用戶可以例如在人 類面部的虛擬模型上選擇鼻部尖端和每個(gè)耳垂的尖端作為解剖標(biāo)記。 在手術(shù)室中，外科醫(yī)生則可以選擇對(duì)應(yīng)于在虛擬模型上選擇點(diǎn)的真實(shí) 身體部分上的相同的點(diǎn)，并且將在真實(shí)世界坐標(biāo)系中的這些點(diǎn)的3-D 位置傳送到計(jì)算機(jī)。然后，可以讓計(jì)算機(jī)將虛擬模型映射到真實(shí)身體 部分。這種初始配準(zhǔn)的可選擇方法的缺點(diǎn)是在虛擬模型上選擇作為解剖 標(biāo)記的點(diǎn)以及在病人上選擇對(duì)應(yīng)點(diǎn)都是很耗時(shí)的。也可能發(fā)生工作人 員錯(cuò)誤選擇虛擬模型上的點(diǎn)，或者可能發(fā)生工作人員錯(cuò)誤選擇身體上 的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。在精確確定諸如人體鼻部尖端和每個(gè)耳垂的尖端的點(diǎn)時(shí)也 存在問題。本領(lǐng)域中需要用于對(duì)象的虛擬圖像到該對(duì)象的真實(shí)位置相互配準(zhǔn) 的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法。發(fā)明內(nèi)容提出了用于將由病人的部分(10)的掃描圖像形成的虛擬模型(100)映射到該病人的該部分10的系統(tǒng)和方法。上面固定有探針(74) 的相機(jī)(72)相對(duì)于病人的部分(10)移動(dòng)直到由相機(jī)(72)捕捉的 該部分(10)的視頻圖像在視頻屏幕(80)上與固定示出在該屏幕(80) 上的虛擬模型重合。檢測在真實(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)(11)中的相機(jī)(72)的位 置。預(yù)先確定和已知相對(duì)于虛擬相機(jī)的虛擬模型(100)的虛擬坐標(biāo)系(110)中的位置，利用該虛擬相機(jī)在名義上捕捉屏幕(80)上的虛擬 模型(100)的視圖。由此，可以映射相對(duì)于病人10的部分(10)的 虛擬模型(100)的位置，并且生成變換，把虛擬坐標(biāo)系統(tǒng)(110)中 的病人的部分(10)定位到近似與虛擬模型(100)重合。在完成該初 始配準(zhǔn)過程之后，可以通過獲得待分析病人部分的表面上的大量真實(shí) 點(diǎn)來起動(dòng)精確配準(zhǔn)過程。然后可以使用迭代最接近點(diǎn)方法來處理這些 點(diǎn)，從而產(chǎn)生更準(zhǔn)確的第二變換?？梢灾貜?fù)這種精確配準(zhǔn)過程直到滿 足終止條件。在完成該初始配準(zhǔn)過程之后，可以通過獲得待分析病人 部分的表面上的大量真實(shí)點(diǎn)來起動(dòng)精確的第二配準(zhǔn)過程。然后，可以 使用迭代最接近點(diǎn)方法來處理這些點(diǎn)，從而產(chǎn)生更準(zhǔn)確的第二變換。 可以重做這種精確配準(zhǔn)過程，并且產(chǎn)生越來越準(zhǔn)確的變換，直到滿足 終止條件。使用由這種過程產(chǎn)生的最終變換，可以在真實(shí)坐標(biāo)系(11) 中把虛擬模型(100)定位到大致準(zhǔn)確地與病人的部分(10)重合。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的示例性設(shè)備的示意圖； 圖2示出示例性真實(shí)世界對(duì)象的簡化表示； 圖3示出圖2的對(duì)象的示例性虛擬模型的簡化表示； 圖4示出在虛擬坐標(biāo)系中的虛擬模型的表示，并且選擇了圖像的 一個(gè)點(diǎn)；圖5示出在根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的初始對(duì)準(zhǔn)過程開始之前可 以位于手術(shù)室中的示例性設(shè)備的一部分；圖6示出在根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的初始對(duì)準(zhǔn)過程中稍后的圖 5的設(shè)備；圖7示出在完成根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的初始對(duì)準(zhǔn)過程時(shí)的圖 5和6的設(shè)備；圖8示出在根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的精確對(duì)準(zhǔn)過程期間的示例 性設(shè)備的視頻屏幕和相機(jī)探針；圖9示出在完成根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的精確對(duì)準(zhǔn)過程時(shí)在視 頻屏幕上顯示的示例性真實(shí)和虛擬圖像；圖IO示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的示例性整個(gè)流程；圖11示出用于示出本發(fā)明示例性實(shí)施例的人類頭部的模型及其 虛擬圖像；圖12示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的圖IIB的虛擬圖像上的點(diǎn)的選擇；圖13示出在根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的配準(zhǔn)過程開始時(shí)布置的示例性設(shè)備和模型；圖14示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的示例性虛擬圖像和對(duì)應(yīng)真實(shí)對(duì)象的視頻圖像的示例性初始狀態(tài)；圖15示出完成的圖14的虛擬圖像和視頻圖像的初始對(duì)準(zhǔn)；圖16示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的示例性精確配準(zhǔn)過程；圖17示出在完成根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的示例性精確配準(zhǔn)過程之后的圖14的虛擬和真實(shí)圖像；圖18是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例用于以迭代最近點(diǎn)方法來處理 在精確配準(zhǔn)過程中獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的示例性流程圖；圖19-22示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的屏幕截圖的示例性序列；以及圖23示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例已經(jīng)發(fā)生了示例性準(zhǔn)確配準(zhǔn) 之后的圖11A的示例性模型的視頻圖像和示例性模型內(nèi)對(duì)象的虛擬圖 像。
具體實(shí)施方式
在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，對(duì)象的模型，諸如定位于虛擬空間中 的虛擬3-D坐標(biāo)系中的虛擬模型，可以被大致映射到真實(shí)空間中的真 實(shí)3-D坐標(biāo)系中的(真實(shí))對(duì)象的位置。為了便于描述，這種映射在 這里也被稱為"配準(zhǔn)"或"相互配準(zhǔn)"。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中， 可以執(zhí)行初始配準(zhǔn)，接著執(zhí)行精確配準(zhǔn)?？梢允褂枚喾N方法來執(zhí)行這 種初始配準(zhǔn)。 一旦完成了初始配準(zhǔn)，可以執(zhí)行精確配準(zhǔn)，從而將對(duì)象 的虛擬模型(有時(shí)候在這里稱為"虛擬對(duì)象")與真實(shí)對(duì)象更精密地 對(duì)齊。實(shí)現(xiàn)這種對(duì)齊的一種方法是例如在真實(shí)對(duì)象的表面上選擇許多 間隔開的點(diǎn)。例如，用戶可以將探針放置在真實(shí)對(duì)象(例如人體部分) 的表面上，并且讓跟蹤系統(tǒng)來記錄該探針的位置。例如，這可以被重 復(fù)直到已經(jīng)記錄了在真實(shí)對(duì)象的表面上的充足數(shù)量的點(diǎn)，充足數(shù)量的 點(diǎn)使得可通過精確配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的虛擬模型到真實(shí)對(duì)象的準(zhǔn)確映射。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，該過程例如可以包括a) 獲取表示虛擬模型的信息的計(jì)算機(jī)處理裝置；b) 計(jì)算機(jī)處理裝置在顯示裝置上顯示作為虛擬模型至少一部 分的視圖的虛擬圖像，該視圖就如同來自固定在虛擬坐標(biāo)系 中的虛擬相機(jī)；該計(jì)算機(jī)處理裝置還在顯示裝置上顯示由在 真實(shí)坐標(biāo)系中可以移動(dòng)的真實(shí)視頻相機(jī)捕捉的真實(shí)空間的 真實(shí)視頻圖像；其中，在顯示裝置上顯示與真實(shí)坐標(biāo)系中的 相機(jī)相距一些距離的對(duì)象的真實(shí)視頻圖像，并使之尺寸大致與當(dāng)虛擬模型與虛擬坐標(biāo)系中的虛擬相機(jī)相距相同距離時(shí) 的虛擬模型的虛擬圖像的尺寸相同； C) 計(jì)算機(jī)處理裝置接收輸入，該輸入指示相機(jī)已經(jīng)在真實(shí)坐 標(biāo)系中被移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，在該位置，顯示裝置將虛擬空 間中的虛擬模型的虛擬圖像顯示為與真實(shí)空間中的對(duì)象的 真實(shí)視頻圖像大致重合；d) 計(jì)算機(jī)處理裝置與檢測裝置通信，從而檢測在真實(shí)坐標(biāo)系中的相機(jī)的位置；e) 計(jì)算機(jī)處理裝置存取表示虛擬坐標(biāo)系中相對(duì)于虛擬相機(jī)的 虛擬模型的位置的模型位置信息；f) 計(jì)算機(jī)處理裝置響應(yīng)該輸入以根據(jù)在(d)中檢測的相機(jī)位 置以及(e)的模型位置信息來確定真實(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)中的對(duì)象 的位置；并且然后，將在虛擬坐標(biāo)系中的虛擬模型的位置大 致映射到真實(shí)坐標(biāo)系中的對(duì)象的位置。本方法可以例如允許用戶以方便的方法來執(zhí)行對(duì)象3-D模型與真 實(shí)對(duì)象之間的初始配準(zhǔn)。例如，3-D模型的虛擬圖像可以呈現(xiàn)在視頻顯 示裝置上，并且可以被布置為當(dāng)移動(dòng)相機(jī)時(shí)不在那些裝置上移動(dòng)。然 而，通過移動(dòng)真實(shí)的相機(jī)，在真實(shí)空間中的對(duì)象的真實(shí)視頻圖像可以 在整個(gè)顯示裝置上移動(dòng)。因此，例如，用戶可以移動(dòng)相機(jī)直到虛擬圖 像呈現(xiàn)在顯示裝置上并且與由真實(shí)相機(jī)所見的對(duì)象的真實(shí)視頻圖像重 合。例如，當(dāng)虛擬圖像是人類頭部的虛擬圖像時(shí)，用戶可以注意將顯 示裝置上顯示的虛擬圖像的顯著和容易識(shí)別的特征，諸如耳或鼻，與 由相機(jī)捕捉的視頻圖像中的對(duì)應(yīng)特征對(duì)齊。當(dāng)完成該對(duì)齊時(shí)，到計(jì)算 機(jī)處理裝置的輸入可以固定相對(duì)于頭部的虛擬圖像的位置。這樣的對(duì)象可以是例如人體或動(dòng)物體的全部或部分，或者例如是 任何這樣的對(duì)象，為了各種目的和/或應(yīng)用，尋求將對(duì)象的虛擬圖像與 該對(duì)象配準(zhǔn)，這些目的和/或應(yīng)用例如是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality) 應(yīng)用，或者是其中將預(yù)先獲得的成像數(shù)據(jù)(如可以按諸如創(chuàng)建對(duì)象或多個(gè)對(duì)象的體積或其他虛擬模型的多種方法來處理)與相同對(duì)象或相 同多個(gè)對(duì)象的實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)結(jié)合使用的應(yīng)用。