專利名稱：回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的制作方法
回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng) 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
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背景
本說(shuō)明涉及回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)。已知的用于獲得一個(gè)或多個(gè)感興趣點(diǎn)的 坐標(biāo)的系統(tǒng)包括標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)。此類標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)通常依賴于附有一個(gè)或 多個(gè)標(biāo)記物的物件。附于該物件的標(biāo)記物可以是有源標(biāo)記物(例如，發(fā)光二極 管標(biāo)記物)、無(wú)源標(biāo)記物(例如，回射標(biāo)記物)、或者是有源和無(wú)源標(biāo)記物的 組合。
在醫(yī)療應(yīng)用背景中，用戶(例如，醫(yī)生)使用物件(例如，探針或外科器 械)的末端接觸感興趣的表面(例如，病人身體的表面)。標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備(例 如， 一對(duì)相機(jī))觀察附于該物件的標(biāo)記物。在已知的相機(jī)位置以及如為每一相 機(jī)所見的這些標(biāo)記物的位置的基礎(chǔ)上，此類系統(tǒng)計(jì)算這些標(biāo)記物的三維坐標(biāo)。 然后，在這些標(biāo)記物的位置與該物件尖端之間的已知關(guān)系的基礎(chǔ)上，該標(biāo)記物 跟蹤系統(tǒng)確定該物件的尖端的坐標(biāo)。若該物件的尖端在上述表面上，則那些坐 標(biāo)還對(duì)應(yīng)于此表面上該點(diǎn)處的坐標(biāo)。
無(wú)源標(biāo)記物的一個(gè)示例是基于玻璃珠技術(shù)。這樣一種無(wú)源標(biāo)記物(在本說(shuō) 明中稱作"多物鏡高折射率標(biāo)記物")是通過(guò)在基層904中嵌入微小的玻璃珠 902 (例如，其數(shù)目以成百上千計(jì))(其特寫在圖9中示出)、并以此基層來(lái) 包敷某一表面(例如，球體)來(lái)形成。該球體高度織構(gòu)化的表面易受塵垢、手 指上的油污等污染。出現(xiàn)在該球體的表面上的任何污染都可能會(huì)影響此無(wú)源標(biāo) 記物的回射性能，由此促使或引起確定該標(biāo)記物所附于的物件的位置時(shí)產(chǎn)生不 準(zhǔn)確性。
真回射意味著能量被定向回往其源的反射方式。有時(shí)在實(shí)踐當(dāng)中，觀察點(diǎn)
(例如，標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備)無(wú)法以允許觀察到真回射的能量的方式來(lái)定位。
概要
一般而言，在一個(gè)方面， 一種系統(tǒng)包括物件，其包括形狀基本上由兩個(gè) 不同半徑的、關(guān)于彼此基本上同心地布置的球冠界定的第一回射標(biāo)記物；標(biāo)記 物照明設(shè)備，用于充分照明該第一回射標(biāo)記物；標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)被 照明的該第一回射標(biāo)記物并用于生成指示此被照明的第一回射標(biāo)記物在空間 中的位置的第一數(shù)據(jù)；以及計(jì)算設(shè)備，用于處理標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備所生成的該第 一數(shù)據(jù)以確定該物件在空間中的定位和/或朝向。
此系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括以下的一項(xiàng)或多項(xiàng)。
該第一回射標(biāo)記物的形狀可進(jìn)一步由一個(gè)或多個(gè)凸緣界定。 該第一回射標(biāo)記物可具有均一的折射率。
該第一回射標(biāo)記物在從標(biāo)記物照明設(shè)備發(fā)出的光線于范圍在0°與±-°間的入射角之內(nèi)進(jìn)入該第一回射標(biāo)記物時(shí)可回射光線。
界定該第一回射標(biāo)記物的形狀可由被介質(zhì)分隔開的球體與球腔形成。此球 體可由半徑R1定義；并且該球腔可由內(nèi)半徑R2、外半徑R3、高h(yuǎn)、及基圓半 徑a定義。該球腔的外半徑R3可基本上等于該球腔的高h(yuǎn)、大于該球腔的高h(yuǎn)、 或小于該球腔的高h(yuǎn)。該球腔的內(nèi)半徑R2可基本上等于該球體的半徑R1、或 大于該球體的半徑Rl。反射性材料可被直接涂敷于該球腔的腔側(cè)表面、該球 腔的非腔側(cè)表面、和/或該球體的表面。界定第一回射標(biāo)記物的形狀可由第一球 冠和第二球冠形成。該第一球冠可由半徑R4、高h(yuǎn)l、和基圓半徑al定義；并 且該第二球冠可由半徑R5、高h(yuǎn)2、和基圓半徑a2定義。高h(yuǎn)l可大于半徑R4。 高h(yuǎn)2可大于半徑R5。高h(yuǎn)l可基本上等于半徑R4并且高h(yuǎn)2可基本上等于半 徑R5。反射性材料可被直接涂敷于該第一或第二球冠的表面上。
