本發(fā)明涉及光學跟蹤系統(tǒng)及光學跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法，更詳細而言，涉及一種用于跟蹤患者或手術(shù)工具的光學跟蹤系統(tǒng)及光學跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法。

背景技術(shù)：

最近，在治療患者的患處的手術(shù)中，利用已拍攝的影像的影像引導手術(shù)(image-guidedsurgery)被大量地應(yīng)用。特別是需要在避開患者身體內(nèi)的重要神經(jīng)和主要臟器的同時進行手術(shù)的情況下，要求以已拍攝的影像為基礎(chǔ)，進行具有高準確度的手術(shù)。

一般而言，已拍攝的影像包括借助于mri攝像、ct攝像等而獲得的三維影像，在開始手術(shù)時，需要使這種已拍攝的三維影像的坐標系和患者的坐標系相互一致的整合(registration)，在手術(shù)進行期間，需要實時掌握患者或手術(shù)工具移動導致的位置及姿勢變化。另外，當在手術(shù)期間，患者的姿勢變化時，需要對患者的坐標系進行重新整合(re-registration)，持續(xù)跟蹤患者或患處。

以往，為了這種整合及跟蹤，一直使用動態(tài)參照裝置(dynamicreferencebase，drb)。即，事先把所述動態(tài)參照裝置附著于患者后，拍攝諸如ct的三維影像，在開始手術(shù)時，把所述三維影像的坐標系和患者的坐標系相互整合后，在進行手術(shù)期間，以所述動態(tài)參照裝置為基礎(chǔ)，跟蹤手術(shù)工具，從而跟蹤針對于患者患處相對的手術(shù)工具的位置等。此時，為了整合，需要在所述動態(tài)參照裝置固定于患者的狀態(tài)下，事先拍攝三維影像，為了準確跟蹤，需要嚴格固定于患者。

為此，以往，例如采用在患者的骨骼部分作下標記(marker)后對其進行傳感并跟蹤的方法、對在患者牙齒上附著了標記的模板(template)進行咬模后對其進行傳感并跟蹤的方法等，或者采用生成人造結(jié)構(gòu)物來加工的stamp(surfacetemplate-assistedmarkerposition)的方法等。

但是，就如上所述的以往方法而言，存在標記附著困難、因在骨骼作下標記而發(fā)生的副作用、因牙齒咬模而可能發(fā)生的標記位置變化導致的準確性及可靠性減小、手術(shù)前需制作昂貴的stamp的麻煩和制作所需的大量時間和費用等各種問題。另外，就以往的方法而言，即使動態(tài)參照裝置嚴格固定于患者，在患者移動的情況下，所述動態(tài)參照裝置與患者患處之間的距離、姿勢等可能會變化，因而無法實現(xiàn)準確的跟蹤，也無法進行重新整合，存在無法使用的問題。因此，以往的方法是假定患者不動而進行手術(shù)，但實際上在手術(shù)中，患者往往移動，因而實際上在實現(xiàn)準確跟蹤方面存在困難。

因此，要求開發(fā)一種能夠在更短時間以更少費用獲得準確的整合結(jié)果的整合方法，要求開發(fā)一種在手術(shù)中，即使在患者移動或姿勢變化的情況下，跟蹤也比較準確而容易的跟蹤系統(tǒng)及跟蹤方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問題

因此，本發(fā)明要解決的課題是提供一種能夠在更短時間，以更少費用，準確而容易地跟蹤患者或手術(shù)工具，能夠提高患者和手術(shù)實施者的便利性的光學跟蹤系統(tǒng)。

本發(fā)明要解決的另一課題是提供一種能夠在更短時間，以更少費用，準確而容易地跟蹤患者或手術(shù)工具，能夠提高患者和手術(shù)實施者的便利性的光學跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法。

技術(shù)方案

本發(fā)明一個示例性實施例的光學跟蹤系統(tǒng)(opticaltrackingsystem)提供用于利用在對患者實施手術(shù)之前預先獲得并包括與所述患者的患處對應(yīng)的第一部位的三維影像，跟蹤患者或用于對所述患者實施手術(shù)的手術(shù)工具。所述光學跟蹤系統(tǒng)包括基準標記(marker)部、標簽標記部、形狀測量部、跟蹤傳感器部及處理部。所述基準標記部相對于所述患者的第一部位進行固定配置。所述標簽標記部以標簽形態(tài)，附著于針對所述第一部位而能夠剛性整合的位置的第二部位。所述形狀測量部針對所述第一部位及所述第二部位，測量三維形狀。所述跟蹤傳感器部傳感(sensing)所述基準標記部及所述形狀測量部，以便能夠分別跟蹤所述基準標記部及所述形狀測量部。所述處理部以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果及所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部、所述跟蹤傳感器部、所述形狀測量部及所述患者的第一部位之間的第一坐標變換關(guān)系，獲得所述基準標記部、所述跟蹤傳感器部、所述形狀測量部及所述患者的第二部位之間的第二坐標變換關(guān)系，從所述第一及第二坐標變換關(guān)系提取所述第一部位及所述第二部位之間的第三坐標變換關(guān)系，針對所述跟蹤傳感器部而跟蹤相對的所述第一部位。

作為一個實施例，所述處理部在所述形狀測量部配置于第一位置時，可以以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系，以所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者的第一部位與所述形狀測量部之間的坐標變換關(guān)系，從而獲得所述第一坐標變換關(guān)系。另外，所述處理部在所述形狀測量部配置在不同于所述第一位置的第二位置時，以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系，可以以所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者的第二部位與所述形狀測量部之間的坐標變換關(guān)系，從而獲得所述第二坐標變換關(guān)系。

例如，所述形狀測量部可以包括測量三維形狀的測量裝置及安裝于所述測量裝置的標記，所述跟蹤傳感器部可以傳感所述形狀測量部的標記，所述處理部可以獲得所述形狀測量部的標記與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部的所述測量裝置與所述標記之間的坐標變換關(guān)系。

例如，所述坐標變換關(guān)系可以以坐標變換矩陣表現(xiàn)，所述處理部可以根據(jù)下述數(shù)學式，定義所述第一坐標變換關(guān)系及所述第二坐標變換關(guān)系。

pr＝t1^-1t2t3t4

(pr為相對于所述基準標記部的所述患者的第一部位或第二部位的坐標變換矩陣，t1為相對于所述跟蹤傳感器部的所述基準標記部的坐標變換矩陣，t2為相對于所述跟蹤傳感器部的所述形狀測量部的標記的坐標變換矩陣，t3為相對于所述形狀測量部的標記的所述形狀測量部的測量裝置的坐標變換矩陣，t4為相對于所述形狀測量部的測量裝置的所述患者的第一部位或第二部位的坐標變換矩陣)