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，該方法可以包括定位虛擬模型和對(duì)象 的至少一個(gè)，使得它們大致在所述坐標(biāo)系之一中重合。優(yōu)選，映射包括生成將變換，用于將虛擬模型的位置映射到對(duì)象位置。該方法還可 以包括接著應(yīng)用該變換將對(duì)象定位在虛擬坐標(biāo)系中以使其與虛擬坐標(biāo) 系中的虛擬模型大致重合?？商鎿Q地，該方法可以包括接著應(yīng)用該變 換將虛擬模型定位在真實(shí)坐標(biāo)系中以使其與真實(shí)坐標(biāo)系中的對(duì)象大致 重合。這樣的變換通?？梢詫懗蛇@種形式P， = M P其中，P'是新姿態(tài)，而P是舊姿態(tài)，并且其中M是4X4矩陣， 因?yàn)槭莿傮w配準(zhǔn)，所以M包含旋轉(zhuǎn)和平移(但是沒有比例縮放)。特 別，M可以包含例如R矩陣(3X3旋轉(zhuǎn)矩陣)和T矩陣(3X1平移矩 陣)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，這種方法可以包括在虛擬坐標(biāo)系中相 對(duì)于虛擬相機(jī)定位虛擬模型，使得該虛擬模型與該虛擬相機(jī)相距預(yù)定 距離。定位虛擬模型還可以包括相對(duì)于虛擬相機(jī)定向(orientate)虛擬 模型。這種定位可以包括例如選擇虛擬模型的優(yōu)選點(diǎn)，并且相對(duì)于 虛擬相機(jī)定位該虛擬模型，使得該優(yōu)選點(diǎn)與該虛擬相機(jī)相距預(yù)定距離。 優(yōu)選，優(yōu)選點(diǎn)在虛擬圖像的表面上。優(yōu)選，優(yōu)選點(diǎn)與對(duì)象表面上明確 定義的點(diǎn)大致重合。優(yōu)選點(diǎn)可以是解剖標(biāo)記。例如，優(yōu)選點(diǎn)可以是鼻 部尖端、耳垂尖端或一個(gè)太陽穴。定向可以包括例如定向虛擬模型， 使得可以例如由虛擬相機(jī)從預(yù)定方向觀看優(yōu)選點(diǎn)。由此，例如，可以 由計(jì)算機(jī)處理裝置自動(dòng)執(zhí)行定位和/或定向，或者由操作該計(jì)算機(jī)處理 裝置的用戶來執(zhí)行這種定位和/或定向。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，用戶可以在虛擬模型的表面上指定優(yōu)選點(diǎn)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中， 用戶可以指定優(yōu)選方向，從該方向可以由虛擬相機(jī)觀看該優(yōu)選點(diǎn)。在 本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可以自動(dòng)地定位虛擬模型和/或虛擬相機(jī)，使 得它們之間相距預(yù)定距離。該方法可以包括例如接下來在視頻顯示裝置上顯示由真實(shí)相機(jī)捕 捉的真實(shí)空間的真實(shí)圖像以及就如同由虛擬相機(jī)捕捉的虛擬空間的虛 擬圖像，該虛擬相機(jī)可以隨著真實(shí)相機(jī)在真實(shí)空間中的移動(dòng)而在虛擬 空間中移動(dòng)，從而，按照與真實(shí)坐標(biāo)系中真實(shí)相機(jī)相對(duì)于對(duì)象定位的 相同方式，在虛擬坐標(biāo)系中相對(duì)于虛擬模型定位虛擬相機(jī)。該方法由 此可以包括計(jì)算機(jī)處理裝置與檢測裝置通信以檢測在真實(shí)坐標(biāo)系中 相機(jī)的位置。然后，計(jì)算機(jī)處理裝置例如可以由此確定相對(duì)于對(duì)象的 真實(shí)相機(jī)的位置。然后，計(jì)算機(jī)處理裝置可以例如在虛擬坐標(biāo)系中移 動(dòng)虛擬相機(jī)，以使得該虛擬相機(jī)相對(duì)于虛擬模型處于相同位置。通過以這種方式將虛擬相機(jī)的移動(dòng)與真實(shí)相機(jī)的移動(dòng)相關(guān)聯(lián)，可 以移動(dòng)真實(shí)相機(jī)，從而在顯示裝置上顯示從不同視點(diǎn)看到的對(duì)象的真 實(shí)圖像，并且可以相應(yīng)地移動(dòng)虛擬相機(jī)，從而使得還可以在顯示裝置 上顯示從相同視點(diǎn)看到的虛擬模型的對(duì)應(yīng)虛擬圖像。因此，在本發(fā)明 示例性實(shí)施例中，在手術(shù)室中的外科醫(yī)生可以例如從很多不同方向查 看身體部分，并且具有可看到疊加在該部分的真實(shí)視頻圖像上的該部 分的掃描圖像的益處。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可以提供映射設(shè)備，用于將對(duì)象模型， 也就是定位在虛擬空間中的虛擬3-D坐標(biāo)系中的虛擬模型，大致映射 到真實(shí)空間中的真實(shí)3-D坐標(biāo)系中的對(duì)象的位置，其中該設(shè)備包括計(jì) 算機(jī)處理裝置、視頻相機(jī)和視頻顯示裝置，可布置該設(shè)備使得可以操作視頻顯示裝置來顯示由真實(shí)空間的 相機(jī)捕捉的真實(shí)視頻圖像，該相機(jī)可以在真實(shí)坐標(biāo)系中移動(dòng)；可以操 作計(jì)算機(jī)處理裝置在視頻顯示裝置上還顯示作為虛擬模型至少一部分的虛擬圖像，該視圖就如同從固定在虛擬坐標(biāo)系中的虛擬相機(jī)所見到 的一樣，其中，該設(shè)備可以還包括檢測裝置以檢測在真實(shí)坐標(biāo)系中的視頻 相機(jī)的位置并將表示該位置的相機(jī)定位信息傳送到計(jì)算機(jī)處理裝置， 以及計(jì)算機(jī)處理裝置可以被布置為存取表示在虛擬坐標(biāo)系中相對(duì)于 虛擬相機(jī)的虛擬模型的位置的模型位置信息，并由相機(jī)位置信息和模 型位置信息確定在真實(shí)坐標(biāo)系中的對(duì)象的位置，以及其中，該計(jì)算機(jī)處理裝置可以被布置為響應(yīng)表示已經(jīng)在真實(shí)坐標(biāo) 系中將相機(jī)移動(dòng)到某個(gè)位置的輸入，在該位置，通過將虛擬坐標(biāo)系中 的虛擬模型的位置大致映射到真實(shí)坐標(biāo)系中的對(duì)象的位置，視頻顯示 裝置顯示虛擬空間中的虛擬模型的虛擬圖像與真實(shí)空間中的對(duì)象的真 實(shí)視頻圖像大致重合。計(jì)算機(jī)處理裝置可以例如被布置和編程為執(zhí)行前面定義的方法。計(jì)算機(jī)處理裝置可以包括例如導(dǎo)航計(jì)算機(jī)處理裝置，該導(dǎo)航計(jì)算 機(jī)處理裝置例如用于手術(shù)準(zhǔn)備期間或醫(yī)療手術(shù)期間在手術(shù)室中進(jìn)行定 位。這樣的計(jì)算機(jī)處理裝置例如可以包括規(guī)劃計(jì)算機(jī)處理裝置，用于 接收由身體掃描器生成的數(shù)據(jù)；由該數(shù)據(jù)生成虛擬模型；以及顯示該 圖像并允許該圖像被用戶操縱。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，真實(shí)相機(jī)可以包括固定在其中的引導(dǎo) 件，并且被布置為當(dāng)移動(dòng)真實(shí)相機(jī)并使得引導(dǎo)件接觸對(duì)象的表面時(shí)， 對(duì)象處于計(jì)算機(jī)處理裝置已知的與真實(shí)相機(jī)相距預(yù)定距離處。該引導(dǎo) 件可以是例如在真實(shí)相機(jī)前面突出的細(xì)長探針。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，真實(shí)相機(jī)的規(guī)格和布置例如可以是 當(dāng)對(duì)象處于與真實(shí)相機(jī)相距預(yù)定距離處時(shí)，在顯示裝置上的該對(duì)象的 真實(shí)圖像的尺寸與當(dāng)虛擬模型處于與虛擬相機(jī)相距預(yù)定距離處時(shí)在那 些顯示裝置上顯示的虛擬圖像的尺寸相同。例如，可以選擇真實(shí)相機(jī)的透鏡的位置和焦距從而使得情況如此?？商鎿Q地或附加地，計(jì)算機(jī)處理裝置可以被編程，使得虛擬相機(jī) 具有與真實(shí)相機(jī)相同的光學(xué)特性，從而當(dāng)虛擬模型處于與虛擬相機(jī)相距預(yù)定距離處時(shí)在顯示裝置上顯示的虛擬圖像看起來同處于與真實(shí)相 機(jī)相距該預(yù)定距離處的對(duì)象的真實(shí)圖像具有相同的尺寸。這些相機(jī)特征可以包括例如焦距、圖像投影中心和相機(jī)畸變系數(shù)。這些特性值可以被指定(編程)到諸如OpenGL相機(jī)模型的相機(jī)模型 中。通過這么做，相機(jī)模型可以近似這樣的真實(shí)相機(jī)。映射設(shè)備可以被布置為例如使得計(jì)算機(jī)處理裝置可以接收表示真 實(shí)相機(jī)所捕捉圖像的來自該真實(shí)相機(jī)的輸出，從而使得計(jì)算機(jī)處理裝 置可以在視頻顯示裝置上顯示該真實(shí)圖像。該設(shè)備可以包括輸入裝置，用戶可以操作該輸入裝置來提供輸入， 該輸入表示相機(jī)已經(jīng)處于其中視頻顯示裝置所示出虛擬圖像與對(duì)象的 真實(shí)圖像大致重合的位置。該輸入裝置可以是用戶操作開關(guān)。優(yōu)選地， 輸入裝置可以是放置在地面上并由用戶的腳來操作的開關(guān)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，作為定位在空間中的3-D坐標(biāo)系中的 虛擬模型的對(duì)象模型，可以與真實(shí)坐標(biāo)系中的真實(shí)對(duì)象更精密地配準(zhǔn)， 而如上所述，該虛擬模型同該對(duì)象在初始對(duì)準(zhǔn)中已經(jīng)被基本對(duì)齊，該 方法包括a) 計(jì)算機(jī)處理裝置接收表示應(yīng)該起動(dòng)真實(shí)數(shù)據(jù)收集過程的輸入；b) 計(jì)算機(jī)處理裝置與檢測裝置通信以確定在真實(shí)坐標(biāo)系中的探 針位置，并由此確定當(dāng)探針與對(duì)象表面接觸時(shí)的對(duì)象表面上的 點(diǎn)的位置；c) 計(jì)算機(jī)處理裝置響應(yīng)該輸入，自動(dòng)地每隔一定時(shí)間記錄表示真 實(shí)坐標(biāo)系中的探針的多個(gè)位置的每個(gè)、并由此表示當(dāng)探針與對(duì)象表面接觸時(shí)該表面上的多個(gè)點(diǎn)的每個(gè)的相應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)；d) 計(jì)算機(jī)處理裝置計(jì)算將虛擬模型大致映射到真實(shí)數(shù)據(jù)的精確 變換；e) 計(jì)算機(jī)處理裝置應(yīng)用該變換在坐標(biāo)系中將虛擬模型與對(duì)象更精密地配準(zhǔn)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可以使用如下偽代碼來實(shí)現(xiàn)精確變換計(jì)算過程；1. 對(duì)于真實(shí)數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)，找到在模型數(shù)據(jù)中的最近點(diǎn)，該最 近點(diǎn)被稱為對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)；2. 對(duì)于給定的一組對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，計(jì)算該變換，從而在變換后，成對(duì) 真實(shí)點(diǎn)最接近它們對(duì)應(yīng)的成對(duì)模型點(diǎn)；(該計(jì)算公知為普魯克分析(這是用于分析形狀的統(tǒng)計(jì)分布的技 術(shù))。關(guān)于這種類型的分析的重要論文是K.S.Arun， T.S.Huang and S.D.Blostein，5"《匿e ,故/"g 3-D Po/wf S他,IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. PAMI-9, No.5, 1987年9月，pp.698.)利用所計(jì)算的變換來變換真實(shí)數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)，該變換可以由上 面提供的變換等式來表示，也就是P'-M，P;以及3. 重復(fù)過程1到4，直到滿足終止條件為止。