界定第一回射標(biāo)記物的形狀由第一球冠組件和第二球冠組件形成，該第一 和第二球冠組件被構(gòu)造為一整合單元。該第一球冠組件可由半徑R6、高h(yuǎn)3、 和基圓半徑a3定義；并且該第二球冠組件可由半徑R7、高h(yuǎn)4、和基圓半徑 a4定義。高h(yuǎn)3可大于半徑R6。高h(yuǎn)4可大于半徑R7。高h(yuǎn)3可基本上等于半 徑R6并且高h(yuǎn)4可基本上等于半徑R7。反射性材料可被直接涂敷于該第一或
第二球冠組件的表面上。
該第一回射標(biāo)記物可由防碎材料形成。該第一回射標(biāo)記物可由具有相對(duì)較 低的折射率的材料形成。該第一回射標(biāo)記物可由具有相對(duì)較高的折射率的材料 形成。反射性材料可被直接涂敷于該第一回射標(biāo)記物的后表面上。
反射性材料可被直接涂敷于該第一回射標(biāo)記物的后表面的一個(gè)或多個(gè)部 分上?；厣錁?biāo)記物后表面上的這一個(gè)或多個(gè)涂敷了反射性材料的部分可包括少 于該后表面的整體。
該第一回射標(biāo)記物可被構(gòu)造成漫射地回射光線。
該系統(tǒng)的物件可進(jìn)一步包括至少另一個(gè)回射標(biāo)記物，其形狀基本上由兩個(gè) 不同半徑的、關(guān)于彼此基本上同心地布置的球冠界定。第一回射標(biāo)記物和這至 少另一個(gè)回射標(biāo)記物可在該物件上被相對(duì)于彼此地布置成使得在這些回射標(biāo) 記物被標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明時(shí)在一時(shí)刻這些回射標(biāo)記物中僅有一個(gè)回射 光線。第一回射標(biāo)記物和這至少另一個(gè)回射標(biāo)記物可在該物件上被相對(duì)于彼此 地布置成使得在這些回射標(biāo)記物被標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明時(shí)至少有兩個(gè)回 射標(biāo)記物回射光線。該系統(tǒng)的標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備可檢測(cè)此至少另一個(gè)被照明的回 射標(biāo)記物，并且對(duì)于每一個(gè)檢測(cè)到的標(biāo)記物，生成指示相應(yīng)的被照明標(biāo)記物在 空間中的位置的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備可處理標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備所生成的數(shù)據(jù) 來(lái)確定該物件在空間中的定位和/或朝向。這些回射標(biāo)記物的大小和尺寸可被確 定為使得標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備在標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明這些回射標(biāo)記物時(shí)能檢 測(cè)到單個(gè)離散的反射光源。這些回射標(biāo)記物的大小和尺寸可被確定為使得標(biāo)記 物感測(cè)設(shè)備在標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明這些回射標(biāo)記物時(shí)能檢測(cè)到多個(gè)離散 的反射光源。這多個(gè)離散的反射光源中至少有一個(gè)可在標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照 明至少兩個(gè)回射標(biāo)記物時(shí)被形成。
這些基本上定義第一回射標(biāo)記物的形狀的球冠的半徑可被選擇成使得在 第一回射標(biāo)記物被照明時(shí)所檢測(cè)到的反射光圖像的強(qiáng)度保持相對(duì)恒定——即 便在標(biāo)記物照明設(shè)備與標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備之間的觀察角變化時(shí)亦是如此。


圖1示出醫(yī)療應(yīng)用背景中的一種標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)。
圖2a、 2b、 2c、和2d各自示出一種增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的橫截面視圖。 圖3a和3b示出各自由球體和球腔形成的五種增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的橫截面 視圖。
圖4示出各自由兩個(gè)球冠形成的三種增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的橫截面視圖。 圖5示出各自由兩個(gè)球冠組件所界定的整合單元構(gòu)成的三種增強(qiáng)型回射
標(biāo)記物的橫截面視圖。
圖6a示出關(guān)于具有高分模線和經(jīng)全反光化的后表面的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物
的光路。
圖6b示出關(guān)于具有低分模線和經(jīng)全反光化的后表面的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物 的光路。