作為一個實施例，所述跟蹤傳感器部可以測量用于獲得相對于所述跟蹤傳感器部的所述基準標記部的坐標變換矩陣t1及相對于所述跟蹤傳感器部的所述形狀測量部的標記的坐標變換矩陣t2所需的信息，所述形狀測量部可以測量用于獲得相對于所述形狀測量部的測量裝置的所述患者的第一部位或第二部位的坐標變換矩陣t4所需的信息，所述處理部可以利用所述測量的信息，獲得所述坐標變換矩陣t1、t2、t4，從所述獲得的坐標變換矩陣t1、t2、t4，算出相對于所述形狀測量部的標記的所述形狀測量部的測量裝置的坐標變換矩陣t3及相對于所述基準標記部的所述患者的第一部位或第二部位的坐標變換矩陣pr。

例如，所述跟蹤傳感器部及所述形狀測量部的測量可以分別針對所述患者的第一部位及第二部位執(zhí)行2次以上。

當將相對于所述基準標記部的所述患者的第一部位的坐標變換矩陣定義為pr1、將相對于所述基準標記部的所述患者的第二部位的坐標變換矩陣定義為pr2時，所述第三坐標變換關(guān)系可以以根據(jù)下述數(shù)學式定義的坐標變換矩陣prx表現(xiàn)。

prx＝pr2^-1pr1

此時，所述處理部可以利用所述坐標變換矩陣prx，針對所述跟蹤傳感器部，相對地跟蹤所述第一部位。

所述處理部可以以所述形狀測量部測量的三維形狀為基礎(chǔ)，整合針對所述患者而在手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系及所述患者的第一部位的坐標系。另外，所述處理部可以以所述形狀測量部測量的所述患者的第二部位的三維形狀及所述第三坐標變換關(guān)系為基礎(chǔ)，重新整合針對所述患者而在手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系及所述患者的第一部位的坐標系。

所述光學跟蹤系統(tǒng)可以還包括手術(shù)工具，其包括標記，提供用于對所述患者實施手術(shù)。所述跟蹤傳感器部可以傳感所述手術(shù)工具的標記，以便跟蹤所述手術(shù)工具，所述處理部從所述跟蹤傳感器部跟蹤的所述手術(shù)工具的跟蹤結(jié)果及針對所述跟蹤傳感器部而相對跟蹤的所述患者的第一部位的跟蹤結(jié)果，針對所述患者的第一部位，相對地跟蹤所述手術(shù)工具。

例如，所述標簽標記部可以包括三維形態(tài)的標記，可以形成多個，分別附著于互不相同的部位。

所述處理部可以以所述三維影像的坐標系及所述患者的坐標系的整合結(jié)果為基礎(chǔ)，整合在對所述患者實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系及針對所述患者而相對地定義的所述手術(shù)工具的坐標系。

本發(fā)明示例性的一個實施例的光學跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法包括：在對患者實施手術(shù)之前，獲得包括與所述患者的患處對應(yīng)的第一部位的三維影像的步驟；借助于跟蹤傳感器部，傳感相對于所述患者的第一部位固定配置的基準標記部及配置于第一位置以便針對所述第一部位而測量三維形狀的形狀測量部的步驟；以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果及配置于所述第一位置的所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部、所述跟蹤傳感器部、所述形狀測量部及所述患者的第一部位之間的第一坐標變換關(guān)系的步驟；借助于跟蹤傳感器部，傳感以標簽形態(tài)附著于針對所述第一部位而能夠剛性整合的位置的第二部位的標簽標記部及配置于第二位置以便針對所述第二部位而測量三維形狀的形狀測量部的步驟；以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果及配置于所述第二位置的所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部、所述跟蹤傳感器部、所述形狀測量部及所述患者的第二部位之間的第二坐標變換關(guān)系的步驟；及從所述第一及第二坐標變換關(guān)系，提取所述第一部位及所述第二部位之間的第三坐標變換關(guān)系，針對所述跟蹤傳感器部，跟蹤相對的所述第一部位的步驟。

作為一個實施例，所述獲得第一坐標變換關(guān)系的步驟可以包括：以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系，以所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者的第一部位與所述形狀測量部之間的坐標變換關(guān)系，從而獲得所述第一坐標變換關(guān)系的步驟。另外，所述獲得第二坐標變換關(guān)系的步驟可以包括：以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系，以所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者的第二部位與所述形狀測量部之間的坐標變換關(guān)系，從而獲得所述第二坐標變換關(guān)系的步驟。

例如，所述光學跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法可以還包括：以所述形狀測量部測量的三維形狀為基礎(chǔ)，整合在針對所述患者實施手術(shù)之前獲得的三維影像的坐標系及所述患者的第一部位的坐標系的步驟。

所述光學跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法可以還包括：傳感所述手術(shù)工具的標記，以便跟蹤用于對所述患者實施手術(shù)的手術(shù)工具的步驟；及從所述跟蹤傳感器部跟蹤的所述手術(shù)工具的跟蹤結(jié)果及針對所述跟蹤傳感器部而相對地跟蹤的所述患者的第一部位的跟蹤結(jié)果，針對所述患者的第一部位，相對地跟蹤所述手術(shù)工具的步驟。

在針對所述患者的第一部位而相對地跟蹤所述手術(shù)工具的步驟之后，所述光學跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法可以還包括：以所述三維影像的坐標系及所述患者的第一部位的坐標系的整合結(jié)果為基礎(chǔ)，整合所述獲得的三維影像的坐標系及隨著所述手術(shù)工具的跟蹤而針對所述患者第一部位相對地定義的所述手術(shù)工具的坐標系。

本發(fā)明示例性的另一實施例的光學跟蹤系統(tǒng)提供用于利用在對患者實施手術(shù)之前預先獲得的、包括與所述患者的患處對應(yīng)的第一部位的三維影像，跟蹤患者或用于對所述患者實施手術(shù)的手術(shù)工具。所述光學跟蹤系統(tǒng)包括標簽標記部、形狀測量部、跟蹤傳感器部及處理部。所述標簽標記部以標簽形態(tài)附著于針對所述第一部位而能夠剛性整合的位置的第二部位。所述形狀測量部針對所述第一部位及所述第二部位，測量三維形狀。所述跟蹤傳感器部傳感所述標簽標記部及所述形狀測量部，以便能夠分別跟蹤所述標簽標記部及所述形狀測量部。所述處理部以所述跟蹤傳感器部傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述標簽標記部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部與所述跟蹤傳感器部之間的坐標變換關(guān)系，以所述形狀測量部測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者的第一部位與所述形狀測量部之間的坐標變換關(guān)系，從所述獲得的坐標變換關(guān)系，針對所述標簽標記部，定義相對的所述患者的坐標系。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，光學跟蹤系統(tǒng)在針對患處而能夠剛性整合的位置配備標簽標記部，形狀測量部針對所述患處和所述標簽標記部測量三維形狀，跟蹤傳感器部傳感所述形狀測量部和基準標記部，從它們之間的坐標變換關(guān)系，提取所述患處與所述標簽標記部之間的坐標變換關(guān)系，從而僅僅通過利用所述坐標變換關(guān)系使所述形狀測量部跟蹤所述標簽標記部的作業(yè)，便能夠跟蹤所述患處相對于所述跟蹤傳感器部的位置及姿勢等。