終止條件這里可以 是例如迭代次數(shù)等于系統(tǒng)定義的最大迭代次數(shù)，或者例如均方根距離(RMS誤差)小于預(yù)定最小RMS誤差，或者這兩種條件的一些組合。因此，獲得這樣的變換可以被認(rèn)為是重復(fù)的操作。也就是說，可 以將新變換施加到新對(duì)象位置。然后，可以通過施加之前的變換等來 獲得新對(duì)象位置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，在上述的(c)中，該方 法可以例如記錄表示探針的至少50個(gè)位置的每個(gè)的各個(gè)真實(shí)數(shù)據(jù)，并 且可以記錄例如表示探針的100、 200、 300、 400、 500、 600、 700或 750 (或之間的任何數(shù)量的點(diǎn))個(gè)位置的每個(gè)的相應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，表示探針位置的真實(shí)數(shù)據(jù)用于表示可 用來接觸對(duì)象的探針尖端的位置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，計(jì)算機(jī) 處理裝置自動(dòng)記錄相應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)，從而使得按周期性間隔記錄探針的 位置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，該方法包括步驟，計(jì)算機(jī)處理裝置 在視頻顯示裝置上顯示為其記錄真實(shí)數(shù)據(jù)的探針位置的一個(gè)或多個(gè)或 所有。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，該方法包括步驟，顯示探針連同虛 擬模型的位置，從而示出它們?cè)谧鴺?biāo)系中的相對(duì)位置。在本發(fā)明示例 性實(shí)施例中，當(dāng)收集表示探針的每個(gè)位置的相應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，該方法充分 地顯示探針的每個(gè)位置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，以這種方式實(shí)時(shí) 地顯示探針的每個(gè)位置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，用于初始配準(zhǔn)的方法還可以另外包括 剛才所述的精確配準(zhǔn)。另外，在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，映射設(shè)備可以被進(jìn)一步編程和 布置為執(zhí)行該精確配準(zhǔn)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可以提供布置和編程為執(zhí)行該方法的 一個(gè)或多個(gè)的計(jì)算機(jī)處理裝置。該計(jì)算機(jī)處理裝置可以包括本領(lǐng)域中已知的個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站 或其他數(shù)據(jù)處理裝置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可以提供計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序 可以包括代碼部分，該代碼部分由計(jì)算機(jī)處理裝置執(zhí)行以導(dǎo)致那些裝 置執(zhí)行上述方法的一個(gè)或多個(gè)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可以提供記錄載體，該記錄載體中包 括計(jì)算機(jī)程序的記錄，該計(jì)算機(jī)程序具有代碼部分，該代碼部分可以 由計(jì)算機(jī)處理裝置執(zhí)行以導(dǎo)致那些裝置執(zhí)行上述方法的一個(gè)或多個(gè)。該記錄載體可以是例如計(jì)算機(jī)可讀記錄產(chǎn)品，諸如以下產(chǎn)品的一個(gè)或多個(gè)光盤，諸如CD-ROM或DVD;磁盤或存儲(chǔ)介質(zhì)，諸如軟盤、 閃存存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)條、便攜式存儲(chǔ)器；或固態(tài)記錄裝置，諸如EPROM 或EEPROM。記錄載體可以是經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)。該信號(hào)可以是經(jīng) 由電線傳輸?shù)碾娦盘?hào)，或者無線傳輸?shù)臒o線電信號(hào)。該信號(hào)可以是經(jīng) 由光學(xué)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓鈱W(xué)信號(hào)。應(yīng)該理解，這里提到諸如虛擬模型、對(duì)象、虛擬相機(jī)和真實(shí)相機(jī) 等項(xiàng)的"位置(position)"既指這些項(xiàng)的處所也指其朝向。醫(yī)療規(guī)劃/手術(shù)導(dǎo)航實(shí)例在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的病人的虛擬模型， 諸如可以被作為MRI或其他醫(yī)療成像設(shè)備掃描的結(jié)果而產(chǎn)生的虛擬模 型，可以被映射到手術(shù)室中的真實(shí)病人的位置。該映射可以允許以布 置正確的方式將虛擬模型的視圖疊置在病人的實(shí)時(shí)視頻圖像上，并由 此可以作為外科手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航助手。接著描述該示例性實(shí)施例。該 描述將包括如下兩個(gè)配準(zhǔn)過程的描述初始配準(zhǔn)過程，其中，虛擬模 型被大致映射到真實(shí)病人的位置；以及精確配準(zhǔn)過程，其中，該過程 的目標(biāo)是將虛擬模型充分精確地映射到病人。根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例，圖1-9示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例 的示例性增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備、真實(shí)對(duì)象的示例性視頻圖像、以及該對(duì)象的 示例性虛擬圖像的一般示意圖。另外，圖11-23是本發(fā)明的示例性神經(jīng)外科規(guī)劃/神經(jīng)外科導(dǎo)航實(shí) 施例的真實(shí)執(zhí)行的真實(shí)圖像。在以下的描述中將參考示意1-9和真 實(shí)圖像圖11-23。圖1示意性示出示例性增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)備20。該設(shè)備20包括MRI掃描儀30，該MRI掃描儀30與規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MRI 掃描儀30可以例如被布置為執(zhí)行病人的MRI掃描并將該掃描所生成的 數(shù)據(jù)發(fā)送到規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40。規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40可以被布置為根據(jù)掃描 數(shù)據(jù)產(chǎn)生病人的3-D模型，這些3-D模型可以由規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40的操 作員諸如放射線技師或神經(jīng)外科醫(yī)生進(jìn)行査看和操縱。因?yàn)樵?-D模 型僅僅存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)，這里它將被稱為"虛擬模型"。類似地，圖13示出示例性真實(shí)外科手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，該外科手術(shù)導(dǎo) 航設(shè)備包括跟蹤系統(tǒng)(在圖的右上方示出)、顯示器(在中間偏左 處示出)；仿真頭(在底部左側(cè))；以及用戶，在初始配準(zhǔn)過程開始 時(shí)，持有在仿真頭附近的相機(jī)探針(該裝置的例子在 WO-A1-2005/000139中進(jìn)行了描述)。接著參考圖l，設(shè)備20還可以包括可布置在手術(shù)室(未示出)中 的手術(shù)室設(shè)備50。手術(shù)室設(shè)備50可以包括例如與規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40進(jìn) 行數(shù)據(jù)通信的導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60。手術(shù)室設(shè)備50還可以包括腳開關(guān)65、 相機(jī)探針70、跟蹤設(shè)備90和監(jiān)視器80。腳開關(guān)65可以例如被放置在 地面上并且被可通信地連接到導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60，從而當(dāng)被操作員的腳 踩下時(shí)提供輸入至該導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60。相機(jī)探針70包括視頻相機(jī)72，帶有細(xì)長探針74由此突出到相機(jī) 72的視場的中央。視頻相機(jī)72結(jié)構(gòu)緊湊且重量輕，從而可以被容易地 抓握而不會(huì)造成操作員的手部疲勞，且可容易地在手術(shù)室中移動(dòng)。相 機(jī)72的視頻輸出可以例如作為輸入連接到導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60。跟蹤設(shè)備 卯可以例如以已知方式布置為跟蹤相機(jī)探針70的位置并且可以被連接 到導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60，從而將表示相對(duì)于相機(jī)探針70的位置的數(shù)據(jù)提供 到導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60。該示例性增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的另外細(xì)節(jié)在 WO-A1-2005/000139中提供。例如可以用于神經(jīng)外科手術(shù)的規(guī)劃和導(dǎo)航。具體地，假設(shè)已經(jīng)對(duì)病人 頭部執(zhí)行了 MRI掃描，并且已經(jīng)由根據(jù)該掃描收集的數(shù)據(jù)構(gòu)建了病人頭部的3-D虛擬模型。該模型可以在計(jì)算機(jī)裝置上被觀看，例如在規(guī) 劃站計(jì)算機(jī)40形式的裝置上示出，在該實(shí)例中進(jìn)一步假設(shè)在病人腦部 區(qū)域中的腫瘤。意圖是病人應(yīng)該利用視圖來經(jīng)受外科手術(shù)以去除腫瘤，并且使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來規(guī)劃和執(zhí)行該外科手術(shù)。需要對(duì)頭部的 虛擬模型與手術(shù)室中的真實(shí)頭部進(jìn)行精確配準(zhǔn)或映射。該映射可以根 據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例來完成。圖l-9示出一般示意性身體部分(繪制為立方體10)以及該立方 體的虛擬圖像(繪制為虛線立方體IOO)。在以下的例子中， 一般立方 體10被假設(shè)為頭部，而虛擬立方體100被假設(shè)為該頭部的虛擬模型。圖2和3由此示出頭部10和頭部10的虛擬模型100。應(yīng)理解本 發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以被應(yīng)用于任何對(duì)象及其虛擬圖像并且涉及對(duì)象 的虛擬圖像到真實(shí)世界對(duì)象的配準(zhǔn)，而與應(yīng)用無關(guān)。作為預(yù)備過程，可以使用MRI掃描儀30對(duì)病人頭部執(zhí)行MRI掃 描。來自該掃描的掃描數(shù)據(jù)可以從MRI掃描儀30發(fā)送到規(guī)劃站計(jì)算機(jī) 40。