光学跟踪系统技术方案

一种用于确定目标对象的位置和定向的医学WFOV光学跟踪系统。所述系统包括附接至所述目标对象的光发射器和附接至显示器的至少两个光发射器以及附接至所述目标对象的两个宽视场光学检测器。所选择的一个可操作成为有源宽视场光学检测器，其获取所述两个光发射器的图像。每个宽视场光学检测器包括光学传感器和至少两个光学接收器。所述系统还包括附接至所述显示器的另一个光学检测器并且获取附接至所述目标对象的所述光发射器的至少一个图像。处理器，确定所述目标对象的所述位置和定向，并且呈现医疗信息。显示器以与所述目标对象的所确定位置和定向相对应的位置和定向显示所呈现的医疗信息。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
所公开的技术涉及跟踪系统，并且一般具体来说，涉及用于确定移动对象的位置和定向的光学跟踪系统。
技术介绍
用于跟踪移动对象在参考坐标系中的位置和定向的光学跟踪系统是本领域已知的。这些跟踪装置使用用于收集关于移动对象的位置和/或定向的信息的光学检测器(例如，电荷耦接装置)。这种光学跟踪装置的一种配置是将一个或数个光学检测器固定在移动对象上以及将一组光源(例如，发光二极管)固定在坐标系中的已知位置处。这种光学跟踪装置的另一种配置是将一组光源固定在移动对象上以及将一个或数个光学检测器在参考固定在坐标系中的已知位置处。又一种配置是使以下各项相结合：前述配置；以及将检测器和光发射器两者固定在移动对象上和固定在参考坐标系中的已知位置处。光学跟踪系统能够基于所确定的位置和/或定向做出自动决策。例如，飞行员可以仅通过朝着目标移动她的头部而瞄准目标(即，飞行员不必朝着目标移动飞行器)。光学跟踪系统确定由飞行员佩戴的头盔在飞行器坐标系中的定向(即，仰角、方位角和滚转角)。又例如，光学跟踪系统可以跟踪虚拟现实系统(例如，游戏、模拟器)的用户的移动，从而确定用户的位置。然而，放置在移动对象上的光学检测器可以在参考坐标系中检测光发射器，仅仅只要光发射器在检测器的视场(FOV)内即可。因此，光学跟踪系统的FOV(即，其中光学跟踪系统跟踪移动对象的位置范
围)受到光学检测器的FOV的限制。类似地，固定光检测器可以跟踪移动对象，只要附接至移动对象的光发射器在固定光检测器的FOV内即可。因此，移动光检测器的FOV与固定光检测器的FOV的相交限定了跟踪系统的跟踪空间。现在参考图1，图1是本领域已知的光学检测器(一般标记为10)的示意性图示。光学检测器10包括与透镜14光学地耦接的光学传感器12。透镜14包括入射光瞳16。光学检测器10的FOVφ和透镜14的焦距f与光学传感器12的大小d之间的比成反比。此外，光学检测器10的精确度与其角度分辨率成比例。因此，当传感器12的大小(例如，像素数量)固定时，增加透镜14的焦距会使得分辨率增大，但也会使得光学检测器10的FOV减小。LaBaw发布的并且标题为“辐射敏感光学跟踪器(RadiationSensitive Optical Tracker)”的美国专利No.3,678,283涉及一种用于确定飞行员相对于驾驶舱中的某一点的视线的系统。光学跟踪器包括：两个检测器组件；以及三个光发射器。第一检测器组件被安装在飞行员的头盔上。第一光发射器被安装在飞行员的头盔上。第二检测器组件被安装在驾驶舱上，在所述点处。第二和第三光发射器被安装在驾驶舱上，在飞行员前面的瞄准线的任一侧上等距间隔开。检测器组件包括能够检测光点的横向位置的横向光电检测器。光发射器以与检测器的最大敏感度范围相对应的光频率照射。安装在驾驶舱上的两个光发射器照射安装在头盔上的检测器。安装在头盔上的照射器照射安装在驾驶舱上的检测器。飞行员的视线的方位角和仰角的确定与驾驶舱内的头盔位置无关。飞行员头部的滚转量由安装在头盔上的检测器的输出来计算，所述检测器检测安装在驾驶舱上的两个光发射器。Barbier等人发布的并且标题为“用于确定固体的定向的光学装置(Optical Device for Determining the Orientation of a Solid Body)”的美
国专利No.5,767,524涉及一种用于确定第一固体相对于第二固体的定向的系统。定向确定系统包括：三个光源/检测器组。每个光源/检测器组均包括一个光源和一个光学辐射检测器。至少一个光源/检测器组被安装在第一固体上。至少一个光源/检测器组被安装在第二固体上。在这些固体的至少一个固体上安装有两个光源/检测器组。定向系统在第一参考系中，确定第一固体的与来自第二参考系的光辐射相对应的两条直线。定向系统在第二参考系中，确定第二固体的与来自第一参考系的光辐射相对应的两条直线。对至少两条完全不同的直线在这些参考系的每一个参考系中的定向的了解通过旋转矩阵的计算得到了关于第一固体相对于第二固体的参考系的定向的三个参数。
技术实现思路