另外，所述形狀測量部測量所述標簽標記部的過程可以容易地重新執(zhí)行，因而即使在所述患者移動或姿勢變化的情況下，利用所述患處與所述標簽標記部之間的坐標變換關(guān)系，在實施手術(shù)時，可以容易地實時準確跟蹤所述患處及所述手術(shù)工具。

另外，在手術(shù)開始之后，所述形狀測量部無需測量所述患處，如果測量所述標簽標記部，便能夠跟蹤所述患處，因而在手術(shù)中，不需要為了測量所述患處而移動所述形狀測量部，在手術(shù)中，所述形狀測量部位于所述患處周圍，從而能夠防止對手術(shù)造成妨害的問題。進一步而言，所述標簽標記部附著的位置可以比較自由地選定，因而可以將手術(shù)中的所述形狀測量部的位置配置于不妨害手術(shù)的位置。另外，所述標簽標記部是標簽附著型，因而可以以不妨害手術(shù)的形態(tài)形成，既可以附著于不妨害手術(shù)的位置，又可以采用多個標簽標記部，不妨害手術(shù)地加以利用。

另外，在將所述標簽標記部制作成三維形態(tài)的情況下，通過追加特征點，可以更容易地進行整合，從所述跟蹤傳感器部直接跟蹤所述標簽標記部，從而也可以省略所述基準標記部。另外，當采用兩個以上的標簽標記部及與其對應(yīng)的兩個以上的形狀測量部時，可以利用所述標簽標記部之間的坐標變換關(guān)系進行角度測量，因而即使在諸如膝蓋手術(shù)的手術(shù)時，也可以借助于角度測量而實施手術(shù)。

另外，可以以實施手術(shù)時測量的所述患者的三維形狀本身為標記進行整合，因而即使不把動態(tài)參照裝置(drb)直接附著于患者，也可以相互整合在實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系、在實施手術(shù)時會實時移動的患者的坐標系及手術(shù)工具的坐標系。而且，即使在預先獲得所述三維影像時，也不需要附著所述動態(tài)參照裝置，可以隨時重新設(shè)置及重新整合坐標系。

因此，可以解決把標記直接附著于患者而引起的患者痛苦和誤差、應(yīng)在手術(shù)前制作stamp等作業(yè)的麻煩和所需時間及費用較多等以往技術(shù)的問題。

即，無需另外的準備過程，便可以在手術(shù)室內(nèi)迅速設(shè)置患者的坐標系并執(zhí)行影像整合，因而能夠以更短的時間及較少的費用，準確、容易地進行患者的坐標系及手術(shù)工具的坐標系設(shè)置及影像整合，利用標簽形態(tài)的標簽標記部，取代直接附著于患者的動態(tài)參照裝置(drb)，能夠減輕患者的痛苦及副作用。

因此，根據(jù)本發(fā)明的光學跟蹤裝置及利用其的跟蹤方法，能夠極大地提高患者及手術(shù)實施者雙方的便利性。

附圖說明

圖1是顯示本發(fā)明一個實施例的光學跟蹤系統(tǒng)的概念圖。

圖2至圖4是用于說明圖1的光學跟蹤系統(tǒng)的建模過程的概念圖。

圖5是用于說明圖1的光學跟蹤系統(tǒng)中手術(shù)工具的跟蹤及整合的概念圖。

圖6是顯示本發(fā)明一個實施例的光學跟蹤系統(tǒng)的坐標系整合方法及跟蹤方法的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明可以施加多樣的變更，可以具有多種形態(tài)，且在附圖中示例性圖示了特定實施例，在正文中進行了詳細的說明。但是，這并非要針對特定的公開形態(tài)限定本發(fā)明，應(yīng)理解為包括本發(fā)明的思想及技術(shù)范圍包含的所有變更、等同物以及替代物。

第一、第二等術(shù)語可以用于說明多樣的構(gòu)成要素，但所述構(gòu)成要素不得由所述術(shù)語所限定。所述術(shù)語只用于把一個構(gòu)成要素區(qū)別于其它構(gòu)成要素的目的。例如，在不超出本發(fā)明的權(quán)利范圍的同時，第一構(gòu)成要素可以命名為第二構(gòu)成要素，類似地，第二構(gòu)成要素也可以命名為第一構(gòu)成要素。

本申請中使用的術(shù)語只是為了說明特定實施例而使用的，并非意圖限定本發(fā)明。只要在文理上未明確表示不同，單數(shù)的表現(xiàn)包括復數(shù)的表現(xiàn)。在本申請中，“包括”或“具有”等術(shù)語應(yīng)理解為要指定說明書中記載的特征、數(shù)字、步驟、動作、構(gòu)成要素、部件或它們組合的存在，不預先排除一個或其以上的其它特征或數(shù)字、步驟、動作、構(gòu)成要素、部件或它們的組合的存在或附加可能性。

只要未不同地定義，包括技術(shù)性或科學性術(shù)語在內(nèi)，在此使用的所有術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員一般理解的內(nèi)容相同的意義。

與一般使用的詞典中定義的內(nèi)容相同的術(shù)語，應(yīng)解釋為具有與相關(guān)技術(shù)的文理上具有的意義一致的意義，只要在本申請中未明確定義，不得解釋為理想性的過度的形式上的意義。

下面參照附圖，更詳細地說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

圖1是顯示本發(fā)明一個實施例的光學跟蹤系統(tǒng)的概念圖。

如果參照圖1，本發(fā)明一個實施例的光學跟蹤系統(tǒng)(opticaltrackingsystem)提供用于利用在對患者10實施手術(shù)之前預先獲得的包括與所述患者10的患處對應(yīng)的第一部位12的三維影像，跟蹤患者10或用于對所述患者10實施手術(shù)的手術(shù)工具。

所述三維影像作為在對所述患者10實施手術(shù)之前預先獲得的影像，可以在所述患者10實施手術(shù)時用作基準影像。其中，所述實施手術(shù)包括包含手術(shù)在內(nèi)的對患者的全部醫(yī)療性治療行為。例如，所述三維影像可以包括為了診斷及治療而在醫(yī)院中一般獲得的ct(計算機斷層掃描，computedtomography)影像。不同于此，所述三維影像可以包括諸如mri(磁共振成象，magneticresonanceimaging)等的其它三維影像。另外，其中，所述三維影像作為還包括對諸如ct影像的直接拍攝影像進行操作或再構(gòu)成的影像的概念，是均包括實際實施手術(shù)時廣泛使用的多平面再構(gòu)成影像及三維再構(gòu)成影像的概念。