規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40可以例如運(yùn)行使用掃描數(shù)據(jù)來創(chuàng)建虛擬模型的規(guī) 劃軟件，可以使用規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40來查看和操縱該虛擬模型。例如， 如果規(guī)劃站計(jì)算機(jī)是Dextroscope ,規(guī)劃軟件可以是由新加坡的 Volume Interactions Pte公司提供的RadioDexter 軟件。如所述的，頭 部10在圖2中示出，而虛擬模型IOO在圖3中示出。類似地，圖11A 是仿真頭的真實(shí)圖像，而圖IIB是由MRI掃描創(chuàng)建的該仿真頭的虛擬 圖像。參考圖4，虛擬模型100可以由定位在諸如規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40中的 3-D坐標(biāo)系110中的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成。因?yàn)樵撟鴺?biāo)系僅僅存在于規(guī)劃 站計(jì)算機(jī)40中，并且不具有真實(shí)世界中的參考框架，所以坐標(biāo)系100將被稱為"虛擬坐標(biāo)系"110并且將被表示為處于"虛擬空間"內(nèi)。通過與規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40及其上運(yùn)行的規(guī)劃軟件進(jìn)行交互，用戶可 以例如選擇視點(diǎn)，在虛擬空間中從該視點(diǎn)査看虛擬模型100。為此，用 戶可以首先在虛擬模型100的表面上選擇點(diǎn)102。在本發(fā)明示例性實(shí)施 例中，諸如在頭部模型的情況下，選擇相對(duì)較好定義的點(diǎn)經(jīng)常是有用 的，該點(diǎn)為鼻部尖端或耳垂尖端。然后，用戶可以選擇通向該選擇點(diǎn) 的視線103，并且然后可以存儲(chǔ)視線103，連同存儲(chǔ)由其生成虛擬模型 的掃描數(shù)據(jù)作為規(guī)劃軟件所用的虛擬模型數(shù)據(jù)。示例性接口可以例如首先使用鼠標(biāo)來調(diào)節(jié)相對(duì)于界面窗口中的虛 擬對(duì)象的相機(jī)視點(diǎn)，并接著通過在模型上移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)以及點(diǎn)擊鼠標(biāo) 右鍵，可以在模型的表面上找到模型上作為光標(biāo)點(diǎn)的投影的點(diǎn)。接著， 該點(diǎn)可以被用作樞轉(zhuǎn)點(diǎn)(下面描述)，并且視點(diǎn)決定當(dāng)在組合(視頻 和虛擬)圖像中顯示時(shí)虛擬對(duì)象將如何呈現(xiàn)。例如，虛擬模型數(shù)據(jù)可 以被保存以可讓導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60獲取。在該示例性實(shí)施例中，例如， 通過使用已知技術(shù)經(jīng)由局域網(wǎng)(LAN)、寬域網(wǎng)(WAN)、虛擬專用 網(wǎng)絡(luò)(VPN)或甚至因特網(wǎng)連接的計(jì)算機(jī)40、 60，可以使得虛擬模型 數(shù)據(jù)可以被導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60獲取。在虛擬圖像的掃描和創(chuàng)建之后，然后，可以例如將動(dòng)作移動(dòng)到手 術(shù)室。圖5示出示例性手術(shù)室的示意性表示。病人可以被準(zhǔn)備好進(jìn)行 手術(shù)，并且被定位為使得其頭部10被固定在由跟蹤設(shè)備90 (在圖5中 跟蹤設(shè)備被錯(cuò)誤標(biāo)記為"80";其實(shí)際上應(yīng)該被標(biāo)記為如圖6-7中的 "90")的位置限定的真實(shí)坐標(biāo)系11中。在手術(shù)室中，諸如外科醫(yī)生 的用戶則可以操作在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)站60上運(yùn)行的導(dǎo)航軟件來存取由規(guī)劃 計(jì)算機(jī)站40保存的虛擬模型數(shù)據(jù)。接著參考圖5，導(dǎo)航軟件可以例如在監(jiān)視器80上顯示虛擬模型 100。虛擬模型IOO可以例如被顯示為就如同從固定的虛擬視頻相機(jī)所查看的一樣，該虛擬視頻相機(jī)被固定為使得從使用規(guī)劃站計(jì)算機(jī)40指 定的視點(diǎn)來査看虛擬模型，并且虛擬模型100被顯示為處于例如同由 導(dǎo)航軟件指定的虛擬相機(jī)相距某個(gè)距離處。同時(shí)，導(dǎo)航軟件例如可以接收表示從視頻相機(jī)72輸出的實(shí)時(shí)視頻的數(shù)據(jù)，并且由此可以在監(jiān)視 器80上顯示與該輸出對(duì)應(yīng)的視頻圖像。這樣的組合顯示是在 WO-A1-2005/000139以及"the Accuracy Evaluation Application"中描 述的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)組合圖像。為了掛述方便，所顯示的視頻圖像將被稱為 "真實(shí)圖像"，而視頻相機(jī)72將被稱為"真實(shí)相機(jī)"，從而清楚地將 它們與由虛擬相機(jī)生成的虛擬模型100的"虛擬"圖像區(qū)分開來?？梢孕?zhǔn)導(dǎo)航軟件和真實(shí)相機(jī)72，從而使得處于與虛擬相機(jī)在虛 擬坐標(biāo)系中110中相距距離x處的虛擬模型的顯示圖像可以在監(jiān)視器 80上被示出為具有與在真實(shí)世界中與真實(shí)相機(jī)72相距距離x處的對(duì)應(yīng) 對(duì)象的真實(shí)圖像相同的尺寸。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，這是可以做 到的，因?yàn)榭梢灾付ㄌ摂M相機(jī)具有與真實(shí)相機(jī)72相同的特性。另外， 虛擬模型可以通過表面提取之后獲得的掃描圖像和3-D重建來如實(shí)地 仿造真實(shí)對(duì)象。應(yīng)理解，所謂對(duì)象或模型與相機(jī)相距的距離可以更適當(dāng)?shù)胤Q為與 該相機(jī)的焦平面相距的距離。然而，為了解釋清楚，在這里省略了對(duì) 于焦平面的引用。此外，導(dǎo)航軟件可以被布置為顯示虛擬模型的圖像，就如同之前 選擇的點(diǎn)102與虛擬相機(jī)相距的距離等于探針74的尖端與其所附著的 真實(shí)相機(jī)72相距的距離。(這使得虛擬圖像在某種意義上仿真真實(shí)圖 像，因?yàn)橄鄼C(jī)探針70的視頻相機(jī)72總是與真實(shí)對(duì)象相距該距離)。 盡管真實(shí)相機(jī)72可以在真實(shí)世界中移動(dòng)，使得移動(dòng)的真實(shí)相機(jī)72導(dǎo) 致不同的真實(shí)圖像出現(xiàn)在監(jiān)視器80上，但移動(dòng)的真實(shí)相機(jī)72對(duì)于在 虛擬坐標(biāo)系110中的虛擬相機(jī)的位置沒有影響。因此，虛擬模型100 的圖像可以與真實(shí)相機(jī)72是否移動(dòng)無關(guān)，在監(jiān)視器80上維持靜態(tài)。探針74被固定到真實(shí)相機(jī)72并且突出到相機(jī)視野的中央，同時(shí)探針 72還可以被看到突出到監(jiān)視器80上顯示的真實(shí)圖像的中央。作為所有 這些的結(jié)果，虛擬模型100的圖像可以呈現(xiàn)為固定在監(jiān)視器80上，而 點(diǎn)102 (之前選擇的)呈現(xiàn)為就像固定在探針72的端部處一樣。即使 當(dāng)四處移動(dòng)真實(shí)相機(jī)72并且不同真實(shí)圖像在整個(gè)監(jiān)視器80上經(jīng)過也 保持這樣的情況。因此，就像虛擬對(duì)象被附著到真實(shí)探針的尖端上一樣，并且其相 對(duì)姿態(tài)被固定。當(dāng)用戶將探針尖端放在樞轉(zhuǎn)點(diǎn)上并且樞轉(zhuǎn)該探針時(shí)， 可以例如將虛擬對(duì)象與真實(shí)對(duì)象對(duì)準(zhǔn)。圖5示出顯示在監(jiān)視器80上并且定位成使得選擇點(diǎn)102在探針 72的尖端處的虛擬模型100，其中，虛擬模型100的視圖使用規(guī)劃階 段計(jì)算機(jī)40預(yù)先選擇，如前所述。在圖5示出的布置中，相機(jī)探針70 與病人(真實(shí))頭部相距一些距離。結(jié)果，監(jiān)視器上的頭部10的真實(shí) 圖像被示出為相距該距離處(示出在圖5中的監(jiān)視器80的右上角處)。在圖5中可看到(在圖的更右處)跟蹤設(shè)備90 (注意，在圖5中 其被錯(cuò)誤標(biāo)記為"80")。在手術(shù)室設(shè)備50的操作期間，導(dǎo)航軟件可 以從跟蹤設(shè)備90接收相機(jī)探針位置數(shù)據(jù)，該相機(jī)探針位置數(shù)據(jù)表示在 真實(shí)坐標(biāo)系11中的相機(jī)探針70的位置和朝向。注意，規(guī)劃計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的分開僅僅是示例性的，而且是 任意的。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可以使用在給出環(huán)境中期望的集 成或分布式設(shè)備、硬件和軟件，以任何便利的方式來實(shí)現(xiàn)這些功能 獲得掃描數(shù)據(jù)；產(chǎn)生虛擬模型；以及使用關(guān)于相機(jī)探針的跟蹤系統(tǒng)數(shù) 據(jù)來顯示對(duì)象的虛擬模型和真實(shí)對(duì)象的組合圖像。這里給出的描述是 很多可能實(shí)現(xiàn)中的一種。為了起動(dòng)可以將頭部的虛擬模型100的位置大致映射到真實(shí)坐標(biāo) 系11中的病人真實(shí)頭部10的位置的初始配準(zhǔn)過程，用戶可以例如朝著病人真實(shí)頭部10移動(dòng)相機(jī)探針70。當(dāng)包括真實(shí)相機(jī)72 (以及探針 元件74)的相機(jī)探針70接近病人真實(shí)頭部10時(shí)，在監(jiān)視器上的頭部 10的真實(shí)圖像擴(kuò)大。然后，用戶可以例如向著病人頭部移動(dòng)相機(jī)探針 70，從而使得探針74的尖端接觸對(duì)應(yīng)于早期在虛擬模型的表面上所選 擇點(diǎn)102的頭部10上的點(diǎn)。如之前所述，方便的點(diǎn)可以是病人的鼻部 尖端。監(jiān)視器80可以例如示出頭部10的真實(shí)圖像，定位該頭部10使得 鼻部尖端處于探針74的尖端處。這種布置在圖6中示意性地示出并且 在圖12中的模擬真實(shí)實(shí)現(xiàn)中示出，圖12中的模擬真實(shí)實(shí)現(xiàn)示出由+圖 標(biāo)所示的仿真頭部的虛擬圖像的鼻梁上選擇的點(diǎn)。因?yàn)樘摂M模型100 的圖像在顯示中沒有從其靜態(tài)位置發(fā)生移動(dòng)，因此，在虛擬模型100 上的鼻部尖端可以呈現(xiàn)為與在頭部10的真實(shí)圖像上的鼻部尖端重合。 然而，如圖6所示，虛擬模型100的剩余部分則可能不與真實(shí)圖像的 剩余部分重合，而僅僅在點(diǎn)102處重合。如上所述，這種重合的缺失 被稱為覆蓋誤差。相似情況在圖14中示出，其中，虛擬圖像(示出在 圖14的垂直方向上的中央處)與真實(shí)圖像(從虛擬圖像向右傾斜大約 45° )在鼻梁上的選擇點(diǎn)(在圖12中由"+ "符號(hào)示出)處重合，但 是其他部分就不重合。再次參考圖6，為了將頭部的真實(shí)圖像的剩余部分與虛擬模型100 的圖像對(duì)準(zhǔn)，用戶可以例如在將探針尖端保持在病人鼻部尖端上的同 時(shí)四處移動(dòng)相機(jī)。例如通過查看監(jiān)視器80，用戶可以接收視覺反饋諸 如他是否已經(jīng)將真實(shí)圖像IO與虛擬圖像100對(duì)準(zhǔn)。 一旦他成功獲得了 他能夠獲得的最接近對(duì)準(zhǔn)，諸如在圖7 (以及相似地在圖15中)中所 示的對(duì)準(zhǔn)，其中，真實(shí)圖像和虛擬圖像大致對(duì)準(zhǔn)，用戶例如可以踩下 腳開關(guān)65對(duì)導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60發(fā)出信令。