圖6c示出關(guān)于具有高分模線和經(jīng)部分反光化的后表面的增強(qiáng)型回射標(biāo)記 物的光路。
圖7a關(guān)于標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的觀察點(diǎn)地示出包括五個(gè)多物鏡高折射率標(biāo)記 物的設(shè)備。
圖7b示出從圖7a的觀察點(diǎn)所見的近端標(biāo)記物和遠(yuǎn)端標(biāo)記物的視圖。 圖7c關(guān)于標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的觀察點(diǎn)地示出包括五個(gè)增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的 設(shè)備。
圖7d示出從圖7c的觀察點(diǎn)所見的近端標(biāo)記物的視圖。
圖8a示出在其中部署了多物鏡高折射率回射標(biāo)記物的回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)。
圖8b示出在其中部署了增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)。 圖8c示出關(guān)于圖8b的被部分遮光的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的光路的側(cè)視圖。 圖8d示出圖8b的被部分遮光的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的正視圖。 圖9示出嵌入在基層中的微小玻璃珠。
具體說(shuō)明
參見圖1， 一種標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)包括在其中剛性地安裝了標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備 (例如，相機(jī)104)和標(biāo)記物照明設(shè)備118的單元102。該標(biāo)記物照明設(shè)備118 照明附于諸如工具108等的物件的無(wú)源標(biāo)記物106。相機(jī)104檢測(cè)被照明的無(wú)源標(biāo)記物106，生成指示被檢測(cè)到的各回射標(biāo)記物106在空間中的位置的數(shù)據(jù)， 并將這些數(shù)據(jù)提供給計(jì)算設(shè)備。在所描繪的示例中，該計(jì)算設(shè)備位于經(jīng)由有線 通信鏈路112連接到相機(jī)104的計(jì)算機(jī)110內(nèi)。在其它示例中，該計(jì)算設(shè)備位 于相機(jī)安裝單元102內(nèi)或者位于經(jīng)由無(wú)線通信鏈路與相機(jī)104處于通信狀態(tài)的 計(jì)算機(jī)中。給定相機(jī)104的已知位置以及各無(wú)源標(biāo)記物106的位置，該計(jì)算設(shè) 備計(jì)算工具108的定位和/或朝向。進(jìn)而，在每一無(wú)源標(biāo)記物106的位置與工具 108的尖端108a的位置之間的已知關(guān)系的基礎(chǔ)上，該計(jì)算設(shè)備計(jì)算工具尖端 108a在空間中的坐標(biāo)。在工具108由用戶(例如，外科醫(yī)生114)手持并且工 具尖端108a被抵壓或以其它方式與一表面(例如，病人的身體116)形成接觸 的那些場(chǎng)合，工具尖端108a的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于工具尖端108a接觸于該表面的點(diǎn)的 坐標(biāo)。
在本說(shuō)明中，描述了可被納入在圖1的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)中的無(wú)源標(biāo)記物 (在本說(shuō)明中稱為"增強(qiáng)型回射標(biāo)記物")的各種各樣的示例及實(shí)現(xiàn)。所有這 些示例和實(shí)現(xiàn)的共同之處如下圖1的系統(tǒng)的每一增強(qiáng)型回射標(biāo)記物106的形 狀大體由兩個(gè)球冠界定由半徑為RA的球體位于平面PA以上(或以下)的區(qū) 域界定的球冠A、由半徑為RB的球體位于平面PB以上(或以下)的區(qū)域界定
的球冠B，其中RA#RB。在所有的實(shí)現(xiàn)中，這兩個(gè)球冠均被關(guān)于彼此基本上
同心地布置(即，該半徑為RA的球體和該半徑為RB的球體共享一共同的中心
C或者其各自相應(yīng)的中心距離彼此相近)。在一些實(shí)現(xiàn)中，每一增強(qiáng)型回射標(biāo) 記物具有均一的折射率。本說(shuō)明中的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物既包括由真回射體構(gòu)成 的標(biāo)記物也包括基本回射的標(biāo)記物。
如在本說(shuō)明中使用的術(shù)語(yǔ)"分模線"是指在界定標(biāo)記物形狀的這兩個(gè)球冠 之間大體劃分該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的平面。盡管圖2a的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的 分模線穿過(guò)共同的中心C，但是增強(qiáng)型回射標(biāo)記物也可被實(shí)現(xiàn)為使得分模線相 對(duì)于該共同中心而言較高(如圖2b中所示)或者相對(duì)于該共同中心而言較低 (如圖2c中所示)。在圖2d的實(shí)現(xiàn)中，增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的形狀進(jìn)一步由凸 緣界定，這些凸緣繼而可被用來(lái)助益于將該標(biāo)記物安裝到工具上或在該標(biāo)記物 的制造當(dāng)中起到輔助作用。