所述光學跟蹤系統(tǒng)100包括基準標記(marker)部110、形狀測量部120、跟蹤傳感器部130、處理部140及標簽標記部(stk)。所述光學跟蹤系統(tǒng)100提供用于利用在對患者10實施手術(shù)之前預先獲得并包括與所述患者10患處對應(yīng)的第一部位12的三維影像，跟蹤患者10或用于對所述患者10實施手術(shù)的手術(shù)工具。

所述基準標記部110相對于所述患者10的第一部位12進行固定配置。所述第一部位12作為與所述患者10的患處對應(yīng)的部位，是成為手術(shù)實施對象的部位。

在所述基準標記部110安裝有標記112，所述標記112能夠發(fā)生能量或信號，以便后述的跟蹤傳感器部130能夠傳感。例如，可以在所述基準標記部110安裝多個標記，也可以安裝形成了預定圖案的一個標記。

所述基準標記部110雖然與以往的動態(tài)參照裝置(drb)對應(yīng)，但所述基準標記部110不同于以往的動態(tài)參照裝置，并不成為整合的基準，因而當拍攝諸如ct、mri的所述三維影像時，不需要將其附著于所述患者10。另外，以往的動態(tài)參照裝置必須直接附著于所述患者10，需要針對所述患者10進行嚴格固定，相反，所述基準標記部110雖然也可以直接附著于所述患者10，但只需針對所述患者10而相對固定即可，因而可以附著于手術(shù)室的床等其它固定物體，不需要針對所述患者10進行嚴格固定。

所述標簽標記部(stk)以標簽形態(tài)附著于針對所述第一部位12而能夠剛性整合的位置的第二部位14。如果針對所述第一部位12而能夠剛性整合，則所述第二部位14在哪個位置形成均無妨。另外，所述所謂剛性整合，不需要是嚴密意義上的剛性整合，可以根據(jù)對所述患者10實施手術(shù)的精密性和準確性等而有融通性地解釋。

例如，所述標簽標記部(stk)可以包括三維形態(tài)的標記，也可以形成多個，分別附著于互不相同的部位。

所述形狀測量部120針對所述第一部位12及所述第二部位14，測量三維形狀。

作為一個實施例，所述形狀測量部120可以包括測量裝置122及標記124。

所述測量裝置122針對所述三維影像包含的所述患者10的第一部位12，測量三維形狀，針對存在于針對所述第一部位12而能夠剛性整合的位置的所述患者10的第二部位14，測量三維形狀。此時，所述形狀測量部120可以與所述第一部位12對應(yīng)地配置于第一位置，可以與所述第二部位14對應(yīng)地配置于第二位置。所述第一位置和所述第二位置分別對應(yīng)于所述第一部位12及所述第二部位14進行配置，因而可以優(yōu)選是互不相同的位置，但即使是相同的位置也無妨。

作為一個實施例，所述測量裝置122向所述患者10的所述第一部位12或所述第二部位14照射格子圖案光，獲得根據(jù)所述患者10的所述第一部位12或所述第二部位14的反射圖后，可以對所述獲得的反射圖應(yīng)用桶算法(bucketalgorithm)，測量三維形狀。另外，也可以從所述測量的三維形狀獲得三維影像。

作為另一實施例，所述測量裝置122也可以包括光學相干斷層成像(opticalcoherencetomography；oct)裝置。所述光學相干斷層成像裝置是組合光的干涉現(xiàn)象與共聚焦顯微鏡原理而能夠?qū)⑸矬w組織內(nèi)部的細微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三維影像化的具有高分辨率的影像診斷裝置，例如，使用近紅外線(波長0.6μm～1.3μm)區(qū)域的光源，以非接觸式及無創(chuàng)式，將生物體組織的斷層實現(xiàn)影像化的光學斷層成像裝置。具體而言，例如，所述光學相干斷層成像裝置可基于邁克爾遜(michelson)干涉儀進行運轉(zhuǎn)。即，從光源發(fā)生的光信號如果在光耦合器中分成兩個光信號并入射到基準端和樣本端，則從所述基準端返回的基準光與在所述樣本端向后方散射的樣本光再次相遇而引起光干涉，利用這種光干涉信號，可使拍攝對象的斷面影像化。

所述標記124安裝于所述測量裝置122。所述標記124可以發(fā)生能量或信號，以便后述的跟蹤傳感器部130能夠傳感。例如，在所述形狀測量部120可以安裝有多個標記，也可以安裝形成了預定圖案的一個標記。

所述跟蹤傳感器部130傳感(sensing)所述基準標記部110及所述形狀測量部120，以便能夠分別跟蹤所述基準標記部110及所述形狀測量部120。

例如，所述跟蹤傳感器部130可以傳感所述基準標記部110的標記112，可以傳感所述形狀測量部120的標記124。因此，可以獲知所述基準標記部110的位置和/或姿勢，可以獲知所述形狀測量部120的位置和/或姿勢。

所述處理部140例如可以包括計算機或計算機的中央處理裝置。

所述處理部140以所述跟蹤傳感器部130傳感的結(jié)果及所述形狀測量部120測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部110、所述跟蹤傳感器部130、所述形狀測量部120及所述患者的第一部位12之間的第一坐標變換關(guān)系，獲得所述基準標記部110、所述跟蹤傳感器部130、所述形狀測量部120及所述患者的第二部位14之間的第二坐標變換關(guān)系。所述處理部140從所述第一及第二坐標變換關(guān)系，提取所述第一部位12及所述第二部位14之間的第三坐標變換關(guān)系，針對所述跟蹤傳感器部130，跟蹤相對的所述第一部位12。

具體而言，所述處理部140在所述形狀測量部120配置于所述第一位置時，以所述跟蹤傳感器部130傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部110與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部120與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系。因此，所述處理部140以所述形狀測量部120測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者10的第一部位12與所述形狀測量部120之間的坐標變換關(guān)系?？梢詮娜绱双@得的所述坐標變換關(guān)系，獲得所述第一坐標變換關(guān)系。其中，所述坐標變換關(guān)系例如可以定義為矩陣形態(tài)。

另外，所述處理部140在所述形狀測量部120配置于所述第二位置時，以所述跟蹤傳感器部130傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部110與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部120與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系。因此，所述處理部140以所述形狀測量部120測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者10的第二部位14與所述形狀測量部120之間的坐標變換關(guān)系?？梢詮娜绱双@得的所述坐標變換關(guān)系，獲得所述第二坐標變換關(guān)系。其中，所述坐標變換關(guān)系例如可以定義為矩陣形態(tài)。

所述處理部140從獲得的所述第一及第二坐標變換關(guān)系，提取所述第一部位12及所述第二部位14之間的第三坐標變換關(guān)系，針對所述跟蹤傳感器部130，跟蹤相對的所述第一部位12。