由此，腳開關(guān)65可以例如發(fā) 送信號(hào)到導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60，該信號(hào)可以由導(dǎo)航軟件得到來表示真實(shí)圖像10大致與虛擬圖像100配準(zhǔn)。在接收到該信號(hào)之后，導(dǎo)航軟件可以例如記錄在真實(shí)坐標(biāo)系11中的相機(jī)探針70的位置和定向。在該點(diǎn)，導(dǎo)航軟件知道a) 相機(jī)探針70的當(dāng)前位置導(dǎo)致監(jiān)視器上頭部10的真實(shí)圖像與虛擬圖像100重合；以及b) 這種布置使得虛擬相機(jī)在監(jiān)視器上顯示對(duì)象的虛擬圖像，并使 得當(dāng)虛擬模型和真實(shí)對(duì)象的每一個(gè)都與其相應(yīng)相機(jī)相距相同距離時(shí)， 在監(jiān)視器上呈現(xiàn)的虛擬圖像與由真實(shí)相機(jī)捕捉的對(duì)象的真實(shí)圖像尺寸相同；由此可以推斷出，病人頭部10 —定按與該頭部10的虛擬圖像 100定位在虛擬相機(jī)前面的相同方式被定位在真實(shí)相機(jī)72前面。此外，因?yàn)閷?dǎo)航軟件還知道相對(duì)于虛擬相機(jī)的虛擬模型的位置和 朝向，所以它可以確定相對(duì)于真實(shí)相機(jī)72的病人頭部10的位置和朝 向；以及因?yàn)閷?dǎo)航軟件還知道在真實(shí)坐標(biāo)系中的相機(jī)探針70并由此知 道真實(shí)相機(jī)72的位置和朝向，它可以計(jì)算在該真實(shí)坐標(biāo)系中的病人頭 部10的位置和朝向。在計(jì)算出真實(shí)坐標(biāo)系中的頭部10的位置和朝向之后，導(dǎo)航軟件然 后可以將虛擬坐標(biāo)系中的虛擬圖像100的位置映射到真實(shí)坐標(biāo)系中的 病人頭部10的位置。該導(dǎo)航軟件可以例如導(dǎo)致導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)來執(zhí)行所 需計(jì)算來生成在這兩個(gè)位置之間的映射的數(shù)學(xué)變換。然后，可以應(yīng)用 該變換來定位虛擬坐標(biāo)系中的病人頭部，從而使得該病人頭部與虛擬 坐標(biāo)系中的頭部的虛擬模型大致對(duì)準(zhǔn)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，該變換可以表達(dá)為諸如以下的乘變換， p. = M. . P ,其中，M,a可以由初始配準(zhǔn)變換計(jì)算得到，P,。是在初始配準(zhǔn)后的 姿態(tài)，而P。。則是虛擬模型的原始姿態(tài)。例如，假設(shè)在初始配準(zhǔn)過程之前，虛擬模型的位置為(1.95，7.81， 0.00)，以及其朝向矩陣為[l，O，O,O,l,O,O,O，l]。進(jìn)一步假定在初始 配準(zhǔn)過程之后，該位置被改變?yōu)?192.12， -226.50， -1703.05)，并且 虛擬模型的朝向矩陣被改變?yōu)閇-0.983144, -0.1742， 0.0555179， -0.178227, 0.845406， -0.50351， 0.0407763， -0.504918， -0.862204]，然后，在該實(shí)例中，得出用于變換矩陣M,。的值為 [-0.983144, -0.1742， 0.0555179, 190.17,-0.178227, 0.845406， -0.50351， -234.31，0.0407763, -0.504918， -0.862204,-1703.05， 0， 0， 0， l]。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，因此，矩陣M,?？梢愿鶕?jù)下述內(nèi)容來 計(jì)算(1)虛擬相機(jī)對(duì)著虛擬模型的預(yù)定初始朝向；(2)在虛擬模 型中的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置；(3)由跟蹤數(shù)據(jù)得知的探針的尖端的位置；以 及(4)由跟蹤數(shù)據(jù)得知的探針的朝向。另外，在精確配準(zhǔn)過程之后， 矩陣M&可以例如被修改為由P》二NV . Pw獲得的變換矩陣M^，其中， M^是精確配準(zhǔn)變換，而P》是最終姿態(tài)。例如，M《的實(shí)際值可以是 [1， 0， 0, 1.19, 0， 1, 0, -3.30994, 0， 0， 1， -3.65991, 0, 0， 0， l]，其中，虛擬模型的最終位置是例如(193.31,-229.81,-1706.71)并 且其朝向例如是[-0.983144， -0.1742， 0.0555179， -0.178227， 0.845406， -0.50351， 0.0407763， -0.504918, -0.862204]。30在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，在初始配準(zhǔn)中的對(duì)象變換流例如可以 如下將對(duì)象從其初始姿態(tài)(例如以前根據(jù)規(guī)劃軟件預(yù)先保存的姿態(tài)， 如上參考圖4所述)配準(zhǔn)到初始配準(zhǔn)之后的姿態(tài)。這里應(yīng)注意，虛擬 模型的坐標(biāo)系與真實(shí)對(duì)象坐標(biāo)系重合(也就是它們共享相同的坐標(biāo) 系)，這可以例如通過在程序中將真實(shí)坐標(biāo)系的原點(diǎn)和軸(例如，在 上述情況下則為跟蹤系統(tǒng)的原點(diǎn))定義為與虛擬模型的原點(diǎn)和軸相同 來發(fā)生。在初始配準(zhǔn)期間，具有幾個(gè)中間變換步驟，諸如使虛擬模型上的 配準(zhǔn)點(diǎn)(例如圖4中的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)102)到達(dá)探針尖端(這在配準(zhǔn)起始時(shí)完 成)，以及當(dāng)由用戶移動(dòng)探針時(shí)，虛擬模型也不斷移動(dòng)，使得其相關(guān) 姿態(tài)相對(duì)于探針尖端被固定(這在配準(zhǔn)自身期間發(fā)生)，以及最后， 當(dāng)配準(zhǔn)完成時(shí)，探針尖端的最終位置確定虛擬模型的姿態(tài)(并且此時(shí)， 虛擬模型不再被附著到探針尖端而是處于其工作空間中的當(dāng)前位置 處)。概念化這些的替換方法是考慮虛擬坐標(biāo)系變得相對(duì)于真實(shí)坐標(biāo)系 固定，并且相對(duì)于真實(shí)坐標(biāo)系來定位和定向，從而使得虛擬模型100與頭部IO重合。在初始配準(zhǔn)之后，在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，然后，導(dǎo)航軟件可 以將虛擬相機(jī)從其在虛擬空間中預(yù)先固定的位置解除固定，并且將虛擬相機(jī)固定到真實(shí)相機(jī)72，以使得虛擬相機(jī)可以隨著真實(shí)相機(jī)72移動(dòng)， 從而隨著真實(shí)相機(jī)在整個(gè)真實(shí)空間移動(dòng)，虛擬相機(jī)在整個(gè)虛擬空間移 動(dòng)。以這種方式，從不同視點(diǎn)指向頭部10的真實(shí)相機(jī)72可以導(dǎo)致在 監(jiān)視器80上顯示不同的真實(shí)視圖，這些真實(shí)視圖的每個(gè)上面疊加有虛 擬模型的對(duì)應(yīng)視圖并且與這些對(duì)應(yīng)視圖基本配準(zhǔn)。迄今為止已經(jīng)描述了完成根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性初始配準(zhǔn)過 程。然而，該初始配準(zhǔn)過程不可能得到精確配準(zhǔn)。用戶頭部的任何輕微不穩(wěn)定可能導(dǎo)致頭部IO和虛擬模型100之間的有缺陷配準(zhǔn)。不精確配準(zhǔn)還可能因?yàn)樵趯⑻结?4的尖端放置在病人身上與如上所述使用規(guī) 劃站計(jì)算機(jī)所選擇的相同點(diǎn)所面臨的困難所導(dǎo)致。在本實(shí)例中，可能 難以定位表示鼻部尖端的單一明確點(diǎn)，或例如，如圖12所示的鼻梁。 因此，可能在初始配準(zhǔn)后，在頭部IO和虛擬模型100之間還有一些不 重合，并且由此可能具有由配準(zhǔn)誤差所導(dǎo)致的不滿意的覆蓋誤差量。 為了改進(jìn)配準(zhǔn)，在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，例如可以接著執(zhí)行精確配 準(zhǔn)的過程。通常，在初始配準(zhǔn)過程之后的不重合可以處于在一個(gè)軸或所有軸 上的+/- 5°到30°的范圍(角度不重合)，并且處于5到20mm的范 圍的位置不重合。精確配準(zhǔn)參考圖8，用戶可以通過向?qū)Ш杰浖甘疽饎?dòng)精確配準(zhǔn)而起動(dòng) 精確配準(zhǔn)。然后，他可以例如移動(dòng)相機(jī)探針70，使得探針74的尖端跟 蹤跨頭部10表面的路徑。這也在圖16中示出，其中，用戶獲得在真 實(shí)仿真頭部的表面上的一些點(diǎn)。如可以在圖16中見到的，配準(zhǔn)具有一 些誤差，從而，在圖的上部，真實(shí)仿真頭部延伸稍微超出仿真頭部的 虛擬圖像。這是由于現(xiàn)在使用從初始配準(zhǔn)過程獲得的數(shù)學(xué)變換的覆蓋 所導(dǎo)致，恰好已經(jīng)起動(dòng)了精確配準(zhǔn)，并且還沒有輸出變換。同時(shí)，導(dǎo) 航軟件可以例如從跟蹤設(shè)備90接收用于指示真實(shí)坐標(biāo)系中的相機(jī)探針 70的位置以及探針74的尖端的位置的數(shù)據(jù)。由該數(shù)據(jù)，并且通過使用在初始配準(zhǔn)過程結(jié)束時(shí)計(jì)算的數(shù)學(xué)變換， 計(jì)算機(jī)可以計(jì)算在虛擬坐標(biāo)系中的相機(jī)探針的位置并由此計(jì)算探針尖 端的位置。導(dǎo)航軟件可以例如被布置為周期性地記錄位置數(shù)據(jù)，該位 置數(shù)據(jù)表示在虛擬坐標(biāo)系中的頭部表面上的一系列真實(shí)點(diǎn)的每個(gè)的位 置。在記錄真實(shí)點(diǎn)之后，導(dǎo)航軟件可以將其顯示在監(jiān)視器80上，如圖 8所示(跨真實(shí)頭部10的表面的曲線中的多個(gè)點(diǎn))。這可以幫助確保用戶僅僅跨包括在虛擬模型中的病人部位來移動(dòng)探針74的尖端，并由 此具有這些病人部位的虛擬模型數(shù)據(jù)。在掃描區(qū)域外部移動(dòng)探針74的 尖端可能降低配準(zhǔn)精度，因?yàn)檫@將導(dǎo)致記錄那些不具有構(gòu)成虛擬模型 表面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的真實(shí)點(diǎn)，從而顯著減少了可用于進(jìn)一步處理的獲取點(diǎn)， 或者如下所述，導(dǎo)致系統(tǒng)搜索完全不存在的對(duì)應(yīng)虛擬點(diǎn)。如可以在圖8中見到的，例如可以在病人身體的掃描部位(在這 個(gè)實(shí)例中為頭部10)的表面上方均勻地跟蹤探針74的尖端。跟蹤可以 持續(xù)，直到導(dǎo)航軟件已經(jīng)收集到足夠多真實(shí)點(diǎn)的充足數(shù)據(jù)。在本發(fā)明 示例性實(shí)施例中，該軟件可以例如收集750個(gè)真實(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在已經(jīng) 收集到第750個(gè)真實(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后，導(dǎo)航軟件可以例如通過引起導(dǎo)航 站計(jì)算機(jī)發(fā)出聲音或觸發(fā)一些其他指示器來通知用戶，并停止記錄真實(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。應(yīng)該理解，導(dǎo)航軟件現(xiàn)在可以使用表示位于虛擬坐標(biāo)系中的750 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(使用從初始配準(zhǔn)獲得的數(shù)學(xué)變換來將真實(shí)點(diǎn)變換為在虛 擬坐標(biāo)系中的點(diǎn))，從而使得這些點(diǎn)精確地位于頭部IO的表面上。