圖3a中描繪的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的每種實(shí)現(xiàn)是藉由將球體302和球腔304 在該球體302的外表面與該球腔304的內(nèi)表面之間的共同邊界處物理地耦合 (例如，使用光耦合膠或者覆模和/或罐鑄技術(shù))來(lái)形成的。圖3b中描繪的增 強(qiáng)型回射標(biāo)記物106的每一種實(shí)現(xiàn)是由被介質(zhì)(例如，空氣)分隔開的球體302 和球腔304形成的。在圖3a和3b兩者中描繪的實(shí)現(xiàn)中，球體302由半徑Rl 定義，并且球腔304由內(nèi)半徑R2、外半徑R3、高h(yuǎn)、以及基圓半徑a定義。
圖4中描繪的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物106的每一種實(shí)現(xiàn)是藉由將兩個(gè)球冠在共 同的邊界處物理地耦合(例如，使用光耦合膠)來(lái)形成的。其中一個(gè)球冠402 由半徑R4、高h(yuǎn)l、和基圓半徑al定義，并且另一個(gè)球冠404由半徑R5、高 h2、和基圓半徑a2定義。
圖5中描繪的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物106的每一種實(shí)現(xiàn)被形成為具有兩個(gè)球冠 組件的單個(gè)整合單元(例如，使用令兩個(gè)經(jīng)圖案化的工具之間的基層形變并將 標(biāo)記物的形狀模壓進(jìn)基層內(nèi)的模壓或微模壓技術(shù)、注模技術(shù)、以及涉及從單件 固體物料機(jī)械加工和/或蝕刻出標(biāo)記物的技術(shù))。其中一個(gè)球冠組件502a由半
徑R6、高h(yuǎn)3、和基圓半徑a3定義，并且另一個(gè)球冠組件502b由半徑R7、高 h4、和基圓半徑a4定義。
增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的其它特征可基于要在其中部署標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的環(huán) 境背景(例如，戶內(nèi)還是戶外)和/或要在其中應(yīng)用標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用背景 (例如，醫(yī)療還是工業(yè))而變化。此類特征的示例包括
(1) 用于形成該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的材料——變更材料會(huì)影響增強(qiáng)型回 射標(biāo)記物的折射率、該標(biāo)記即便在曝露于嚴(yán)峻的環(huán)境條件時(shí)也能準(zhǔn)確地發(fā)揮功 能的能力、和/或該標(biāo)記物的成本——若可使用較廉價(jià)的材料來(lái)替代較昂貴的材 料。該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物可由諸如聚碳酸酯等的具有相對(duì)較低折射率(n《1.9) 的材料、或諸如專用玻璃等的具有相對(duì)較高折射率(n>1.9)的材料形成。
(2) 該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的大小——取決于其應(yīng)用，增強(qiáng)型回射標(biāo)記物可 被構(gòu)建成任何大小(例如，直徑在千分之幾英寸量級(jí)或直徑在英寸量級(jí)上)并 且單獨(dú)地或者作為群聚在一起或被定位成使得每個(gè)體標(biāo)記物之間存在一定空 間的一群增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的一部分來(lái)使用。
(3) 界定該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的形狀的這兩個(gè)球冠之間的分模線的位置；
以及
(4)該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的后表面或外表面上使用本領(lǐng)域中所知的數(shù)種 技術(shù)——包括但不限于對(duì)標(biāo)記物的后表面或外表面的鍍銀、上漆、直接金屬化、 以及置為反射性介質(zhì)——中的任何一種被反光化的量。
上面第(3)和(4)項(xiàng)更詳細(xì)地討論如下。