另一方面，所述形狀測量部120的所述測量裝置122的測量位置和所述形狀測量部120的標記124的位置稍有差異，因而為了準確定義坐標系，也可以對所述測量裝置122與所述標記124之間的位置差異導致的誤差進行校準(calibration)。因此，所述處理部140可以獨立地獲得所述形狀測量部120的標記124與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部120的所述測量裝置122與所述標記124之間的坐標變換關(guān)系。例如，所述坐標變換關(guān)系可以表現(xiàn)為坐標變換矩陣。

下面以附圖為參照，更詳細地說明用于利用所述坐標變換關(guān)系跟蹤所述患者10的第一部位12的所述光學跟蹤系統(tǒng)100的建模設(shè)置及解決過程。

圖2至圖4是用于說明圖1的光學跟蹤系統(tǒng)的建模過程的概念圖。

如果參照圖2，所述光學跟蹤系統(tǒng)100可以分別用坐標變換矩陣t1、t2、t3、t4及pr代表所述坐標變換關(guān)系。

其中，pr意味著相對于所述基準標記部110的所述患者10的預定部位16的坐標變換矩陣，t1意味著相對于所述跟蹤傳感器部130的所述基準標記部110的坐標變換矩陣，t2意味著相對于所述跟蹤傳感器部130的所述形狀測量部120的標記124的坐標變換矩陣，t3意味著相對于所述形狀測量部120的標記124的測量裝置122的坐標變換矩陣，t4意味著相對于所述形狀測量部120的測量裝置122的所述患者10的預定部位16的坐標變換矩陣。其中，所述預定部位16意味著包括所述第一部位12及所述第二部位14的所述患者10的特定部位。

如果以圖2所示的箭頭方向為基礎(chǔ)形成閉環(huán)(closedloop)的方式，將相對于所述基準標記部110的所述患者10的預定部位16的坐標變換矩陣pr以t1、t2、t3及t4進行表示，則可以獲得數(shù)學式1。

(數(shù)學式1)

pr＝t1^-1t2t3t4

另一方面，從所述跟蹤傳感器部130至所述患者10，形成互不相同的兩條路徑且成為閉環(huán)，獲得數(shù)學式2后，即使對其進行變形，也可以獲得作為相同結(jié)果的數(shù)學式1。

(數(shù)學式2)

t1pr＝t2t3t4

所述處理部140根據(jù)數(shù)學式1(或數(shù)學式2)而獲得坐標變換矩陣pr，從而能夠針對所述基準標記部110，定義相對的所述患者10的預定部位16的坐標系。

例如，所述跟蹤傳感器部130可以測量獲得相對于所述跟蹤傳感器部130的所述基準標記部110的坐標變換矩陣t1及相對于所述跟蹤傳感器部130的所述形狀測量部120的標記124的坐標變換矩陣t2所需的信息，所述形狀測量部120可以測量用于獲得相對于所述形狀測量部120的測量裝置122的所述患者10的預定部位16的坐標變換矩陣t4所需的信息。所述處理部140可以利用所述測量的信息，獲得坐標變換矩陣t1、t2、t4，可以從所述獲得的坐標變換矩陣t1、t2、t4，算出相對于所述形狀測量部120的標記124的測量裝置122的坐標變換矩陣t3及相對于所述基準標記部110的所述患者10的預定部位16的坐標變換矩陣pr。

具體而言，所述坐標變換矩陣t3、pr可以應(yīng)用如下的數(shù)學方式而獲得，所述處理部140可以體現(xiàn)這種數(shù)學方式，算出所述坐標變換矩陣t3、pr。

首先，如果構(gòu)成所述坐標變換矩陣而使得包括旋轉(zhuǎn)變換部分r和位置變換部分t后，將其代入數(shù)學式2并整理，則可以獲得數(shù)學式3。

(數(shù)學式3)

如果整理數(shù)學式3，則可以獲得數(shù)學式4。

(數(shù)學式4)

如果把數(shù)學式4的各成分表現(xiàn)為等式，則可以獲得數(shù)學式5及數(shù)學式6。

(數(shù)學式5)

rt1rpr-rt2rt3rt4＝0

(數(shù)學式6)

rt1tpr+tt1-rt2rt3tt4-rt2tt3-tt2＝0

在數(shù)學式5中，如果定義rtt并整理數(shù)學式5，則可以獲得數(shù)學式7。

(數(shù)學式7)

另外，在數(shù)學式6中，如果追加定義ttt并整理數(shù)學式6，則可以獲得數(shù)學式8。

(數(shù)學式8)

在數(shù)學式7及數(shù)學式8中，旋轉(zhuǎn)變換矩陣r具有3×3形態(tài)，位置變換矩陣t具有3×1形態(tài)，因而可以從數(shù)學式7，獲得作為關(guān)于3×3矩陣的各成分的公式的9個方程式，可以從數(shù)學式8，獲得作為關(guān)于3×1矩陣的各成分的公式的3個方程式。

在數(shù)學式7中，可以從前面說明的測量獲知rtt的所有成分(即，rt1及rt2的所有成分)及rt4的所有成分，在數(shù)學式8中，在此基礎(chǔ)上，還可以獲知tt4的所有成分，因而未知數(shù)為rpr和rt3各自的9個成分與tpr和tt4各自的3個成分，共24個。

數(shù)學式7及數(shù)學式8是全部包括24個未知數(shù)的12個方程式，因而通過2次以上測量，可以求出更準確的解，因此，所述跟蹤傳感器部130及所述形狀測量部120的測量可以執(zhí)行2次以上。

因此，可以利用如上所述測量的坐標變換關(guān)系，定義所述患者10的預定部位16的坐標系。

為了獲得所述坐標變換矩陣t3、pr，所述數(shù)學方式也可以借助于其它方式替代。例如，所述處理部140可以應(yīng)用對偶四元數(shù)(dualquaternion)方式而算出所述坐標變換矩陣t3、pr。

具體而言，首先，可以從前面記述的數(shù)學式1獲得如下數(shù)學式9，可以變形數(shù)學式9而獲得如下數(shù)學式10。

(數(shù)學式9)

t1pr-t2t3t4＝0

(數(shù)學式10)

(t1+εt1′)(pr+εpr′)-(t2+εt2′)(t3+εt3′)(t4+εt4′)＝0

如果展開數(shù)學式10并去除高次項，則可以獲得數(shù)學式11。

(數(shù)學式11)

t1pr′+t1′pr-t2t3t4′-t2t3′t4-t2′t3t4＝0

如果分別應(yīng)用對偶四元數(shù)方式，變形數(shù)學式9和數(shù)學式11，則可以獲得如下數(shù)學式12和如下數(shù)學式13。

(數(shù)學式12)

(數(shù)學式13)

如果把數(shù)學式12及數(shù)學式13變形為矩陣方程式形態(tài)，則可以獲得如下數(shù)學式14，可以從數(shù)學式14算出所述坐標變換矩陣t3、pr。

(數(shù)學式14)