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，然后，導(dǎo)航軟件可以存取構(gòu)成虛擬模 型的虛擬模型數(shù)據(jù)。該軟件例如可以把表示病人頭部表面的數(shù)據(jù)與其 余數(shù)據(jù)隔離開。根據(jù)隔離的數(shù)據(jù)，可以提取病人頭部IO的皮膚表面的 濁點(diǎn)表示。這里，術(shù)語"濁點(diǎn)(cloudpoint)"表示定義虛擬模型的幾 何形狀的一組密集3-D點(diǎn)。在該實(shí)例中，它們是在虛擬模型的表面(或 皮膚)上的點(diǎn)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，接著，導(dǎo)航軟件可以引起導(dǎo)航站計(jì)算 機(jī)起動(dòng)最近點(diǎn)(ICP)測量的迭代過程。在該過程中，計(jì)算機(jī)可以為每 個(gè)真實(shí)點(diǎn)找到構(gòu)成濁點(diǎn)表示的點(diǎn)的最近點(diǎn)。這例如可以通過如下來完成構(gòu)建濁點(diǎn)的k-d樹("k-d樹"是用于在k維空間中組織點(diǎn)的空間分割數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在所述實(shí)例中1^3);接 著計(jì)算在樹的適當(dāng)結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)的距離(例如平方距離)；并且僅僅保 留距離的最小值(最近點(diǎn))。在文獻(xiàn)Bentley， J丄.，Multidimensional binary search trees used for associative searching, Commun. ACM 18, 9 ( 1975年 9月)，pp.509-517中詳細(xì)描述了 k-d樹。一旦已經(jīng)為每個(gè)真實(shí)點(diǎn)建立了一個(gè)對(duì)(pair)，在本發(fā)明示例性實(shí) 施例，計(jì)算機(jī)可以計(jì)算變換，該變換把濁點(diǎn)表示的成對(duì)點(diǎn)的每個(gè)盡可 能接近地移到相應(yīng)對(duì)中的相關(guān)聯(lián)真實(shí)點(diǎn)。然后，計(jì)算機(jī)可以例如施加該變換，將虛擬模型移動(dòng)到與虛擬坐 標(biāo)系中的真實(shí)頭部更接近的配準(zhǔn)。然后，該計(jì)算機(jī)可以重復(fù)將每個(gè)真 實(shí)點(diǎn)與濁點(diǎn)表示中的最近點(diǎn)逐對(duì)分開的操作，找到新的變換，然后施 加該新的變換。例如可以執(zhí)行后續(xù)的迭代直到虛擬模型100的位置穩(wěn) 定在最終位置。例如，如果數(shù)學(xué)變換M^收斂到某個(gè)值(收斂被定義為 邊緣變化小于某個(gè)比率)，或者例如使用另一指標(biāo)，諸如在輸入和模 型之間的濁點(diǎn)對(duì)的平方距離的RMS值也就是RMS誤差值小于定義的 值，則判定虛擬模型100的位置穩(wěn)定在最終位置。該情況在圖9以及 類似地在圖17中示出。然后，該軟件可以將虛擬模型IOO固定在該最 終位置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，可使用圖18所述的過程流來實(shí)現(xiàn)迭代 最近點(diǎn)(ICP)測量的過程。參考圖18，在1810，對(duì)于真實(shí)數(shù)據(jù)中的 每個(gè)點(diǎn)，可以找到模型(虛擬)數(shù)據(jù)中的最近點(diǎn)。在1820，例如，可 以計(jì)算變換，該變換把濁點(diǎn)表示的每個(gè)點(diǎn)盡可能接近地移到與在其相 應(yīng)對(duì)中與其相關(guān)聯(lián)的真實(shí)點(diǎn)。然后，例如，在1830，計(jì)算機(jī)可以施加1820中的變換，將虛擬模型移動(dòng)到與虛擬坐標(biāo)系中的真實(shí)對(duì)象更接近 的配準(zhǔn)，并且然后可以計(jì)算在真實(shí)點(diǎn)與新位置處的濁點(diǎn)表示中的所述 每個(gè)真實(shí)點(diǎn)的新最近點(diǎn)之間的接近度指標(biāo)(closeness metric)。在1840， 例如，使用該指標(biāo)，可以判定是否滿足終止條件。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，該終止條件可以是達(dá)到或低于某個(gè)最大容許RMS誤差，或者 例如該處理已經(jīng)達(dá)到了某個(gè)限定的迭代次數(shù)。在1850，例如，如果已 經(jīng)滿足了終止條件，則可以結(jié)束過程流。如果在1840沒有滿足終止條 件，則過程流返回到1810并且可以執(zhí)行進(jìn)一步的迭代。因此，在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，上述的整個(gè)配準(zhǔn)過程可以使用 以下算法來執(zhí)行1) 相對(duì)于模型調(diào)節(jié)相機(jī)的視點(diǎn)；2) 識(shí)別在模型中的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)；3) (用戶開始進(jìn)行配準(zhǔn))利用如(1)所計(jì)算的姿態(tài)顯示探針尖 端上的模型(該對(duì)象的姿態(tài)相對(duì)于探針尖端現(xiàn)在固定)；4) 基于所計(jì)算的跟蹤信息，根據(jù)探針的姿態(tài)來更新模型的姿態(tài)；5) (用戶停止配準(zhǔn))按探針尖端的最終姿態(tài)來配準(zhǔn)模型。已經(jīng)完 成初始配準(zhǔn)；以及6) 繼續(xù)進(jìn)行精確配準(zhǔn)。注意，在精確配準(zhǔn)過程中的迭代步驟期間，比起計(jì)算虛擬模型的 點(diǎn)對(duì)(在上述頭部實(shí)例中大約有IOOOOO個(gè)點(diǎn))，可以更快地計(jì)算真實(shí) 點(diǎn)數(shù)據(jù)與虛擬模型的精確配準(zhǔn)(也就是更快地計(jì)算真實(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì) (例如750個(gè)))。因此，在迭代的精確步驟期間，可以首先計(jì)算將 真實(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到虛擬模型的變換。使虛擬模型數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到真實(shí)點(diǎn)數(shù) 據(jù)、即真實(shí)對(duì)象的最終變換(在迭代的精確步驟之前或正好在初始配 準(zhǔn)步驟之后的姿態(tài))，僅僅是在精確步驟之前的真實(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到精 確步驟之后的真實(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)的逆變換。雖然虛擬模型100的最終位置可 能不與病人的頭部IO準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，但它很可能是較之初始配準(zhǔn)之后的更 接近的配準(zhǔn)，因此是充分配準(zhǔn)的，可在例如其中需要基于圖像的引導(dǎo) 或?qū)Ш降耐饪剖中g(shù)或其他應(yīng)用期間作為輔助。整個(gè)過程流圖10示出在根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例中的用于配準(zhǔn)和導(dǎo)航的示例性過程流。應(yīng)該理解，該過程流在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等至少具有計(jì)算機(jī)、 跟蹤系統(tǒng)以及諸如視頻相機(jī)的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的系統(tǒng)中發(fā)生。參考圖IO，在1020，可以使用諸如這里描述的多種方法如上所述 執(zhí)行初始配準(zhǔn)。在1010,例如，為了執(zhí)行精確配準(zhǔn)，如上所述，可以收集真實(shí)數(shù)據(jù)，諸如在對(duì)象表面上的750個(gè)點(diǎn)，并且將它們的位置輸 入到計(jì)算機(jī)。使用所收集的真實(shí)數(shù)據(jù)，并且在1015獲取虛擬數(shù)據(jù)，該 虛擬數(shù)據(jù)表示真實(shí)對(duì)象的虛擬模型，在1030，例如，如上所述可以執(zhí) 行精確配準(zhǔn)過程。 一旦已經(jīng)發(fā)生精確配準(zhǔn)過程，在1040，例如，用戶 可以確認(rèn)該精確配準(zhǔn)是令人滿意的。這可以例如通過從多個(gè)視點(diǎn)在視 覺上評(píng)估在真實(shí)圖像(例如由視頻相機(jī))和虛擬圖像之間的覆蓋誤差 來完成。如果精確配準(zhǔn)令人滿意，則可以開始導(dǎo)航。圖10的示例性過程流例如可以經(jīng)由計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的一組指令來 實(shí)現(xiàn)。在這樣的實(shí)現(xiàn)中，用戶可以例如被提示執(zhí)行多種動(dòng)作來獲得輸 入，計(jì)算機(jī)需要這些輸入來執(zhí)行其處理。該示例性實(shí)現(xiàn)可以例如是與 諸如導(dǎo)航或手術(shù)導(dǎo)航軟件的其他軟件集成的軟件模塊，并且可以例如 與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)或例如在WO-A1-2005/000139中所述的手術(shù)導(dǎo) 航系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成在一起或加載在它們上面。此外，該示例性實(shí)現(xiàn)可 以例如是界面，用戶經(jīng)由該界面與示例性系統(tǒng)交互來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明 示例性實(shí)施例的多種配準(zhǔn)過程。下面將描述該示例性軟件實(shí)現(xiàn)。示例性實(shí)現(xiàn)圖19到23是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的示例性系統(tǒng)的屏幕截圖。它們 示出了生成圖11-17的圖像的系統(tǒng)的界面。如下面所述，該示例性界面 可以在根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的整個(gè)初始和精確配準(zhǔn)過程中引導(dǎo)用36戶。參考圖19A，屏幕提示用戶來加載包含例如用戶頭部的MRI掃描 的虛擬數(shù)據(jù)。參考圖19B，然后提示用戶來選擇基于視頻(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)協(xié) 助)或基于標(biāo)記(基準(zhǔn))的配準(zhǔn)。在圖19B中，可以看到，在圖19B 的左側(cè)處呈現(xiàn)的虛擬圖像和在圖19B的右上處呈現(xiàn)的真實(shí)仿真模型具 有附著在它們上面的基準(zhǔn)。然而，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例，可不需 要通過獲得這些基準(zhǔn)的位置來完成配準(zhǔn)，由此免除了這種麻煩的過程。 所示示例性軟件僅僅提供兩個(gè)選項(xiàng)。因此，圖19B的右下方的用戶將 點(diǎn)擊標(biāo)記"基于視頻"的圖標(biāo)來進(jìn)到下一個(gè)屏幕。完成這些，則可向 用戶例如呈現(xiàn)在圖20A中所示的屏幕(如可以在右下象限中看到的， 該系統(tǒng)正在執(zhí)行"基于視頻"的配準(zhǔn))。如可以在圖20A的右下象限 中看到的，具有初始配準(zhǔn)"ALIGN"選擇標(biāo)簽(tab)(其被高亮突出) 以及"REFINE"配準(zhǔn)選擇。圖20涉及如前所述的初始配準(zhǔn)，這在圖 20的所述實(shí)施例中被稱為"ALIGN"。因此，在圖20A中，提示用戶 將探針尖端放置在如圖20A的左(上)窗口中所示的病人(這里是仿 真頭部)的紅十字標(biāo)記("+ "圖標(biāo))上，然后按下起動(dòng)按鈕來執(zhí)行 初始配準(zhǔn)。