圖6a和6b示出具有不同分模線的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物602、 612的示例。 假設(shè)標(biāo)記物602、 612每一個(gè)的后表面整個(gè)都被反光化并且光以相等的高入射 角a。進(jìn)入每一標(biāo)記物602、 612。在標(biāo)記物602的情形中，高分模線使得輸入 光線能夠如圖6a中所示地穿過(guò)標(biāo)記物602、在經(jīng)反光化的后表面上反射、并離 開標(biāo)記物602。作為對(duì)比，標(biāo)記物612的低分模線導(dǎo)致反射光如圖6b中所示地 與入射光線非平行地離開標(biāo)記物612。圖6a和6c示出具有相同的分模線但經(jīng) 反光化的后表面的量不同的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物602、 622的示例。假設(shè)光以高 入射角"°進(jìn)入每一標(biāo)記物602、 622。在標(biāo)記物622的情形中，傳入的光如圖 6c中所示地穿過(guò)標(biāo)記物622，命中標(biāo)記物622的后表面上未經(jīng)反光化的部分， 并離開標(biāo)記物622。圖6a、 6b、和6c的示例圖解了增強(qiáng)型回射標(biāo)記物可被調(diào) 諧(藉由變更分模線位置和/或經(jīng)反光化的后表面的大小)以使其回射能力僅于 光是在范圍在O。與±"°之間的入射角內(nèi)(在本說(shuō)明中稱為"有效入射角范 圍")進(jìn)入標(biāo)記物時(shí)才被"開啟"的方式。
在回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)中納入各自具有有限的有效入射角范圍的增強(qiáng)型 回射標(biāo)記物可通過(guò)藉由防止遠(yuǎn)端標(biāo)記物(相對(duì)于觀察點(diǎn)而言位于背景)與近端 標(biāo)記物(相對(duì)于觀察點(diǎn)而言位于前景)發(fā)生干擾來(lái)提高該系統(tǒng)的定位跟蹤準(zhǔn)確 性。圖7a示出附有五個(gè)多物鏡高折射率標(biāo)記物704的設(shè)備702的示例。這五 個(gè)多物鏡高折射率標(biāo)記物704使得設(shè)備702在360°的全程旋轉(zhuǎn)中均能被觀察 到。如果遠(yuǎn)端標(biāo)記物704在其并非正被跟蹤時(shí)不停止回射，則當(dāng)遠(yuǎn)端標(biāo)記物 704a移到作為跟蹤主體的近端標(biāo)記物704b后面并且這兩個(gè)反射源融為一體時(shí) 遠(yuǎn)端標(biāo)記物704a會(huì)與該近端標(biāo)記物704b發(fā)生干擾。在此類情形中，近端標(biāo)記 物704b和遠(yuǎn)端標(biāo)記物704a對(duì)于該回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的觀察點(diǎn)706而言表現(xiàn) 為單個(gè)不規(guī)則形狀的標(biāo)記物708 (如圖7b中所示)，由此導(dǎo)致設(shè)備702的定位 被不準(zhǔn)確地確定。圖7c示出附有五個(gè)增強(qiáng)型回射標(biāo)記物714的設(shè)備712。如果 遠(yuǎn)端標(biāo)記物714a被調(diào)諧成在光是在其有效入射角范圍之外進(jìn)入遠(yuǎn)端標(biāo)記物
714a時(shí)停止回射，則近端標(biāo)記物714b可無(wú)畸變地被回射標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)觀察 到(如圖7d中所示)，由此導(dǎo)致準(zhǔn)確地確定設(shè)備702的定位。
除了如在前一段中描述的避免"標(biāo)記物融合"以外，納入各自具有有限的 有效入射角范圍的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物還可提高標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)在增強(qiáng)型回射 標(biāo)記物被障礙物部分地遮光的場(chǎng)合的定位跟蹤準(zhǔn)確性。
圖8a示出在其中部署了兩個(gè)多物鏡高折射率標(biāo)記物802a、 802b的標(biāo)記物 跟蹤系統(tǒng)的示例；圖8b示出在其中部署了兩個(gè)在圖2、 3、 4、和5中描繪的類 型的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物812a、 812b的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的示例。假設(shè)舉例而言 圖8a和8b的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)各自均被實(shí)現(xiàn)為使用基于用反射光圖像的形心計(jì) 算出的標(biāo)記物質(zhì)心的算法來(lái)確定標(biāo)記物的定位。
在圖8a的情形中，多物鏡高折射率標(biāo)記物802a部分地被障礙物806遮光 并且被部分地遮光的標(biāo)記物802a (如圖8a的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的觀察點(diǎn)808所 觀察到的)的質(zhì)心表現(xiàn)為向完全可見的標(biāo)記物802b移動(dòng)。其效果是在確定工 具804 (其附有這些多物鏡高折射率標(biāo)記物802)的定位之中引入了不準(zhǔn)確 性——因?yàn)楸徊糠值卣诠獾臉?biāo)記物802a被感知到的位置與此被部分地遮光的 標(biāo)記物802a的實(shí)際位置失步。作為對(duì)比，被障礙物816部分地遮光的增強(qiáng)型 回射標(biāo)記物812a對(duì)圖8b的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的觀察點(diǎn)818將表現(xiàn)為被兩個(gè)障礙 物部分地遮光即如圖8c和8d中所示的實(shí)際障礙物和虛擬障礙物。