另一方面，所述處理部140可以以所述形狀測量部120測量的三維形狀為基礎(chǔ)，整合針對所述患者10而在實施手術(shù)之前獲得的三維影像的坐標系及所述患者10的第一部位12的坐標系。

具體而言，取代直接將標記或與標記相應(yīng)的結(jié)構(gòu)物附著于所述患者10并以此為基礎(chǔ)整合所述三維影像的坐標系和所述患者10的坐標系，而是以所述三維形狀自身為標志，整合如上所述獲得的三維形狀(或由此獲得的三維影像)的坐標系和所述三維影像的坐標系(naturallandmark)。當所述預定部位16為所述第一部位12時，所述三維形狀成為與所述患者10的患處對應(yīng)的三維形狀。

如果參照圖3，當所述預定部位16為所述第一部位12時，相對于所述基準標記部110的所述患者10的第一部位12的坐標變換矩陣可以用pr1代表。另外，當所述預定部位16為所述第二部位14時，相對于所述基準標記部110的所述患者10的第二部位14的坐標變換矩陣可以用pr2代表。

此時，所述數(shù)學式1在所述第一部位12時可以顯示為數(shù)學式15，而且，在所述第二部位14時可以顯示為數(shù)學式16，所述數(shù)學式2至所述數(shù)學式14中顯示的數(shù)學式可以根據(jù)所述數(shù)學式15及所述數(shù)學式16而修訂并表現(xiàn)。

(數(shù)學式15)

pr1＝t1^-1t2t3t4

(數(shù)學式16)

pr2＝t1^-1t2′t3′t4′

其中，pr1及pr2分別意味著相對于所述基準標記部110的所述患者10的第一部位12及第二部位14的坐標變換矩陣。另外，在所述形狀測量部120將與所述第一部位12及所述第二部位14對應(yīng)的位置分別稱為第一位置l1及第二位置l2時，t1意味著相對于所述跟蹤傳感器部130的所述基準標記部110的坐標變換矩陣，t2及t2'分別意味著在所述第一位置l1及所述第二位置l2中的相對于所述跟蹤傳感器部130的所述形狀測量部120的標記124的坐標變換矩陣，t3及t3'分別意味著在所述第一位置l1及所述第二位置l2中的相對于所述形狀測量部120的標記124的測量裝置122的坐標變換矩陣，t4及t4'分別意味著在所述第一位置l1及所述第二位置l2中的相對于所述形狀測量部120的測量裝置122的所述患者10的第一部位12及第二部位14的坐標變換矩陣。另一方面，所述第一位置l1及所述第二位置l2只是在形式上顯示出所述形狀測量部120的位置，并非意味著具體量化的位置。

從所述數(shù)學式15及所述數(shù)學式16，可以獲得相對于所述第二部位14的所述第一部位12的坐標變換矩陣prx，可以如數(shù)學式17所示顯示。

(數(shù)學式17)

prx＝pr2^-1pr1

如果參照圖4，可以利用所述第二位置l2中的與所述形狀測量部120相關(guān)的坐標變換矩陣t2'、t3'、t4'及所述坐標變換矩陣prx，可從數(shù)學式17，如數(shù)學式18所示地定義相對于所述跟蹤傳感器部130的所述第一部位12的坐標變換矩陣prs。在所述數(shù)學式18中，與所述基準標記部110及所述第一位置l1中的所述形狀測量部120相關(guān)的坐標變換矩陣t1、t2、t3、t4均被排除。

(數(shù)學式18)

prs＝t2′t3′t4′prx

如果將所述數(shù)學式15應(yīng)用于所述數(shù)學式2至所述數(shù)學式14，則可以獲得所述坐標變換矩陣t3、pr1，如果將所述數(shù)學式16應(yīng)用于所述數(shù)學式2至所述數(shù)學式14，則可以獲得所述坐標變換矩陣t3'、pr2，因而可以從所述數(shù)學式17獲得所述坐標變換矩陣prx。相對于所述第一部位12，所述第二部位14處于剛性整合關(guān)系中，因此，可以認定為所述坐標變換矩陣prx為固定不變的矩陣。

因此，所述跟蹤傳感器部130傳感所述形狀測量部120，所述形狀測量部120測量所述標簽標記部(stk)，可以持續(xù)地跟蹤與所述患者10的患處對應(yīng)的第一部位12。

例如，在所述患者10移動或變換姿勢的情況下，所述跟蹤傳感器部130傳感所述形狀測量部120，重新獲得坐標變換矩陣t2'，所述形狀測量部120測量所述標簽標記部(stk)，獲得坐標變換矩陣t4'后，可以應(yīng)用所述數(shù)學式18。因此，如果在所述數(shù)學式18中，代入所述坐標變換矩陣t2'、t4'、prx，應(yīng)用所述數(shù)學式2至數(shù)學式14的方式，則可以獲得所述坐標變換矩陣prs、t3'，因此，利用所述坐標變換矩陣prs，可以容易地實時跟蹤所述患者10的第一部位12。

所述處理部140可以以所述形狀測量部120測量的所述患者10的第二部位14的三維形狀及所述第三坐標變換關(guān)系為基礎(chǔ)，重新整合在針對所述患者10實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系及所述患者10的第一部位12的坐標系。即，可以利用所述形狀測量部120測量的所述患者10的第二部位14的三維形狀，定義所述第二部位14的坐標系，可以利用與所述第三變換關(guān)系對應(yīng)的所述坐標變換矩陣prx，變換為所述第一部位12，因此，可以重新整合在針對所述患者10實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系及所述第一部位12的坐標系。

另一方面，所述標簽標記部(stk)容易拆裝，即使在隨時修訂位置而附著于所述患者10的其它部位的情況下，重新執(zhí)行所述過程，從而能夠跟蹤所述患者10的第一部位12。

另外，所述標簽標記部(stk)容易追加附著，即使在隨時將追加的標簽標記部附著于所述患者10的其它部位的情況下，重新執(zhí)行所述過程，從而能夠跟蹤所述患者10的第一部位12。

另一方面，如上所述的跟蹤過程可以自動或由使用者手動重新執(zhí)行。

作為一個實施例，所述光學跟蹤系統(tǒng)100既可以包括感知所述患者10的移動的移動感知部(圖中未示出)，也可以不另行包含移動感知部，而是由所述跟蹤傳感器部130感知所述患者10的移動。如果所述移動感知部或所述跟蹤傳感器部130感知所述患者10的移動，則所述處理部140重新執(zhí)行所述過程，從而可以重新執(zhí)行所述跟蹤過程。

另一方面，當所述標簽標記部(stk)形成得可直接被所述跟蹤傳感器部130傳感時，所述跟蹤傳感器部130直接跟蹤所述標簽標記部(stk)，因而所述基準標記部110也可以省略。此時，所述標簽標記部(stk)和所述基準標記部110相同，因而可以在所述坐標變換矩陣中定義為pr1＝pr2＝i(單位矩陣)，執(zhí)行前面的跟蹤過程。