所公开的技术的目的在于提供一种确定目标对象在参考坐标系中的位置和定向的新颖系统。根据所公开的技术的一个方面，因此提供了一种用于确定目标对象在参考坐标系中的位置和定向的医学WFOV光学跟踪系统。所述系统包括附接至所述目标对象的至少一个光发射器、附接至参考位置的至少一个其他光发射器、宽视场光学检测器、另一个光学检测器和处理器。所述处理器与至少一个宽视场光学检测器和所述光学检测器中的至少一个无线地耦接并且与所述至少一个宽视场光学检测器和所述至少一个其他光学检测器中的其他的进一步耦接。所述参考位置与所述参考坐标系相关联。所述宽视场光学检测器在其视场内获取至少一个光发射器的至少一个图像。所述宽视场光学检测器包括用于在所述宽视场光学检测器的所述视场内感测从所述至少一个光发射器的至少一个所接收的光的一个光学传感器和与所述光学传感器光学地耦接的至少两个光学接收器。所述光学接收器中的每一个包括一个入射瞳孔。所述光学接收器在空间上彼此隔开。所述光学接收器中的
每一个将被观测场景的不同角形部分投射在所述光学传感器上。所述另一个光学检测器在其视场内获取至少一个光发射器的至少一个图像。所述处理器根据附接至所述目标对象的所述至少一个光发射器和附接至所述参考位置的所述至少一个其他光发射器的表示来确定每个目标对象中的每一个在所述参考坐标系中的所述位置和所述定向。所述目标对象和所述参考位置是包括来自由以下各项组成的组的两个元件的元组中的各自元件中的一个：显示器；患者身体部位；医疗工具；医师身体位置；以及固定位置。每个WFOV光学检测器和另一个光学检测器附接至这些元件中的各自一个。这些元件中的一个元件被指定为参考位置并且剩余元件被指定为目标对象。光发射器的总数至少为三。根据所公开的技术的另一方面，因此提供了一种用于确定目标对象在参考坐标系中的位置和定向的医学WFOV光学跟踪系统。所述系统包括附接至所述目标对象的至少一个光发射器、附接至安装在头部的显示器的至少另外两个光发射器、宽视场光学检测器、光学检测器和处理器。所述处理器与所述宽视场光学检测器、与所述光学检测器以及与所述安装在头部的显示器耦接。所述目标对象是患者和医疗工具中的至少一个中的一个。所述安装在头部的显示器被定位在医师头部并且与参考坐标系相关联。所述宽视场光学检测器附接至所述目标对象并且在其视场内获取附接至所述安装在头部的显示器的至少两个光发射器中的每一个的至少一个图像。所述宽视场光学检测器包括光学传感器，所述光学传感器用于感测从附接至所述安装在头部的显示器的所述至少两个光发射器中的至少一个所接收的光。所述光学接收器中的每一个包括一个入射瞳孔。所述光学接收器在空间上彼此隔开。所述光学接收器中的每一个将被观测场景的不同角形部分投射在所述光学传感器上。所述光学检测器附接至所述安装在头部的显示器并且在其视场内获取附接至所述目标对象的所述至少一个光发射器的至少一个图像。所述处理器根据附接至所述目标对象的所述至少一个光发射器和附接至所述参考位置的所述至少一个其他光发射器
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【技术保护点】
一种用于确定至少一个目标对象在参考坐标系中的位置和定向的医学宽视场光学跟踪系统，其包括：至少一个光发射器，其附接至所述至少一个目标对象中的每一个，所述目标对象为患者和医疗工具中的至少一个；至少两个光发射器，其附接至显示器；至少两个宽视场光学检测器，其附接至所述至少一个目标对象，所选择的一个可操作成为有源宽视场光学检测器，当附接至所述显示器的所述至少两个光发射器在其视场内时，所述有源宽视场光学检测器获取附接至所述显示器的所述至少两个光发射器的至少一个图像，所述宽视场光学检测器中的每一个包括：光学传感器，其用于在所述宽视场光学检测器的所述视场内感测从至少一个光发射器所接收的光；以及至少两个光学接收器，其与所述光学传感器光学地耦接，所述光学接收器中的每一个包括入射瞳孔，所述光学接收器在空间上彼此隔开，所述光学接收器中的每一个将被观测场景的不同角形部分投射在所述光学传感器上；另一个光学检测器，其附接至所述显示器，所述另一个光学检测器在所述另一个光学检测器的视场内获取附接至所述目标对象的所述至少一个光发射器的至少一个图像；以及位置和定向处理器，其与所述至少两个宽视场光学检测器无线地耦接并且与所述另一个光学检测器耦接，所述处理器根据附接至所述目标对象的所述至少一个光发射器的表示和附接至所述显示器的所述至少两个其他光发射器的表示来确定所述至少一个目标对象中的每一个在所述参考坐标系中的位置和定向，所述处理器至少根据所述位置和定向进一步呈现导航信息、实时图像、所述患者的所感兴趣区域的模型和与所述医疗工具相关联的表示中的至少一个；以及所述显示器，其与所述位置和定向处理器耦接，用于以与所述至少一个目标对象的所述所确定位置和定向相对应的位置和定向来向医师显示所呈现的以下各项中的至少一个：所述导航信息；实时图像；所述患者的所感兴趣区域的模型；以及与所述医疗工具相关联的表示。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.21 IL 229527;2014.08.14 US 62/037,1321.