由于在增 強(qiáng)型回射標(biāo)記物812a的某一區(qū)域中發(fā)生的任何遮光在該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物 812a的相對(duì)一側(cè)上具有反射對(duì)應(yīng)部，因此圖8b的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)的觀察點(diǎn)818 所觀察到的圖像表現(xiàn)為關(guān)于參考軸對(duì)稱，并且該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物812a的質(zhì) 心保持不變。相應(yīng)地，工具814的定位可被準(zhǔn)確地確定——因?yàn)楸徊糠值卣诠?的增強(qiáng)型回射標(biāo)記物812a被感知到的位置和此被部分地遮光的增強(qiáng)型回射標(biāo) 記物812a的實(shí)際位置是同步的。
在一些實(shí)現(xiàn)中，增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的外表面(前和/或后)被構(gòu)造成漫射 地反射光線來(lái)為標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)提供強(qiáng)度較低但更一致的回射目標(biāo)。在一些實(shí) 現(xiàn)中，增強(qiáng)型回射標(biāo)記物是使用使得該標(biāo)記物漫射地回射光線的半透明材料來(lái) 制造的。以此方式，該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物的定位可被此標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)更準(zhǔn)確 地確定。
一般而言，增強(qiáng)型回射標(biāo)記物被構(gòu)造成使得離開該標(biāo)記物的光線與輸入光
線基本上平行。在標(biāo)記物照明設(shè)備與觀察點(diǎn)處在不同位置處的那些場(chǎng)合，回波
光線中有略微的收斂和/或發(fā)散可能是可取的。當(dāng)標(biāo)記物照明設(shè)備與觀察點(diǎn)之間
的角度(即"觀察角")增大時(shí)回射迅速衰落。在此類場(chǎng)合，增強(qiáng)型回射標(biāo)記
物可被調(diào)諧成使得與照明的距離的負(fù)二次方關(guān)系最優(yōu)化以使得反射光圖像的
強(qiáng)度相對(duì)恒定——畸變?cè)谟^察角變化時(shí)亦是如此。此調(diào)諧可涉及變更界定該增
強(qiáng)型回射標(biāo)記物的形狀的球冠的半徑之比、變更用來(lái)形成該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物 的材料、或其兩者。
盡管上面描述的示例提到部署在醫(yī)療應(yīng)用背景中的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)，但是 該增強(qiáng)型回射標(biāo)記物也可被納入于在工業(yè)應(yīng)用背景中使用的標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng) 中以供在廣泛的一批計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量方案(例如，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)測(cè)量、坐標(biāo)測(cè)量、 以及掃描器跟蹤)中使用。相應(yīng)地，增強(qiáng)型回射標(biāo)記物所附于的物件可以是任 何活動(dòng)的或不活動(dòng)的物件。
已對(duì)本說(shuō)明書中描述的主題的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了說(shuō)明。其它實(shí)現(xiàn)也落在位于 所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種系統(tǒng)，包括包括第一回射標(biāo)記物的物件，所述第一回射標(biāo)記物的形狀基本上由兩個(gè)不同半徑的、關(guān)于彼此基本上同心地布置的球冠界定；標(biāo)記物照明設(shè)備，用于充分地照明所述第一回射標(biāo)記物；標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)被照明的所述第一回射標(biāo)記物并用于生成指示所述被照明的第一回射標(biāo)記物在空間中的位置的第一數(shù)據(jù)；以及計(jì)算設(shè)備，用于處理所述標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備所生成的所述第一數(shù)據(jù)以確定所述物件在空間中的定位和/或朝向。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物的形狀 進(jìn)一步由 一個(gè)或多個(gè)凸緣界定。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物具有均 一的折射率。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物在從所 述標(biāo)記物照明設(shè)備發(fā)出的光線于范圍在O。與±^°間的入射角之內(nèi)進(jìn)入所述 第一回射標(biāo)記物時(shí)回射光線。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述界定第一回射標(biāo)記物的 形狀由被介質(zhì)分隔開的球體與球腔形成。
6. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述球體由半徑R1定義；并且所述球腔由內(nèi)半徑R2、外半徑R3、高h(yuǎn)、和基圓半徑a定義。
7. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述球腔的外半徑R3基本上 等于所述球腔的高h(yuǎn)。
8. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述球腔的外半徑R3大于所 述球腔的高h(yuǎn)。
9. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述球腔的外半徑R3小于所 述球腔的高h(yuǎn)。
10. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述球腔的內(nèi)半徑R2基本上等于所述球體的半徑R1。
11. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述球腔的內(nèi)半徑R2大于所述球體的半徑R1。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于 所述球腔的腔側(cè)表面上。
13. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于 所述球腔的非腔側(cè)表面上。
14. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于所 述球體的表面上。
15. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于所 述球腔的非腔側(cè)表面上。
16. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述界定第一回射標(biāo)記物的 形狀由第一球冠和第二球冠形成。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述第一球冠由半徑R4、高h(yuǎn)l、和基圓半徑al定義；并且 所述第二球冠由半徑R5、高h(yuǎn)2、和基圓半徑a2定義。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高h(yuǎn)l大于所述半徑R4。
19. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高h(yuǎn)2大于所述半徑R5。
20. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高h(yuǎn)l基本上等于所述 半徑R4并且所述高h(yuǎn)2基本上等于所述半徑R5。
21. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于 所述第一球冠的表面上。
22. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于 所述第二球冠的表面上。
23. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述界定第一回射標(biāo)記物的 形狀由第一球冠組件和第二球冠組件形成，所述第一和第二球冠組件被構(gòu)造為 整合單元。
24. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述第一球冠組件由半徑R6、高h(yuǎn)3、和基圓半徑a3定義；并且 所述第二球冠組件由半徑R7、高h(yuǎn)4、和基圓半徑a4定義。
25. 如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高h(yuǎn)3大于所述半徑R6。
26. 如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高h(yuǎn)4大于所述半徑R7。
27. 如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高h(yuǎn)3基本上等于所述 半徑R6并且所述高h(yuǎn)4基本上等于所述半徑R7。
28. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于 所述第一球冠組件的表面上。
29. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于 所述第二球冠組件的表面上。
30. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物是由防 碎材料形成的。
31. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物是由具 有相對(duì)較低的折射率的材料形成的。
32. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物是由具 有相對(duì)較高的折射率的材料形成的。
33. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于所 述第一回射標(biāo)記物的后表面上。
34. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，反射性材料被直接涂敷于所 述第一回射標(biāo)記物的后表面的一個(gè)或多個(gè)部分上。
35. 如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述回射標(biāo)記物后表面上 的所述一個(gè)或多個(gè)上面涂敷了反射性材料的部分包括少于所述后表面的整體。
36. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物被構(gòu)造 成漫射地反射光線。
37. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述物件進(jìn)一步包括至少另 一個(gè)回射標(biāo)記物，所述至少另一個(gè)回射標(biāo)記物的形狀基本上由兩個(gè)不同半徑 的、關(guān)于彼此基本上同心地布置的球冠界定。
38. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物和所 述至少另一個(gè)回射標(biāo)記物在所述物件上被相對(duì)于彼此地布置成使得在所述各 回射標(biāo)記物被所述標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明時(shí)在一時(shí)刻所述各回射標(biāo)記物中 僅有一個(gè)回射光線。
39. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回射標(biāo)記物和所 述至少另一個(gè)回射標(biāo)記物在所述物件上被相對(duì)于彼此地布置成使得在所述各 回射標(biāo)記物被所述標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明時(shí)至少有兩個(gè)回射標(biāo)記物回射光 線。
40. 如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備 檢測(cè)所述至少另一個(gè)被照明的回射標(biāo)記物，并且對(duì)于每一個(gè)檢測(cè)到的標(biāo)記物，生成指示相應(yīng)的被照明標(biāo)記物在空間中的位置的數(shù)據(jù)。
41. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算設(shè)備處理所述標(biāo) 記物感測(cè)設(shè)備所生成的所述數(shù)據(jù)以確定所述物件在空間中的定位和/或朝向。
42. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述各回射標(biāo)記物的大小 和尺寸被確定為使得所述標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備在所述標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明所 述各回射標(biāo)記物時(shí)檢測(cè)到單個(gè)離散的反射光源。
43. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述各回射標(biāo)記物的大小 和尺寸被確定為使得所述標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備在所述標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明所 述各回射標(biāo)記物時(shí)檢測(cè)到多個(gè)離散的反射光源。
44. 如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)離散的反射光源 中至少有一個(gè)是在所述標(biāo)記物照明設(shè)備同時(shí)照明至少兩個(gè)回射標(biāo)記物時(shí)形成 的。
45. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述基本上界定第一回射標(biāo) 記物的形狀的各球冠的半徑被選擇成使得在所述第一回射標(biāo)記物被照明時(shí)所 檢測(cè)到的反射光圖像的強(qiáng)度即便在所述標(biāo)記物照明設(shè)備與所述標(biāo)記物感測(cè)設(shè) 備之間的觀察角變化時(shí)亦保持相對(duì)恒定。
全文摘要
一種標(biāo)記物跟蹤系統(tǒng)，包括物件、標(biāo)記物照明設(shè)備、標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備、以及計(jì)算設(shè)備。該物件包括第一回射標(biāo)記物，其形狀基本上由兩個(gè)不同半徑的、關(guān)于彼此基本上同心地布置的球冠界定。標(biāo)記物照明設(shè)備充分照明該第一回射標(biāo)記物，標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備檢測(cè)到被照明的第一回射標(biāo)記物并生成指示此被照明的第一回射標(biāo)記物在空間中的位置的第一數(shù)據(jù)，并且計(jì)算設(shè)備處理標(biāo)記物感測(cè)設(shè)備所生成的該第一數(shù)據(jù)以確定該物件在空間中的定位和/或朝向。
文檔編號(hào)A61B19/00GK101379412SQ200780005038
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者B·J·麥克羅艾, G·布呂納 申請(qǐng)人:北方數(shù)字股份有限公司