下面以附圖為參照，詳細說明所述光學跟蹤系統(tǒng)100跟蹤手術(shù)工具的方法及整合手術(shù)工具的坐標系與患者的坐標系的過程。

圖5是用于說明圖1的光學跟蹤系統(tǒng)進行手術(shù)工具的跟蹤及整合的概念圖。

如果參照圖5，所述光學跟蹤系統(tǒng)100可以還包括手術(shù)工具150。

所述手術(shù)工具150作為用于對所述患者10實施手術(shù)的工具，包含標記152。所述標記152可以發(fā)生能量或信號，以便所述跟蹤傳感器部130能夠傳感。例如，所述標記152可以形成多個，也可以包括圖案信息。

所述跟蹤傳感器部130可以傳感所述手術(shù)工具150的標記152，跟蹤所述手術(shù)工具150。

所述處理部140可以從所述跟蹤傳感器部130跟蹤的所述手術(shù)工具150的第一跟蹤結(jié)果及針對所述跟蹤傳感器部130而相對地跟蹤的所述患者10的第一部位12的第二跟蹤結(jié)果，針對所述患者10的第一部位12，相對地跟蹤所述手術(shù)工具150。

具體而言，以所述第一跟蹤結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述手術(shù)工具150的標記152和所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系，以所述第二跟蹤結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者10的第一部位12與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系。其中，所述坐標變換關(guān)系例如可以定義為矩陣形態(tài)，可以以坐標變換矩陣表現(xiàn)。

所述處理部140可以利用所述獲得的坐標變換關(guān)系，針對所述患者10，定義相對的所述手術(shù)工具150的坐標系。例如，所述坐標系可以定義為矩陣形態(tài)。

即，如果利用相對于所述跟蹤傳感器部130的所述患者10的第一部位12的坐標變換矩陣prs，利用所述跟蹤傳感器部130傳感并算出的坐標變換矩陣t2"，則根據(jù)下述數(shù)學式19，可知相對于所述患者10的第一部位12而相對地定義的所述手術(shù)工具150的坐標變換矩陣t5。

(數(shù)學式19)

prs＝t2″t5＝t2″t3″t4″

因此，可以利用如上所述測量的坐標變換關(guān)系，針對所述患者10的第一部位12，相對地跟蹤所述手術(shù)工具150，針對所述患者10的第一部位12，定義相對的所述手術(shù)工具150的坐標系。

在圖5及數(shù)學式19中，所述手術(shù)工具150的坐標變換矩陣t5以所述標記152為基礎(chǔ)進行了圖示，但是，也可以以需要跟蹤的地點，例如以所述手術(shù)工具150的端部154為基礎(chǔ)，定義坐標變換矩陣。即，可以利用相對于所述手術(shù)工具150的標記152的所述手術(shù)工具150的端部154的坐標變換矩陣t3"及相對于所述手術(shù)工具150的端部154的所述患者10的第一部位12的坐標變換矩陣t4"，定義所述坐標變換矩陣t5(t5＝t3"t4")，此時，t3"可從所述手術(shù)工具150的幾何學形狀而獲知，因此，可以以所述端部154為基礎(chǔ)，針對所述患者10，定義相對的所述手術(shù)工具150的坐標系。

另一方面，所述處理部140可以以所述三維影像的坐標系及所述患者10的第一部位12的坐標系的整合結(jié)果為基礎(chǔ)，整合在對所述患者10實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系及針對所述患者10的第一部位12而相對地定義的所述手術(shù)工具150的坐標系。

即，如圖1及圖2中所作的說明，可以以所述形狀測量部120測量的三維形狀為基礎(chǔ)，整合在對所述患者10的第一部位12實施手術(shù)之前獲得的三維影像的坐標系及所述所述患者10的第一部位12的坐標系，正如上面所作的說明，可以針對所述患者10的第一部位12，定義相對的所述手術(shù)工具150的坐標系，因此，可以相互整合在對所述患者10的第一部位12實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系及針對所述患者10的第一部位12而相對地定義的所述手術(shù)工具150的坐標系。

所述光學跟蹤系統(tǒng)100可以還包括與所述處理部140連接的顯示部(圖中未示出)。所述顯示部可以顯示所述在實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像、所述形狀測量部120測量的對于三維形狀的影像、對于所述手術(shù)工具150的影像、所述影像整合后的重疊影像等。

如上所述，所述處理部140可以從所述坐標變換關(guān)系，針對所述患者10的第一部位12，定義相對的所述手術(shù)工具150的坐標系，可以在實施手術(shù)時，實時跟蹤所述手術(shù)工具150。

下面以附圖為參照，說明利用所述光學跟蹤系統(tǒng)100，整合在手術(shù)之前預先拍攝的三維影像的坐標系與患者患處和手術(shù)工具所在的手術(shù)時的實際世界的坐標系的過程、所述患者的患處和所述手術(shù)工具的跟蹤方法。

圖6是顯示本發(fā)明一個實施例的光學跟蹤系統(tǒng)的坐標系整合方法及跟蹤方法的流程圖。

如果參照圖2至圖6，首先，在對患者10實施手術(shù)之前，獲得包含與所述患者10的患處對應(yīng)的第一部位12在內(nèi)的三維影像，例如，ct影像(s110)。

可以把如上所述在實施手術(shù)之前預先獲得的諸如ct影像的三維影像(包括對此進行再構(gòu)成的影像)，例如存儲于計算機。

接著，如下執(zhí)行所述實施手術(shù)時的過程。

首先，借助于跟蹤傳感器部130，傳感相對于所述患者10而進行固定配置的基準標記部110及配置于第一位置l1以便針對所述所述患者10的第一部位12測量三維形狀的形狀測量部120(s120)。

然后，以所述跟蹤傳感器部130傳感的結(jié)果及配置于所述第一位置l1的所述形狀測量部120測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部110、所述跟蹤傳感器部130、所述形狀測量部120及所述患者10的第一部位12之間的第一坐標變換關(guān)系(s130)。

此時，以所述跟蹤傳感器部130傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部110與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部120與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系，以所述形狀測量部120測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者10的第一部位12與所述形狀測量部120之間的坐標變換關(guān)系，可以獲得所述第一坐標變換關(guān)系。

接著，借助于跟蹤傳感器部130，傳感以標簽形態(tài)附著于針對所述第一部位12而能夠剛性整合的位置的第二部位14的標簽標記部(stk)，及配置于第二位置l2以便針對所述第二部位14測量三維形狀的形狀測量部120(s140)。

然后，以所述跟蹤傳感器部130傳感的結(jié)果及配置于所述第二位置l2的所述形狀測量部120測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部110、所述跟蹤傳感器部130、所述形狀測量部120及所述患者10的第二部位14之間的第二坐標變換關(guān)系(s150)。

此時，以所述跟蹤傳感器部130傳感的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述基準標記部110與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系及所述形狀測量部120與所述跟蹤傳感器部130之間的坐標變換關(guān)系，以所述形狀測量部120測量的結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得所述患者10的第二部位14與所述形狀測量部120之間的坐標變換關(guān)系，可以獲得所述第二坐標變換關(guān)系。

接著，從所述第一及第二坐標變換關(guān)系，提取所述第一部位12及所述第二部位14之間的第三坐標變換關(guān)系，針對所述跟蹤傳感器部130，跟蹤相對的所述第一部位12，即，跟蹤患處(s160)。

此時，隨著所述第一部位12的跟蹤，可以定義針對所述跟蹤傳感器部130相對的所述第一部位12的坐標系。

另一方面，可以以所述形狀測量部120測量的三維形狀為基礎(chǔ)，整合在對所述患者10實施手術(shù)之前獲得的三維影像的坐標系及所述患者10的第一部位12的坐標系(s170)。

如上所述，可以針對所述跟蹤傳感器部130，相對地定義所述患者10的第一部位12的坐標系，整合預先獲得的諸如ct影像的三維影像的坐標系與所述患者10的第一部位12的坐標系。

向諸如醫(yī)師的實施手術(shù)者提供附著了標記152的手術(shù)工具150，所述手術(shù)實施者可以直接或利用手術(shù)機器人等設(shè)備，運用對所述患者10實施手術(shù)所需的所述手術(shù)工具150。對于所述手術(shù)工具150，執(zhí)行如下所述跟蹤所需的過程。

所述跟蹤傳感器部130傳感所述手術(shù)工具150的標記152(s180)。

接著，從跟蹤的所述手術(shù)工具150的跟蹤結(jié)果及針對所述跟蹤傳感器部130而相對地跟蹤的所述患者10的第一部位12的跟蹤結(jié)果，針對所述患者10的第一部位12，相對地跟蹤所述手術(shù)工具150(s190)。

接著，以所述三維影像的坐標系及所述患者10的第一部位12的坐標系的整合結(jié)果為基礎(chǔ)，整合所述獲得的三維影像的坐標系及隨著所述手術(shù)工具150的跟蹤而針對所述患者10的第一部位12相對地定義的所述手術(shù)工具150的坐標系(s200)。

如上所述，可以針對所述患者10的第一部位12，相對地定義用于對所述患者10實施手術(shù)的手術(shù)工具150的坐標系，整合預先獲得的諸如ct影像的三維影像的坐標系與所述手術(shù)工具150的坐標系。

在本實施例中，以圖6的流程圖為參照，簡略地說明了所述光學跟蹤系統(tǒng)100的坐標系整合方法，所述光學跟蹤系統(tǒng)100的具體運轉(zhuǎn)實質(zhì)上與前面圖1至圖5說明的內(nèi)容相同，因而省略重復的詳細說明。

根據(jù)本發(fā)明的光學跟蹤系統(tǒng)及跟蹤方法，在針對患處而能夠剛性整合的位置配備標簽標記部，形狀測量部針對所述患處和所述標簽標記部測量三維形狀，跟蹤傳感器部傳感所述形狀測量部和基準標記部，從它們之間的坐標變換關(guān)系，提取所述患處與所述標簽標記部之間的坐標變換關(guān)系，從而僅僅通過利用所述坐標變換關(guān)系使所述形狀測量部跟蹤所述標簽標記部的作業(yè)，便能夠跟蹤相對于所述跟蹤傳感器部的所述患處的位置及姿勢等。

另外，所述形狀測量部測量所述標簽標記部的過程可以容易地重新執(zhí)行，因而即使在所述患者移動或姿勢變化的情況下，也能夠利用所述患處與所述標簽標記部之間的坐標變換關(guān)系，在實施手術(shù)時容易地實時準確跟蹤所述患處及所述手術(shù)工具。

另外，在手術(shù)開始之后，所述形狀測量部無需測量所述患處，如果測量所述標簽標記部，則可以跟蹤所述患處，因此，無需在手術(shù)中為了測量所述患處而移動所述形狀測量部，能夠防止在手術(shù)中因所述形狀測量部位于所述患處周圍而對手術(shù)造成妨害的問題。進一步而言，所述標簽標記部附著的位置可以比較自由地選定，因而可以將手術(shù)中的所述形狀測量部位置配置于不妨害手術(shù)的位置。另外，所述標簽標記部是標簽附著型，因而可以以不妨害手術(shù)的形態(tài)形成，既可以附著于不妨害手術(shù)的位置，也可以采用多個標簽標記部，從而能夠不妨害手術(shù)地加以利用。

另外，在將所述標簽標記部制作成三維形態(tài)的情況下，通過追加特征點，可以更容易地進行整合，所述跟蹤傳感器部直接跟蹤所述標簽標記部，從而也可以省略所述基準標記部。另外，當采用兩個以上的標簽標記部及與其對應(yīng)的兩個以上的形狀測量部時，可以利用所述標簽標記部之間的坐標變換關(guān)系進行角度測量，因而即使在諸如膝蓋手術(shù)的手術(shù)時，也可以借助于角度測量而實施手術(shù)。

另外，可以以實施手術(shù)時測量的所述患者的三維形狀本身為標志進行整合，因而即使不把動態(tài)參照裝置(drb)直接附著于患者，也可以相互整合在實施手術(shù)之前預先獲得的三維影像的坐標系與在實施手術(shù)時會實時移動的患者的坐標系及手術(shù)工具的坐標系。而且，即使在預先獲得所述三維影像時，也不需要附著所述動態(tài)參照裝置，可以隨時重新設(shè)置及重新整合坐標系。

因此，可以解決把標記直接附著于患者而引起的患者痛苦和誤差、需要在手術(shù)前制作stamp等作業(yè)的麻煩和所需時間及費用較多等以往技術(shù)的問題。

即，無需另外的準備過程，便可以在手術(shù)室內(nèi)迅速設(shè)置患者的坐標系并執(zhí)行影像整合，因而能夠以更短的時間及較少的費用，準確、容易地進行患者的坐標系及手術(shù)工具的坐標系設(shè)置及影像整合，利用標簽形態(tài)的標簽標記部，取代直接附著于患者的動態(tài)參照裝置(drb)，能夠減輕患者的痛苦及副作用。

因此，根據(jù)本發(fā)明的光學跟蹤裝置及利用其的跟蹤方法，能夠極大提高患者及手術(shù)實施者雙方的便利性。

在前面說明的本發(fā)明的詳細說明中，參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了說明，但只要是相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域的熟練從業(yè)人員或相應(yīng)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員便會理解，在不超出后述的專利權(quán)利要求書記載的本發(fā)明的思想及技術(shù)領(lǐng)域的范圍內(nèi)，可以多樣地修訂及變更本發(fā)明。因此，前述說明以及以下附圖應(yīng)解釋為是對本發(fā)明進行的示例而非用于限定本發(fā)明的技術(shù)思想。