該過程是如上所述的解剖標(biāo)記初始配準(zhǔn)過程。繼續(xù)參考圖 20B，提示用戶通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)相機(jī)探針直到虛擬圖像和真實(shí)圖像呈現(xiàn) 為配準(zhǔn)為止，從而將作為虛擬圖像的"皮膚數(shù)據(jù)"配準(zhǔn)到"視頻圖像"， 該"視頻圖像"是病人的真實(shí)仿真頭部的視頻圖像。應(yīng)該注意，圖20B 的右上象限示出與圖14所示相同的圖像，這是初始配準(zhǔn)過程開始時(shí)的 關(guān)于真實(shí)圖像的虛擬圖像的初始狀態(tài)。在已經(jīng)完成初始配準(zhǔn)之后，用戶可以按下在圖20B的右下象限中 的"OK"并且因此得到圖21A中所示的屏幕。在該過程這一點(diǎn)，圖21A 的右下象限不再高亮突出"ALIGN"選擇，而是突出"REFINE"選擇。 這表示了上述的精確配準(zhǔn)過程，該精確配準(zhǔn)過程需要利用探針來收集 許多真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)從而利用諸如ICP的過程來進(jìn)行進(jìn)一步處理。由此， 在圖21A中，如在右下象限中所示的，提示用戶將探針尖端放置在病 人皮膚(這里是仿真頭部的表面)上，并且按下"START"按鈕來開 始收集在仿真頭部的外表面上的點(diǎn)。如參考圖21B可以見到的(具體地，在該圖的右上象限中)，己經(jīng)使用探針收集了許多真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)， 并且屏幕截圖示出正在收集這些點(diǎn)的中間的情況，如由在圖21B的右 下象限的下部處的白色和綠色進(jìn)度條指示。參考圖22，在已經(jīng)收集了充足數(shù)量的點(diǎn)(其可以由示例性系統(tǒng)識(shí)別為等于某個(gè)定義的數(shù))之后，可以自動(dòng)開始基于表面的配準(zhǔn)算法，如在圖22的右下象限中所示的，其中，系統(tǒng)表示在"配準(zhǔn)過程中"。 如可以在圖22的右上象限中見到的，存在與初始配準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)的一些覆 蓋誤差。該覆蓋誤差依然與分別在圖21A和圖21B的右上象限中所示 的相同。一旦已經(jīng)完成了配準(zhǔn)算法，如上所述，包括需要很多迭代來滿足 終止條件，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好以用于諸如手術(shù)導(dǎo)航。該情況的 實(shí)例在圖23中示出，其中，在主視圖窗口中示出仿真頭部的真實(shí)圖像， 而仿真頭骨的內(nèi)容的虛擬現(xiàn)實(shí)圖像以多種顏色示出。根據(jù)圖22所示的 過程使用最終迭代將虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象示出在某個(gè)位置處。在圖23中，未 示出頭骨的外表面的虛擬圖像，而所示的虛擬圖像是內(nèi)部對(duì)象的虛擬 圖像(這里在圖23中分別示出為球體、圓柱體、立方體和錐體，如圖 所示始于仿真頭部的左部并進(jìn)行到該仿真頭部的中央)。替換的示例性實(shí)施例在本發(fā)明的示例性的替換實(shí)施例中，可以按上述方式來執(zhí)行初始 配準(zhǔn)，直到這樣的程度用戶踩下腳開關(guān)65指出相機(jī)探針70已經(jīng)被 定位在病人頭部上且定向?yàn)槭沟迷诒O(jiān)視器80上的真實(shí)圖像已經(jīng)變得與 監(jiān)視器上的虛擬模型100的圖像基本配準(zhǔn)(初始配準(zhǔn))(所有都參考 圖5)。在該替換實(shí)施例中，導(dǎo)航軟件可以例如對(duì)來自腳開關(guān)65的輸 入做出反應(yīng)，以凍結(jié)在監(jiān)視器80上的頭部10的真實(shí)圖像。該替換實(shí) 施例的導(dǎo)航軟件，與上述第一實(shí)施例相同，還可以檢測并記錄真實(shí)相 機(jī)72的位置。利用凍結(jié)的頭部10的真實(shí)圖像，然后可以放下真實(shí)相 機(jī)72。然后，用戶例如可以操作導(dǎo)航站計(jì)算機(jī)60來移動(dòng)虛擬相機(jī)相對(duì)于虛擬模型的位置，從而在監(jiān)視器80上示出的虛擬模型IOO的圖像被 從不同視點(diǎn)示出(該操作可以使用經(jīng)由諸如鼠標(biāo)或多種按鍵映射到導(dǎo) 航站計(jì)算機(jī)的界面的適當(dāng)命令來完成)?？梢酝瓿蛇@些，從而使得在監(jiān)視器80上所示的虛擬模型100的圖像變得與頭部10的凍結(jié)真實(shí)圖 像更接近配準(zhǔn)。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，該替換實(shí)施例可有這樣的 優(yōu)點(diǎn)可以獲得相對(duì)于虛擬模型的虛擬相機(jī)的非常精確的移動(dòng)，其中， 相對(duì)于頭部10的真實(shí)相機(jī)72的精確移動(dòng)可能是困難的。因此，在該 替換實(shí)施例中可以獲得比在上述示例性實(shí)施例中可能獲得的更準(zhǔn)確的 初始配準(zhǔn)。一旦已經(jīng)獲得令人滿意的配準(zhǔn)，則向?qū)Ш秸居?jì)算機(jī)提供指出已經(jīng) 獲得令人滿意的配準(zhǔn)的輸入，從而導(dǎo)航軟件則繼續(xù)按第一實(shí)施例的方 式來將虛擬模型的位置映射到頭部10的位置。在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，如果初始配準(zhǔn)(如通過在上文中描述 的第一實(shí)施例或替換實(shí)施例執(zhí)行的)得到在虛擬模型和真實(shí)圖像之間 的配準(zhǔn)的精度，該精度對(duì)于期望后續(xù)過程或應(yīng)用是滿意的，則可以省 略上述精確配準(zhǔn)的過程。如上面結(jié)合圖10解釋的，為了確定是否需要精確配準(zhǔn)，例如，可 以通過如下來評(píng)估在病人頭部IO周圍移動(dòng)真實(shí)相機(jī)來看看在虛擬模 型100和頭部10的真實(shí)圖像之間是否有明顯的未配準(zhǔn)?？梢栽O(shè)想，在W0-A1-02/100284和WO-A1-2005/000139中公開的 設(shè)備可以根據(jù)以上描述來修改以作為在上文中描述的設(shè)備并從而實(shí)施 本發(fā)明。因此，那兩個(gè)稍早公開的內(nèi)容被全部包括在這里。雖然已經(jīng) 參考本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，本發(fā)明不局限 于這些實(shí)施例，權(quán)利要求書意圖被解釋為不僅僅包含特定形式和所示 發(fā)明的變體，而是還包括在不偏離本發(fā)明真實(shí)范圍的情況下可以由本 領(lǐng)域技術(shù)人員想到的各種變體。
權(quán)利要求
1.一種用于將對(duì)象的模型大致映射到真實(shí)空間中的真實(shí)3-D坐標(biāo)系中的所述對(duì)象的位置的方法，該模型是定位在虛擬空間中的虛擬3-D坐標(biāo)系中的虛擬模型a)計(jì)算機(jī)處理裝置存取表示所述虛擬模型的信息；b)所述計(jì)算機(jī)處理裝置在視頻顯示裝置上顯示虛擬圖像，所述虛擬圖像是所述虛擬模型至少一部分的視圖，所述視圖就如同來自固定在所述虛擬坐標(biāo)系中的虛擬相機(jī)；以及還在所述顯示裝置上顯示在所述真實(shí)坐標(biāo)系中可移動(dòng)的真實(shí)視頻相機(jī)所捕捉的所述真實(shí)空間的真實(shí)視頻圖像；其中，在所述真實(shí)坐標(biāo)系中與所述相機(jī)相距某個(gè)距離的所述對(duì)象的所述真實(shí)視頻圖像在所述顯示裝置上被顯示為與所述虛擬模型的所述虛擬圖像在當(dāng)所述虛擬模型在所述虛擬坐標(biāo)系中與所述虛擬相機(jī)相距相同距離時(shí)的尺寸大致一樣；c)所述計(jì)算機(jī)處理裝置接收輸入。該輸入指示所述相機(jī)已經(jīng)在所述真實(shí)坐標(biāo)系中移動(dòng)到某個(gè)位置，在該位置所述顯示裝置示出在虛擬空間中的所述虛擬模型的所述虛擬圖像與在真實(shí)空間中的所述對(duì)象的所述真實(shí)視頻圖像大致重合；d)所述計(jì)算機(jī)處理裝置與檢測裝置通信，以檢測在所述真實(shí)坐標(biāo)系中所述相機(jī)的所述位置；e)所述計(jì)算機(jī)處理裝置存取模型位置信息，該模型位置信息指示在所述虛擬坐標(biāo)系中相對(duì)于所述虛擬相機(jī)的所述虛擬模型的位置；f)所述計(jì)算機(jī)處理裝置響應(yīng)所述輸入，以根據(jù)在步驟(d)中檢測的所述相機(jī)的所述檢測位置以及步驟(e)的所述模型位置信息來確定在所述真實(shí)坐標(biāo)系中的所述對(duì)象的位置；然后將在所述虛擬坐標(biāo)系中的所述虛擬模型的位置大致映射到在所述真實(shí)坐標(biāo)系中的所述對(duì)象的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，包括后續(xù)步驟應(yīng)用所述映射來 定位所述虛擬模型和所述對(duì)象的至少一個(gè)，從而使得它們?cè)谒鲎鴺?biāo)系之一中基本重合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述映射包括生成將 所述虛擬模型的位置映射到所述對(duì)象的位置的變換，并且所述方法包 括后續(xù)步驟應(yīng)用所述變換在所述虛擬坐標(biāo)系中定位所述對(duì)象以使其 在所述虛擬坐標(biāo)系中與所述虛擬模型大致重合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述映射包括生成將 所述虛擬模型的位置映射到所述對(duì)象的位置的變換，并且所述方法包 括后續(xù)步驟應(yīng)用所述變換在所述真實(shí)坐標(biāo)系中定位所述虛擬模型以 使其在所述真實(shí)坐標(biāo)系中與所述對(duì)象大致重合。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法，還包括步驟在所述虛擬坐標(biāo) 系中相對(duì)于所述虛擬相機(jī)定位所述虛擬模型以使其與所述虛擬相機(jī)相 距預(yù)定距離。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述定位所述虛擬模型的步驟還包括相對(duì)于所述虛擬相機(jī)定向所述虛擬模型的步驟。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述定位步驟包括選擇所述虛擬模型的優(yōu)選點(diǎn)并且相對(duì)于所述虛擬相機(jī)定位所述虛擬模 型，以使得所述優(yōu)選點(diǎn)與所述虛擬相機(jī)相距所述預(yù)定距離。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述優(yōu)選點(diǎn)與在所述對(duì)象的表面上的明確定義的點(diǎn)大致重合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6到8的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述定向 步驟包括定向所述虛擬模型從而使得所述優(yōu)選點(diǎn)可由所述虛擬相機(jī)沿 預(yù)定方向觀看。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7到9的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，用戶指 定所述虛擬模型的優(yōu)選點(diǎn)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5到IO的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，用戶指 定優(yōu)選方向，由所述虛擬相機(jī)沿所述優(yōu)選方向觀看所述優(yōu)選點(diǎn)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求5到11的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，自動(dòng)定 位所述虛擬模型和/或所述虛擬相機(jī)從而使得它們之間的距離為所述預(yù) 定距離。
13. 根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，包括后續(xù)步驟在所述 視頻顯示裝置上顯示由所述真實(shí)相機(jī)捕捉的所述真實(shí)空間的真實(shí)圖像 以及顯示就如同由所述虛擬相機(jī)捕捉的所述虛擬空間的虛擬圖像，所 述虛擬相機(jī)可以隨著所述真實(shí)相機(jī)在所述真實(shí)坐標(biāo)系中的移動(dòng)而在所 述虛擬空間中移動(dòng)，從而按照在所述真實(shí)坐標(biāo)系中相對(duì)于所述對(duì)象定 位所述真實(shí)相機(jī)的相同方式在所述虛擬坐標(biāo)系中相對(duì)于所述虛擬模型 來定位所述虛擬相機(jī)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括步驟所述計(jì)算機(jī)處理 裝置與所述檢測裝置通信，以檢測所述相機(jī)在所述真實(shí)坐標(biāo)系中的位 置；然后，所述計(jì)算機(jī)處理裝置由此確定所述真實(shí)相機(jī)相對(duì)于所述對(duì) 象的位置；以及所述計(jì)算機(jī)處理裝置在所述顯示裝置上顯示虛擬圖像， 就如同所述虛擬相機(jī)己經(jīng)在所述虛擬坐標(biāo)系中移動(dòng)以使其處于相對(duì)于 所述虛擬模型的相同位置。
15. —種映射設(shè)備，用于把對(duì)象的模型大致映射到真實(shí)空間中真 實(shí)3-D坐標(biāo)系中的所述對(duì)象的位置，所述模型是定位在虛擬空間中虛 擬3-D坐標(biāo)系中的虛擬模型；其中，所述設(shè)備包括計(jì)算機(jī)處理裝置、 視頻相機(jī)和視頻顯示裝置；布置所述設(shè)備使得可操作所述視頻顯示裝置來顯示由所述真實(shí)空間的相機(jī)捕捉的真實(shí)視頻圖像，所述相機(jī)可以在所述真實(shí)坐標(biāo)系中 移動(dòng)；以及可以操作所述計(jì)算機(jī)處理裝置用于在所述視頻顯示裝置上 還顯示虛擬圖像，所述虛擬圖像是所述虛擬模型的至少一部分的視圖， 所述視圖就如同來自固定在所述虛擬坐標(biāo)系中的虛擬相機(jī)，其中，所述設(shè)備還包括檢測裝置用于檢測在所述真實(shí)坐標(biāo)系中的 所述視頻相機(jī)的所述位置，并將指示該位置的相機(jī)位置信息傳送到所 述計(jì)算機(jī)處理裝置，以及配置所述計(jì)算機(jī)處理裝置用于存取指示在所述虛擬坐標(biāo)系中相對(duì)于所述虛擬相機(jī)的所述虛擬模型的位置的模型 位置信息，以及根據(jù)所述相機(jī)位置信息和所述模型位置信息來確定在 所述真實(shí)坐標(biāo)系中的所述對(duì)象的位置，以及其中，布置所述計(jì)算機(jī)處理裝置用于響應(yīng)輸入，該輸入指出所述 相機(jī)已經(jīng)在所述真實(shí)坐標(biāo)系中移動(dòng)到這樣的位置在所述位置，通過 把所述虛擬坐標(biāo)系中的所述虛擬對(duì)象的所述位置大致映射到在所述真 實(shí)坐標(biāo)系中的所述對(duì)象的位置，所述視頻顯示裝置示出虛擬空間中的 所述虛擬模型的所述虛擬圖像與真實(shí)空間中的所述對(duì)象的真實(shí)視頻圖 像大致重合。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述計(jì)算機(jī)處理裝置被 配置和編程為用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到14的任何一項(xiàng)所述的方法。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的設(shè)備，其中，所述相機(jī)具有可 被握持在用戶手中由此可以由所述用戶移動(dòng)的尺寸和重量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15至17的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述 真實(shí)相機(jī)固定有引導(dǎo)件并且被布置為用于當(dāng)真實(shí)相機(jī)被移動(dòng)到使得 所述引導(dǎo)件接觸所述對(duì)象的所述表面時(shí)，所述對(duì)象處于與所述真實(shí)相 機(jī)相距所述計(jì)算機(jī)處理裝置已知的預(yù)定距離處。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，所述引導(dǎo)件是在所述真 實(shí)相機(jī)前面突出的細(xì)長探針。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15至19的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述 真實(shí)相機(jī)的規(guī)格和布置使得在所述真實(shí)坐標(biāo)系中與所述相機(jī)相距一 定距離的所述對(duì)象的所述真實(shí)視頻圖像在所述顯示裝置上顯示為具有 與所述虛擬模型的所述虛擬圖像在當(dāng)所述模型在所述虛擬坐標(biāo)系中處 于與所述虛擬相機(jī)相距相同的距離時(shí)的大致相同的尺寸。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15至20的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，對(duì)所 述計(jì)算機(jī)處理裝置編程使得所述虛擬相機(jī)具有與所述真實(shí)相機(jī)相同的光學(xué)特性，從而在所述真實(shí)坐標(biāo)系中與所述相機(jī)相距一定距離的所述 對(duì)象的所述真實(shí)視頻圖像在所述顯示裝置上顯示為具有與所述虛擬模 型的所述虛擬圖像在當(dāng)所述模型在所述虛擬坐標(biāo)系中處于與所述虛擬 相機(jī)相距相同的距離時(shí)的大致相同的尺寸。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15至21的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，還包括輸入 裝置，用戶可以操作所述輸入裝置來提供輸入，該輸入指示所述相機(jī) 已經(jīng)處于這樣的位置在該位置，所述視頻顯示裝置示出所述虛擬模 型的所述虛擬圖像與所述對(duì)象的所述真實(shí)圖像大致重合。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述輸入裝置包括可以 放置在地面上并且由所述用戶的腳操作的用戶操作開關(guān)。
24. —種用于在坐標(biāo)系中把對(duì)象模型與對(duì)象精密對(duì)準(zhǔn)的方法，所 述模型是定位在空間中的3-D坐標(biāo)系的虛擬模型，所述虛擬模型和所 述對(duì)象已經(jīng)被大致對(duì)準(zhǔn)，所述方法包括步驟a) 計(jì)算機(jī)處理裝置接收輸入，該輸入指示應(yīng)該開始真實(shí)數(shù)據(jù)收集 過程；b) 所述計(jì)算機(jī)處理裝置與檢測裝置通信，以確定在所述坐標(biāo)系中 的探針的位置，并由此確定當(dāng)所述探針接觸表面時(shí)所述對(duì)象的所述表 面上的點(diǎn)的位置；C)所述計(jì)算機(jī)處理裝置響應(yīng)所述輸入用于自動(dòng)地并且按間隔記錄 相應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)，所述真實(shí)數(shù)據(jù)指示在所述坐標(biāo)系中的所述探針的多個(gè) 位置的每一個(gè)，并由此指示當(dāng)所述探針與所述表面接觸時(shí)在所述對(duì)象 的所述表面上的多個(gè)點(diǎn)的每一個(gè)；d) 所述計(jì)算機(jī)處理裝置計(jì)算變換，所述變換將所述虛擬模型大致 映射到所述真實(shí)數(shù)據(jù)；e) 所述計(jì)算機(jī)處理裝置應(yīng)用所述變換用于在所述坐標(biāo)系中把所述 虛擬模型與所述對(duì)象精密對(duì)準(zhǔn)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，在步驟(c)，所述方法 記錄指示所述探針的每個(gè)位置的相應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23或權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述計(jì) 算機(jī)處理裝置自動(dòng)記錄所述相應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)，使得按周期性間隔記錄所 述探針的所述位置。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24至26的任何一項(xiàng)所述的方法，還包括步驟 所述計(jì)算機(jī)處理裝置在視頻顯示裝置上顯示要對(duì)其記錄真實(shí)數(shù)據(jù)的所 述探針的各位置中的一個(gè)、多個(gè)或全部。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括在所述視頻顯示裝置上 顯示所述探針的所述位置連同所述虛擬模型的所述虛擬圖像，以顯示 它們?cè)谒鲎鴺?biāo)系中的相對(duì)位置。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的方法，其中，實(shí)時(shí)顯示所述探 針的每個(gè)位置。
30. 被布置且編程為用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到14的任何一項(xiàng)所 述的方法和/或根據(jù)權(quán)利要求24到29的任何一項(xiàng)所述的方法的計(jì)算機(jī) 處理裝置。
31. 計(jì)算機(jī)程序，包括代碼部分，所述代碼部分可由計(jì)算機(jī)處理 裝置執(zhí)行以導(dǎo)致這些裝置執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到14的任何一項(xiàng)所述的 方法和/或根據(jù)權(quán)利要求24到29的任何一項(xiàng)所述的方法。
32. 記錄載體，其中包括具有代碼部分的計(jì)算機(jī)程序的記錄，所 述代碼部分可以由計(jì)算機(jī)處理裝置執(zhí)行以導(dǎo)致那些裝置來執(zhí)行根據(jù)權(quán) 利要求1到14的任何一項(xiàng)所述的方法和/或根據(jù)權(quán)利要求24到29的任 何一項(xiàng)所述的方法。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的記錄載體，其中，所述記錄載體是計(jì) 算機(jī)可讀記錄產(chǎn)品。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的記錄載體，其中，所述記錄載體是經(jīng) 由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)。
全文摘要
用于把根據(jù)病人的某部位(10)的掃描圖像形成的虛擬模型(100)映射到病人的該部位10的方法和設(shè)備。上面固定有探針(74)的相機(jī)(72)相對(duì)于病人的部位(10)進(jìn)行移動(dòng)，直到相機(jī)(72)所捕捉的該部位(10)的視頻圖像在視頻屏幕(80)上呈現(xiàn)為與在該屏幕(80)上固定示出的虛擬模型重合。檢測在真實(shí)坐標(biāo)系(11)中的相機(jī)(72)的位置。預(yù)先確定且已知相對(duì)于虛擬相機(jī)的虛擬模型(100)在虛擬坐標(biāo)系(110)中的位置，利用該位置概念性地捕捉在屏幕(80)上的虛擬模型(100)的視圖。由此，可以相對(duì)于病人部位(10)映射虛擬模型(100)的位置，并且生成變換以將病人部位(10)布置在虛擬坐標(biāo)系(110)中并使得與虛擬模型(100)近似重合。
文檔編號(hào)A61B19/00GK101262830SQ200680026561
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月20日
發(fā)明者庫蘇馬·阿古桑托, 朱傳貴 申請(qǐng)人:布拉科成像S.P.A.公司