一种用于确定至少一个目标对象在参考坐标系中的位置和定向的医学宽视场光学跟踪系统，其包括：至少一个光发射器，其附接至所述至少一个目标对象中的每一个，所述目标对象为患者和医疗工具中的至少一个；至少两个光发射器，其附接至显示器；至少两个宽视场光学检测器，其附接至所述至少一个目标对象，所选择的一个可操作成为有源宽视场光学检测器，当附接至所述显示器的所述至少两个光发射器在其视场内时，所述有源宽视场光学检测器获取附接至所述显示器的所述至少两个光发射器的至少一个图像，所述宽视场光学检测器中的每一个包括：光学传感器，其用于在所述宽视场光学检测器的所述视场内感测从至少一个光发射器所接收的光；以及至少两个光学接收器，其与所述光学传感器光学地耦接，所述光学接收器中的每一个包括入射瞳孔，所述光学接收器在空间上彼此隔开，所述光学接收器中的每一个将被观测场景的不同角形部分投射在所述光学传感器上；另一个光学检测器，其附接至所述显示器，所述另一个光学检测器在所述另一个光学检测器的视场内获取附接至所述目标对象的所述至少一个光发射器的至少一个图像；以及位置和定向处理器，其与所述至少两个宽视场光学检测器无线地耦接并且与所述另一个光学检测器耦接，所述处理器根据附接至所述目标对象的所述至少一个光发射器的表示和附接至所述显示器的所
\t述至少两个其他光发射器的表示来确定所述至少一个目标对象中的每一个在所述参考坐标系中的位置和定向，所述处理器至少根据所述位置和定向进一步呈现导航信息、实时图像、所述患者的所感兴趣区域的模型和与所述医疗工具相关联的表示中的至少一个；以及所述显示器，其与所述位置和定向处理器耦接，用于以与所述至少一个目标对象的所述所确定位置和定向相对应的位置和定向来向医师显示所呈现的以下各项中的至少一个：所述导航信息；实时图像；所述患者的所感兴趣区域的模型；以及与所述医疗工具相关联的表示。2.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中所述导航信息、所述实时图像、所述患者的所感兴趣区域的所述模型和与所述医疗工具相关联的所述表示，每一个均与所述参考坐标系相关联。3.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中所述导航信息、所述实时图像、所述患者的所感兴趣区域的所述模型和与所述医疗工具相关联的所述表示中的所述至少一个被注册到所述导航信息、所述实时图像、所述患者的所感兴趣区域的所述模型、与所述医疗工具相关联的所述表示中的至少另一个的各自坐标系中的一个并且注册到所述参考坐标系。4.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其还包括用于存储所述模型、所述导航信息和与所述医疗工具相关联的所述表示的数据库。5.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中所述显示器是被配置成由所述医师戴着的安装在头部的显示器。6.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中所述显示器与附接至所述显示器的所述另一个光学检测器的光轴之间的
\t角度是固定的，并且其中所述处理器调整所述模型、所述导航信息、与所述医疗工具相关联的所述表示和所述实时图像的所显示的所述呈现以弥补所述角度。7.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中所述目标对象包括至少所述医疗工具，所述医疗工具为实时成像器，所述实时成像器获取所述实时图像。8.根据权利要求7所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中所述实时成像器为以下各项中的一个：超声波成像器；腹腔镜相机；内窥镜；二维X射线成像器；三维X射线成像器；以及核磁共振成像器。9.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中所述另一个光学检测器是宽视角光学检测器，其包括：光学传感器，其用于感测从所述至少一个光发射器所接收的光；以及至少两个光学接收器，其与所述光学传感器光学地耦接，所述光学接收器中的每一个包括入射瞳孔，所述光学接收器在空间上彼此隔开，所述光学接收器中的每一个将被观测场景的不同角形部分投射在所述光学传感器上。10.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中附接至所述至少一个目标对象中的每一个的所述至少一个光发射器和附接至所述显示器的所述至少两个光发射器是光源。11.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中附接至所述至少一个目标对象中的每一个的所述至少一个光发射器和附接至所述显示器的所述至少两个光发射器是光反射器。12.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中附接至所述至少一个目标对象中的每一个的所述至少一个光发射器是光源而附接至所述显示器的所述至少两个光发射器是光反射器。13.根据权利要求1所述的医学宽视场光学跟踪系统，其中附接至所述至少一个目标对象中的每一个的所述至少一个光发射器...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·本伊莎，A·查尼，D·雅哈夫，S·左莫，I·艾弗拉特，
申请(专利权)人：埃尔比特系统公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL