CN111956327B - 图像测量与配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及把物理空间与图像空间的位置及方向进行测量和注册的方法，本发明的方法包括：提供具有跟踪工具的组件；该组件包括位置和/或方向部件，其位置和可用方向可以基于所述跟踪工具的坐标框架，使用一个测量件来测量；该测量件具有用于测量的测量表面，而无需事先用跟踪***中的跟踪工具进行校准；将组件放在一个人体上并进行扫描；在人体上放置一个相对跟踪工具；在登记时间，同时记录下所述相对跟踪工具的数据和附着在组件上的跟踪工具的数据；在仪器上放置跟踪工具；在后登记时间，同时记录下放置在仪器上的跟踪工具的数据和所述相对跟踪工具的数据；计算经过转换在图像空间中的附着在仪器上的跟踪工具的位置和/或可用方向。

Description

图像测量与配准方法

技术领域

本发明一般涉及图像空间和物理空间注册配准的技术领域，更具体地说，涉及简便的测量准备以实现快捷地注册配准的方法。

背景技术

当使用手术导航***来辅助微创手术时，需要将CT/MR扫描的患者身体的一部分的图像进行图像空间和物理空间的映射。通过注册，获得变换以将物理空间中的位置与图像空间中的位置相对应关联。该变换用于将物理空间中的位置转换为图像空间中的位置。然后，在由导航***辅助的外科手术过程中，具有由跟踪***跟踪的物理空间位置的医疗器械，可以被虚拟地转换并显示在所扫描的患者图像的图像空间中。

在外科手术过程中，注册步骤通常需要额外的时间和额外的负担，以便外科医生识别物理空间中的位置/方向并在扫描的图像空间中将它们相对应关联。这样在现有的注册方法中，注册过程不仅不方便且十分耗时。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有技术缺陷，提供一种图像测量与注册配准方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一方面，提供了将物理空间和图像空间中的位置和方向进行测量和注册配准的方法。该方法包括：提供一种包含跟踪工具的组件；该组件包括位置部件和/或方向部件；其位置和可用方向是利用一种测量件基于所述跟踪工具的坐标框架来测量的；具有测量表面的测量件测量部件的位置和/或方向，而无需事先用跟踪***中的跟踪工具进行校准；将组件放在人体上并进行成像扫描；将一个所谓相对跟踪工具放在人体上或人体内；在登记时间，同时记录下所述相对跟踪工具的数据和附着在组件上的跟踪工具的数据；在仪器上放置跟踪工具；在所谓后登记时间，同时记录下放置在仪器上的跟踪工具的数据和所述相对跟踪工具的数据；计算经过转换在图像空间中的附着在仪器上的跟踪工具的位置和/或可用方向。

在一些实施例中，一种将物理空间和图像空间中的位置和方向进行测量和注册配准的方法，包括：a)提供具有六个自由度的位置和方向的组件和跟踪工具，其中：所述组件包括：至少四个非共面的位置部件，或至少一个位置部件和至少三个正交的方向部件；所有所述部件都刚性地放在所述组件中；所述跟踪工具可拆卸地刚性地固定在所述组件上，使得所述部件与所述跟踪工具的位置和方向相对地互相固定；根据所述跟踪工具的坐标框架测量所述部件的三维位置和可用方向；并且可以用成像***扫描所述部件，并且可以在扫描的图像空间中获得它们的三维位置和可用方向；b)将所述组件牢固地放置在一个物体上并用成像***进行成像扫描；并且通过扫描的图像，获得所述扫描图像空间中所述部件的三维位置和可用方向；c)基于在步骤a)中关于所述跟踪工具的框架所测量得到的物理空间中的部件的位置和可用方向，以及在步骤b)中所获得的图像空间中的部件的位置和可用方向，计算将位置和方向从物理空间转换到图像空间的变换；d)在人体上或体内放置一个六个自由度的相对跟踪工具；使用跟踪***，在相同时间(称该时间为登记时间)，同时记录下基于跟踪***的坐标框架的，相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；e)在仪器上放置跟踪工具以跟踪仪器的姿态；

使用跟踪***，在相同时间(称该时间为后登记时间)，同时记录下基于跟踪***的坐标框架的，安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向数据和相对跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；f)联合在步骤c)中获得的变换，在步骤d)中的登记时间记录下的两个跟踪工具数据和在步骤e)中的后登记时间记录下的两个跟踪工具数据，以计算转换后的、在图像空间中的安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向。

在一些实施例中，变换表示为T，满足关系：

OBJECTM1_i ^T＝T*OBJECTW1_i ^T (1)，

其中OBJECTM1_i ^T是OBJECTM1_i的转置矩阵，OBJECTM1_i代表(x，y，x，1)，其中(x，y，z)表示图像空间中的位置；OBJECTW1_i ^T是OBJECTW1_i的转置矩阵，OBJECTW1_i代表(x，y，z，1)，其中(x，y，z)表示跟踪工具框架中的物理空间中的位置，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置，i>＝4；4x4变换矩阵T的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z分别是坐标的平移；通过求解至少4个非共平面位置的至少四个关系(1)的联立方程来计算出T。

在一些实施例中，变换表示为T，满足关系：

OBJECTM2_i＝T*OBJECTW2_i (2)

其中OBJECTM2i是4x4矩阵，如下：

(Ax^M，ay^M，Az^M)是图像空间中方向A的x，y，z余弦分量；(Bx^M By^M Bz^M)是图像空间中方向B的x，y，z余弦分量；(Cx^M Cy^M Cz^M)是图像空间中方向C的x，y，z余弦分量，x，y和z是图像空间中的位置分量；

OBJECTW2_i是4x4矩阵，如下：

(Ax^w Ay^w Az^w)是物理空间中方向A的x，y，z余弦分量；(Bx^W By^W Bz^W)是物理空间中方向B的x，y，z余弦分量；(Cx^W Cy^W Cz^W)是物理空间中方向C的x，y，z余弦分量。x，y和z是物理空间中的位置分量；其中，物理空间中的位置和方向是基于跟踪工具的坐标框架中，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置,i>＝1；

4x4变换矩阵T的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵且x，y，z是平移分量；通过求解至少一个等式(2)，包含至少一个位置(x，y，z)和三个正交方向A、B、C来获得T；

通过求解下面的等式也可以得到R：

M*R＝W (3)，

其中M是如下3×3矩阵：

W是如下3x3矩阵：

在一些实施例中，在所述登记时间期间，记录下的所述组件上附着的所述跟踪工具和所述相对跟踪工具的位置和方向可分别表示为4×4矩阵B和A；在所述后登记时间期间，记录下的附着在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向可表示为4×4矩阵D；在所述后登记时间期间，记录下的相对跟踪工具的位置和方向可以表示为4×4矩阵E；在仪器上附着的跟踪工具的、从物理空间中转换而来的图像空间中的位置和可用方向可以表示为4x4矩阵F，它满足以下关系：

F＝ T * B^-1 * A* E^-1 * D (4)，

其中T是将位置和方向从物理空间转换为图像空间所计算得出的变换；4x4变换矩阵T的形式如下：

R是3x3旋转矩阵，且x、y、z是坐标的平移；所述B，A，E，D和F的4×4矩阵如下：

R是3x3旋转矩阵，x、y、z是分量位置；可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪***的坐标框架在物理空间中的位置数据(x，y，z),计算其对应的在图像空间中的位置；可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪***的坐标框架在物理空间中的方向数据,计算其对应的在图像空间中的方向。

在一些实施例中，存在多于一个的所述组件和/或存在多于一个的可移除地附接着所述组件上的跟踪工具，和/或在所述人体上或人体中存在多于一个的相对跟踪工具，以及/或在人体上或人体中的相对跟踪工具与附着在所述组件上的跟踪工具相组合。

在一些实施例中，所述具有六个自由度的位置和方向的跟踪工具由多个具有小于六个自由度的跟踪工具组成。

在一些实施例中，所述第三正交方向可从两个正交方向推导出。

在一些实施例中，所述跟踪***是电磁跟踪***或光学跟踪***。

在一些实施例中，基于附着在所述组件上的所述跟踪工具的坐标框架，测量所述组件中包括的所述位置部件的位置的方法包括以下步骤：a、使所述部件具有球体一部分或全部的凸起测量表面，使得所述凸起测量表面的中心实质上对应于待测部件的位置；b、提供具有与所述部件的凸形测量表面实质配合的凹形测量表面的测量件；c、刚性地固定一个六个自由度的跟踪工具于所述测量件上；d、保持所述测量件的凹面测量面无缝接触所述部件的凸面测量面，使凹面测量面的中心不变，同时将测量件移动到不同位置；应用跟踪***，基于跟踪***的坐标框架，记录下附着在测量件上的跟踪工具的至少两个不同位置的方向和位置数据，同时，基于跟踪***的坐标框架，记录下附着在所述组件上的跟踪工具的方向和位置数据；e、利用所述步骤d中的记录的数据，进行计算得出，基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架的，测量件的凹形测量表面的中心的未改变位置或者对应的所述部件的未改变位置。

在一些实施例中，所述部件包括第一部分和第二部分；所述第一部分具有球形，并且实质位于球形部件的核心中心；第二部分位于球形部件的外层，并且布置成使得第二部分的核中心也实质上与第一部分的核中心重合；并且第一部分和第二部分具有不同材料成分，能够通过诊断成像扫描仪，产生互相比较起来相对弱或强的信号，因此，在扫描成像中，所述部件的第一部分的中心的图像位置，可以通过区分显示的斑点容易和准确地确定和测量。

在一些实施例中，记录下的附着在测量件上的跟踪工具的数据可以表示为4×4矩阵Bi；记录下的附着在所述组件上的跟踪工具的数据可以表示为4×4矩阵Ai；基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架，附着在测量件上的跟踪工具的姿态可以表示为4×4矩阵C_i，满足关系：

C_i＝A_i ^-1*B_i (5)，

4x4变换矩阵A_i、B_i和C_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i位置，i>＝2；

基于附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架，测量件的凹面测量表面中心的不变位置可用XS，YS，ZS表示，满足关系：

XS＝XBi+X_O*C_i(1，1)+Y_O*C_i(2，1)+Z_O*C_i(3，1)

YS ＝ YBi + X_O * C_i(1，2) + Y_O * C_i(2，2) + Z_O * C_i(3，2) (6)；

ZS＝ZBi+X_O*C_i(1，3)+Y_O*C_i(2，3)+Z_O*C_i(3，3)

X_O，Y_O，Z_O是从测量跟踪工具的中心到凹面测量表面的核心中心的偏移距离；C_i(m，n)是矩阵C_i的旋转元素，XB_i，YB_i，ZB_i是矩阵C_i的X，Y，Z位置。用i>＝2求解至少两组方程(6)，得到凹面测量面的核中心或所述部件的中心的测量位置(XS，YS，ZS)，该位置是基于附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架的。

在一些实施例中，记录下的、基于跟踪***坐标框架的、附着在测量件上的跟踪工具的数据，可以表示为4×4矩阵B_i；记录下的、基于跟踪***坐标框架的、附着在所述组件上的跟踪工具的数据，可以表示为4×4矩阵A_i；

4x4变换矩阵A_i和B_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i位置，i>＝2；

基于跟踪***坐标框架，测量件的凹面测量面中心不变的位置，可以用X_S，Y_S，Z_S表示，满足关系：

X_S＝XBi+XO*B_i(1，1)+YO*B_i(2，1)+ZO*B_i(3，1)

Y_S ＝ YBi + XO * B_i(1，2) + YO * B_i(2，2) + ZO * B_i(3，2) (7)；

Z_S＝ZBi+XO*B_i(1，3)+YO*B_i(2，3)+ZO*B_i(3，3)

XO，YO，ZO是从测量跟踪工具的中心到凹面测量表面的核心中心的偏移距离；B_i(m，n)是矩阵B_i的旋转元素，XB_i，YB_i，ZB_i是矩阵B_i的X，Y，Z位置，在i>＝2的情况下求解至少两组方程(7)，得到凹面测量面中心或所述部件中心的测量位置(XS，YS，ZS)，该位置基于跟踪***坐标框架；

让AA表示群组A_i的平均值的逆矩阵或者其中一个A_i的逆矩阵，并且(X'_S，Y'_S，Z'_S)表示凹面测量表面的中心或所述部件中心，在附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架中的测量位置。获得(X'_S，Y'_S，Z'_S)基于：

X’_S＝XB+X_S*AA(1，1)+Y_S*AA(2，1)+Z_S*AA(3，1)

Y’_S ＝ YB + X_S * AA(1，2) + Y_S * AA(2，2) + Z_S * AA(3，2) (8)；

Z’_S＝ZB+X_S*AA(1，3)+Y_S*AA(2，3)+Z_S*AA(3，3)；

AA(m，n)是矩阵AA的旋转元素，X_B，Y_B，Z_B是矩阵AA的X，Y，Z位置。

在一些实施例中，基于附着在所述组件上的所述跟踪工具的坐标框架，测量所述组件中包括的所述方向部件的方向的方法包括以下步骤：a、使方向性部件具有部分或全部圆柱形凸形体的测量表面或其它细长的测量表面，包括至少第一个的部分或全圆形横截面，和第二个的部分或全圆形横截面，使得凸槽杆或细长部件的轴线与方向部件的方向一致；b、提供具有凹槽或部分或全圆柱形腔体测量面的测量件，包括至少两个凹形的部分或全圆形横截面，与定向部件的凸测量表面实质上相配合；c、将至少用于方向跟踪的跟踪工具刚性地附着到所述测量件上；d、保持所述测量件的凹面测量面无缝接触所述部件的凸面测量面，使凹面测量面的轴线方向不变，同时使测量件在不同的旋转角度下旋转；应用跟踪***，基于跟踪***的坐标框架同时记录下附着在测量件上的跟踪工具的至少两个不同旋转角度的方向数据，和附着在所述组件上的跟踪工具的方向和位置数据；e、利用所述步骤d中记录的数据，计算得出，基于附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架的，测量件的凹形测量面的轴或部件的轴的不变方向。

在一些实施例中，所述方向部件包括第一部分和第二部分。第一部分具有细长形状，并且布置成使其轴线与方向部件的轴线一致；第二部分位于部件的外层，并且布置成使得第二部分的轴线也实质上与第一部分的轴线一致；并且第一部分和第二部分具有不同材料成分，能够通过诊断成像扫描仪，产生互相比较起来相对弱或强的信号，因此，在扫描成像中，所述部件的第一部分的图像方向，可以通过区分显示的线条容易和准确地确定和测量。

在一些实施例中，

基于跟踪***的坐标框架，附着在测量件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵B_i；基于跟踪***的坐标框架，附着在所述组件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵A_i；

其中4×4变换矩阵A_i和B_i的形式如下：

R是3x3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i个位置,i>＝2；

在跟踪***框架中，测量件凹面测量面的轴的未改变方向可用δx、δy、δz表示，满足关系：

δx＝X_off*B_i(1，1)+Y_off*B_i(2，1)+Z_off*B_i(3，1)

δy ＝ X_off * B_i(1，2) + Y_off * B_i(2，2) + Z_off * B_i(3，2) (9)；

δz＝X_off*B_i(1，3)+Y_off*B_i(2，3)+Z_off*B_i(3，3)

X_off，Y_off，Z_off是附着在测量件上的跟踪工具的方向与测量件的凹形测量表面的轴线方向之间的分量方向偏移/校准参数，B_i(m，n)是矩阵B_i的旋转元素，用i>＝2求解至少两组方程(9)，得到在跟踪***框架中，测量件凹面测量面的轴的测量方向(δx，δy，δz)；

让AA表示其中一个A_i的逆矩阵或群组A_i的平均值的逆矩阵，(δ’x，δ’y，δ’z)表示在装配在所述组件上的跟踪工具的框架中，测量件的凹面测量表面的轴的或者所述方向部件的轴的测量方向，计算(δ’x，δ’y，δ’z)基于：

δx＝δx*AA(1，1)+δy*AA(2，1)+δz*AA(3，1)

δ’y＝δx*AA(1，2)+δy*AA(2，2)+δz*AA(3，2) (10)，

δ’z＝δx*AA(1，3)+δy*AA(2，3)+δz*AA(3，3)

其中AA(m，n)是矩阵AA的旋转元素。

在一些实施例中，附着在测量件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵B_i；附着在组件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵A_i；附着在测量件上的跟踪工具的姿态，以在附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中，可以表示为4×4矩阵C_i，满足关系：

C_i＝A_i ^-1*B_i (11)，

4x4变换矩阵A_i，B_i和C_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i个位置，i>＝2；在附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中,测量件的凹面测量表面的轴线或所述部件的轴线的方向可以用(δ’x，δ’y，δ’z)表示，满足关系：

δ’x＝X_off*C_i(1，1)+Y_off*C_i(2，1)+Z_off*C_i(3，1)

δ’y＝X_off*C_i(1，2)+Y_off*C_i(2，2)+Z_off*C_i(3，2) (12)

δ’z＝X_off*C_i(1，3)+Y_off*C_i(2，3)+Z_off*C_i(3，3)

X_off，Y_off，Z_off是附着在测量件上的跟踪工具的方向和测量件的凹形测量表面的轴线方向之间的分量方向偏移/校准参数；C_i(m，n)是矩阵C_i的旋转元素，求解至少两组方程(12)，其中i>＝2，以获得测量件凹形测量表面的轴或所述方向部件的轴的测量方向，该方向是基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中的。

实施本发明的图像测量与注册配准方法，具有以下有益效果：方便快捷。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中利用跟踪***注册配准的示意图；

图2是本发明中的具有凸测量表面的球形部件；

图3是本发明中的带有跟踪工具、用于位置测量的测量件；

图4是本发明中的利用跟踪***测量位置的示意图；

图5A是本发明中具有球形形状的含有两部分成分的所述部件的横截面图；

图5B是本发明中具有非球形形状的含有两部分成分的所述部件的横截面图；

图6是本发明中一实施例的细长部件；

图7是本发明中具有凹形测量表面、附着了跟踪工具的、用于方向测量的测量件；

图8是本发明中利用跟踪***测量方向的示意图；

图9A是本发明中具有圆柱形表面的、含有两部分成分的所述部件；

图9B是本发明中具有部分圆柱形状的、含有两部分成分的所述部件；

图10是本发明中注册配准后跟踪仪器的示意图；

图11A是本发明中注册配准物理空间与图像空间的位置和方向的流程图的第一部分；

图11B是本发明中注册配准物理空间与图像空间的位置和方向的流程图的第二部分。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1示出了利用跟踪***注册配准的示意图。如图所示，跟踪工具4附着于患者人体5上，可以包括在患者人体的表面处或患者体内，并且被视为相对的参考跟踪工具。注册组件6包括附着的跟踪工具1和特设部件2，该特设部件由至少四个非共平面位置部件或至少一个位置部件和至少三个正交方向部件组成。所述特设部件可以为诸如点，球，线，曲线等形状，这些形状只要包含至少四个非共平面位置部件或者包括至少一个位置部件和至少三个正交方向部件。每个位置部件在物理空间中具有数学上、理想的唯一的三维位置，每个方向部件在物理空间中具有数学上、理想的唯一的方向。

跟踪工具1被认为是注册跟踪工具。注册配准组件6为刚性以使跟踪工具1与部件2的相对位置和方向是固定的。部件2的位置和可用方向可以基于注册跟踪工具1的坐标框架，通过多种方法进行测量。该测量过程被认为是为使用注册配准组件6做准备。

所述特设部件2由至少四个非共平面位置部件、或者至少一个位置部件和至少三个正交方向部件所组成。它们可以通过CT/MR***或其他设备被扫描成影像。部件2可以在扫描图像中显示，具有已知的三维位置和或者可用方向。

如图1所示，参考跟踪工具4和注册配准跟踪工具1均可通过无线或有线的方式关联跟踪装置，并通过跟踪装置/***分别获取六个自由度的含位置和方向的数据，该数据是基于跟踪装置的坐标框架(如发射器3的坐标框架)的。

以下章节描述了组件6的预备测量以及跟踪工具1和工具4的注册过程。

S1、所述组件的预备测量

基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架，部件2的位置和方向两个参数需要测量。

S1.1、位置测量

可以通过一些已知方法例如电磁跟踪***来测量部件2的位置。将注册配准组件6放置在可跟踪区域中；使用一种注册笔，其笔尖位置相对于跟踪***是已知的，用该笔尖接触每个部件2，以获得每个部件2在跟踪***的坐标框架中的位置；同时，记录相对于跟踪***框架的注册跟踪工具1的姿态数据；然后计算和转换每个部件2的位置从相对于跟踪***框架的位置到相对于注册工具1框架的位置。

本公开描述了一种不必测量笔尖位置的位置测量方法。

电磁跟踪***通常包括多个跟踪工具和发射器3。发射器3用于产生电磁场。跟踪工具通常包括感应线圈，用于在电磁场中产生感应电压。跟踪***还包括电子单元，它和感应线圈和发射器相联合，并基于在感测线圈中产生的感应电压，计算跟踪工具的位置和方向数据。

测量部件2基于附着在所述组件上的跟踪工具1的框架的位置，一个实施例包括：

a)使部件具有凸起的测量表面，其构造为球体的一部分或全部，使得凸起的测量表面的中心实质上对应于待测部件的位置；

如图2所示，部件100具有凸面测量面100A，球面部件的半径为r1，凸面测量面的中心为O.

b)提供具有凹形测量表面的测量件，该测量表面实质上与所述部件的凸形测量表面相配合；

c)将六自由度的跟踪工具刚性地附接到测量件上；

如图3所示，测量件211具有凹面测量表面211B。跟踪工具221附接在测量件211上。凹形测量表面211B具有半径r2，其与部件100中的凸表面的球体的半径r1实质相同。

d)保持所述测量件的凹面测量面无缝接触所述部件的凸面测量面，使凹面测量面的中心不变，同时将测量件移动到不同位置；应用跟踪***，基于跟踪***的坐标框架，记录下附着在测量件上的跟踪工具的至少两个不同位置的方向和位置数据，同时，基于跟踪***的坐标框架，记录下附着在所述组件上的跟踪工具的方向和位置数据；

如图4所示，都同时记录附着在测量件211上的跟踪工具221的数据和附着在组件上的跟踪工具1的数据，同时保持所述测量件的凹形测量表面211B无缝地接触部件100的凸形测量表面和移动测量件211在不同位置。发射器3配置为产生电磁场。

e)利用所述步骤d)中的记录的数据，进行计算得出，基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架的，测量件的凹形测量表面的中心的未改变位置或者对应的所述部件的未改变位置。

在一些实施例中，所述部件包括第一部分和第二部分；所述第一部分具有球形，并且实质位于球形部件的核心中心；第二部分位于球形部件的外层，并且布置成使得第二部分的核中心也实质上与第一部分的核中心重合；并且第一部分和第二部分具有不同材料成分，能够通过诊断成像扫描仪，产生互相比较起来相对弱或强的信号，因此，在扫描成像中，所述部件的第一部分的中心的图像位置，可以通过区分显示的斑点容易和准确地确定和测量。

图5A是含两部分组成的所述部件的横截面图。如图所示，部件100实质上是半径为r1的球形部件。第一部分110具有小球形的形状并且实质上位于球形部件100的核心中心(即，第一部分110的核心中心实质上与球形部件100的核心中心重合)。第二部分120位于球形部件100的外层，并且布置成使得第二部分120的核中心也实质上与第一部分110的核中心重合。

图5B示出了根据一些其他实施例的具有非球形形状的部件100的横截面图。类似于图5A中所示的所述部件的实施例，部件100也包括具有小球形状的第一部分110并嵌入第二部分120中。第二部分120包括凸表面120A(如图5B中的箭头所示)，被配置为是半径为r1的球体的一部分。设置配置使得第一部分110实质上位于第二部分120的凸表面120A的核心中心(即，第二部分120的凸表面120A的核心中心实质上是凸面120A的所属的球体的核心中心。)

除了在部件100中布置第一部分110和第二部分120，如图5A和5B所示，其他布置也是可能的。例如，第一部分110可以在第二部分120的表面上，只要第一部分仍然是小球体，实质上位于第二部分120的凸表面120A的核心中心。

在一些实施例中，记录下的附着在测量件上的跟踪工具的数据可以表示为4×4矩阵Bi；记录下的附着在所述组件上的跟踪工具的数据可以表示为4×4矩阵Ai，如图4所示；基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架，附着在测量件上的跟踪工具的姿态可以表示为4×4矩阵C_i，满足关系：

C_i＝A_i ^-1*B_i (1)，

4x4变换矩阵A_i、B_i和C_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i个位置，i>＝2；

在附接在组件上的跟踪工具的坐标框架中，测量件的凹形测量表面的中心的不变位置可以由XS，YS，ZS表示，满足关系：

XS＝XBi+XO*C_i(1，1)+YO*C_i(2，1)+ZO*C_i(3，1)

YS＝YBi+XO*C_i(1，2)+YO*C_i(2，2)+ZO*Ci(3，2) (2)

ZS＝ZBi+XO*C_i(1，3)+YO*C_i(2，3)+ZO*C_i(3，3)

XO，YO，ZO是从测量跟踪工具的中心到凹形测量表面的核心中心的偏移距离。Ci(m，n)是矩阵Ci的旋转元素。XBi，YBi，ZBi是矩阵Ci的X，Y，Z位置。在i>＝2的情况下求解至少两组方程(2)，在附着在组件上的跟踪工具坐标框架中，得到凹面测量表面的核心中心或者所述部件中心的测量位置(XS，YS，ZS)。

在一些实施例中，记录下的附着在测量件上的跟踪工具的数据，相对于跟踪***的坐标框架，可以表示为4×4矩阵Bi；记录下的附着在所述组件上的跟踪工具的数据，相对于跟踪***的坐标框架，可以表示为4×4矩阵Ai，如图4所示；

4x4变换矩阵A_i和B_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i个位置，i>＝2；

在跟踪***的坐标框架中，测量件的凹形测量表面的中心的不变位置可以由XS，YS，ZS表示，满足关系：

XS＝XBi+XO*B_i(1，1)+YO*B_i(2，1)+ZO*B_i(3，1)

YS＝YBi+XO*B_i(1，2)+YO*B_i(2，2)+ZO*Bi(3，2)(3).

ZS＝ZBi+XO*B_i(1，3)+YO*B_i(2，3)+ZO*B_i(3，3)

XO，YO，ZO是从测量跟踪工具的中心到凹形测量表面的核心中心的偏移距离。Bi(m，n)是矩阵Bi的旋转元素。XBi，YBi，ZBi是矩阵Bi的X，Y，Z位置。在i>＝2的情况下求解至少两组方程式(3)，在跟踪***坐标框架中，得到凹面测量表面中心或所述部件的中心的测量位置(XS，YS，ZS)。

假设MA是Ai群组的平均值或Ai的其中之一。设AA代表MA的逆矩阵。设(X'S，Y'S，Z'S)表示，在附着在组件上的跟踪工具框架中，凹面测量表面中心或着部件的中心测量位置，(X'S，Y'S，Z'S)可以通过以下公式计算出：

X’S＝XB+XS*AA(1，1)+YS*AA(2，1)+ZS*AA(3，1)

Y’S＝YB+XS*AA(1，2)+YS*AA(2，2)+ZS*AA(3，2)(4).

Z’S＝ZB+XS*AA(1，3)+YS*AA(2，3)+ZS*AA(3，3)

AA(m，n)是矩阵AA的旋转元素。XB，YB，ZB是矩阵AA的X，Y，Z位置。

在一些实施例中，所述位置部件具有凹形测量表面，而所述测量件具有凸形测量表面，两个测量表面无缝配合。

S1.2、方向测量

相对于附着在组件上的跟踪工具1的坐标框架中，测量所述方向部件2的方向的实施例包括：

a)使方向性部件具有部分或全部圆柱形体的测量表面或其它细长的测量表面，包括至少第一个的部分或全圆形横截面，和第二个的部分或全圆形横截面，使得槽杆或细长部件的轴线与方向部件的方向一致；

如图6所示，部件100具有凸起的测量表面100A，圆柱形部件的半径为r1，槽杆的凸起测量表面的轴线为AX。

在一些实施例中，第一和第二横截面具有不同的半径，而凸槽或细长部件的轴线仍然与方向部件的方向一致；

b)提供具有凹槽或部分或全圆柱形腔体测量面的测量件，包括至少两个凹形的部分或全圆形横截面，与定向部件的凸测量表面实质上相配合；

c)将至少用于方向跟踪的跟踪工具刚性地附着到所述测量件上；

如图7所示，测量件211具有凹形测量表面211B。跟踪工具221附接在测量件211上。凹形测量表面211B具有半径r2，其与部件100中的圆柱形凸表面的半径r1实质上相同。

d)保持所述测量件的凹面测量面无缝接触所述部件的凸面测量面，使凹面测量面的轴线方向不变，同时使测量件在不同的旋转角度下旋转；应用跟踪***，基于跟踪***的坐标框架同时记录下附着在测量件上的跟踪工具的至少两个不同旋转角度的方向数据，和附着在所述组件上的跟踪工具的方向和位置数据；

如图8所示，同时记录下附着在测量件211上的跟踪工具221的方向数据，和安装在组件6上的跟踪工具1的方向和位置数据，同时保持测量件的凹形测量表面211B无缝地接触部件100的凸起测量表面，并以不同的旋转角度旋转测量件211。发射器3配置为产生电磁场。

e)利用所述步骤d中记录的数据，计算得出，基于附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架的，测量件的凹形测量面的轴或部件的轴的不变方向。

在一些实施例中，所述方向部件包括第一部分和第二部分。第一部分具有细长形状，并且布置成使其轴线与方向部件的轴线一致；第二部分位于部件的外层，并且布置成使得第二部分的轴线也实质上与第一部分的轴线一致；并且第一部分和第二部分具有不同材料成分，能够通过诊断成像扫描仪，产生互相比较起来相对弱或强的信号，因此，在扫描成像中，所述部件的第一部分的图像方向，可以通过区分显示的线条容易和准确地确定和测量。

图9示出了含有两部分成分的所述部件。如图所示，部件100具有分部分110和分部分120。第一部分110具有细长形状并且布置成使得其轴线与方向部件的轴线一致。第二部分120位于细长部件100的外层，并且布置成使得第二部分120的轴线也实质上与第一部分110的轴线方向一致。

在一些实施例中，基于跟踪***的坐标框架，附着在测量件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵B_i；基于跟踪***的坐标框架，附着在所述组件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵A，如图8所示。

4x4变换矩阵Ai和Bi的形式如下：

R是3x3旋转矩阵。x，y，z是分量位置。i代表第i个位置,i>＝2；

在跟踪***框架中，测量件凹面测量面的轴的未改变方向可用δx、δy、δz表示，满足关系：

δx＝X_off*B_i(1，1)+Y_off*B_i(2，1)+Z_off*B_i(3，1)

δy＝X_off*B_i(1，2)+Y_off*B_i(2，2)+Z_off*Bi(3，2) (5).

δz＝X_off*B_i(1，3)+Y_off*B_i(2，3)+Z_off*B_i(3，3)

X_off，Y_off，Z_off是附着在测量件上的跟踪工具的方向与测量件的凹形测量表面的轴线方向之间的分量方向偏移/校准参数，B_i(m，n)是矩阵B_i的旋转元素，用i>＝2求解至少两组方程(5)，得到在跟踪***框架中，测量件凹面测量面的轴的测量方向(δx，δy，δz)；

假设MA是Ai群组的平均值或Ai其中之一。设AA代表MA的逆矩阵。令(δ’x，δ’y，δ’z)表示在装配在所述组件上的跟踪工具的框架中，测量件的凹面测量表面的轴，或者所述方向部件的轴的测量方向，通过以下方式计算(δ’x，δ’y，δ’z)：

δ’x＝δx*AA(1，1)+δy*AA(2，1)+δz*AA(3，1)

δ’y＝δx*AA(1，2)+δy*AA(2，2)+δz*AA(3，2) (6)，

δ’z＝δx*AA(1，3)+δy*AA(2，3)+δz*AA(3，3)

其中AA(m，n)是矩阵AA的旋转元素。

在一些实施例中，附着在测量件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵B_i；附着在组件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵A_i，如图；附着在测量件上的跟踪工具的姿态，以在附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中，可以表示为4×4矩阵C_i，满足关系：

C_i＝A_i ^-1*B_i (7)，

4×4变换矩阵Ai，Bi和Ci的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i个位置，i>＝2；

在附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中,测量件的凹面测量表面的轴线或所述部件的轴线的不变方向可以用(δ’x，δ’y，δ’z)表示，满足关系：

δ’x＝X_off*C_i(1，1)+Y_off*C_i(2，1)+Z_off*C_i(3，1)

δ’y＝X_off*C_i(1，2)+Y_off*C_i(2，2)+Z_off*C_i(3，2) (8).

δz＝X_off*C_i(1，3)+Y_off*C_i(2，3)+Z_off*C_i(3，3)

X_off，Y_off，Z_off是附着在测量件上的跟踪工具的方向和测量件的凹形测量表面的轴线方向之间的分量方向偏移/校准参数；C_i(m，n)是矩阵C_i的旋转元素，求解至少两组方程(12)，其中i>＝2，以获得测量件凹形测量表面的轴或所述方向部件的轴的测量方向，该方向是基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中的。

在一些实施例中，所述方向部件具有凹形槽或部分或全圆柱形腔体测量表面，而所述测量件具有部分或全部圆柱形凸形槽的测量表面，两个测量表面无缝配合。

S2、用跟踪工具注册

在外科手术之前，准备注册组件6的工作不涉及患者或外科医生，通过测量，相对于跟踪工具1'的坐标框架的部件2的三维物理空间的固定位置和可用方向是可知的。注册跟踪工具1是可移除的。

当开始外科手术时，将注册组件6刚性地附接在患者身上，使得注册组件6与患者(更具体地，是患者体中于手术相关的区域)之间的相对位置和方向是固定的。然后将注册组件6和患者一起带入扫描机，获得包括患者和部件2的图像，并通过一些成像处理获得部件2的位置和可用方向。

在一些实施例中，部件2包括至少四个非共平面位置。物理空间中部件2的位置可以表示为OBJECTWi(x，y，z)，并且其在图像空间中的位置可以表示为OBJECTMi(x，y，z)，其中i>＝4。

利用已知的OBJECTM和OBJECTW，可以通过以下等式计算变换T.

OBJECTM1_i ^T＝T*OBJECTW1_i ^T (9)，

其中T是4×4矩阵，OBJECTM1i^T是(x，y，z，1)或(OBJECTMi，1)的转置矩阵，OBJECTW1i^T是(x，y，z，1)或(OBJECTWi，1)的转置矩阵。i代表i>＝4的第i个位置。

存在至少四个等式(9)s，其中i>＝4。通过求解联立方程(9)s，可以得到T.在该步骤，不需要注册跟踪工具1和相对参考跟踪工具4的位置和方向参数。

在一些实施例中，对象2包括至少一个位置(x，y，z)和至少三个正交方向A，B和C。变换表示为T，满足关系：

OBJECTM2_i＝T*OBJECTW2_i (10)，

其中，

OBJECTM2_i是4x4矩阵，如下：

(Ax^M，Ay^M，Az^M)是图像空间中方向A的x，y，z余弦分量；(Bx^M By^M Bz^M)是图像空间中方向B的x，y，z余弦分量；(Cx^M Cy^M Cz^M)是图像空间中方向C的x，y，z余弦分量。x^M，y^M和z^M是图像空间中的位置分量。

OBJECTW2_i是4x4矩阵，如下：

(Ax^w Ay^w Az^w)是物理空间中方向A的x，y，z余弦分量；(Bx^W By^W Bz^W)是物理空间中方向B的x，y，z余弦分量；((Cx^W Cy^W Cz^W)是物理空间中方向C的x，y，z余弦分量。x^W，y^W和z^W是物理空间中的位置分量。这里在物理空间中的位置和方向，是在附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中。i表示部件2的第i个位置/方向，i>＝1。

4×4变换矩阵T的形式如下：

R是3x3旋转矩阵，x，y，z是分量的平移。

通过针对至少一个位置(x，y，z)和至少三个正交方向A、B和C，求解至少一个等式(10)来获得T.

R也可以通过求解以下等式获得：

M*R＝W (11)，

其中M是3×3矩阵并且如下：

W是3×3矩阵，如下：

在该步骤，不需要注册跟踪工具1和相对参考跟踪工具4的位置和方向参数。

以下步骤与定时和定位有关，并且被认为是登记时间，其中相对参考跟踪工具4被激活地放置在患者人体上或内部，并且注册跟踪工具1被激活地附着在组件6的原始位置，其中部件2的三维物理空间的位置和可用方向，通过先前相对于注册跟踪工具1的测量而已知。词“激活地”表示跟踪工具(1或4))关联到跟踪***，并获得其六个自由度地位置和方向参数。

相对参考跟踪工具4在所述登记时间期间，和在稍后外科手术期间，都固定地附接在患者上或患者体内。同时保持注册组件6在其原始位置，即是在成像扫描期间的位置(换句话说，保持注册组件6和患者之间的相对位置和方向保持固定)。记录相对于跟踪***的坐标框架的、注册跟踪工具1和相关参考跟踪工具4的六个自由度的位置和方向参数，分别由4×4变换矩阵B和4×4变换矩阵A表示，如图1所示。4x4变换矩阵A和B的形式如下：

R是3x3旋转矩阵。x，y，z是跟踪工具在跟踪***框架中的位置的坐标。

相对于跟踪工具1的坐标框架，相对参考跟踪工具4的六自由度的位置和方向参数可以进一步表示为：

C ＝ B^-1 * A (12)，

其中B^-1是注册跟踪工具1的矩阵B的逆矩阵，C是4×4矩阵。然后可以定义和计算新TT：

TT ＝ T * C ＝ T * B^-1 * A (13)，

其中TT是恒定的4×4矩阵，被视为已经登记的变换矩阵，反映了患者物理空间与扫描图像空间之间的特定关系。已登记的变换矩阵TT，把相对参考跟踪工具4，从其关于跟踪***的坐标框架的姿态变换到图像空间。在登记时间期间，矩阵TT表示的特定关系被锁定和计算。

在所述的登记时间期间锁定了若干因素。第一个是相对参考跟踪工具4固定地附接在患者上或患者体内(更具体地，在患者的做手术的感兴趣区域)。换句话说，在登记时间期间(以及在后面的外科手术过程中)，相对参考跟踪工具4和患者的感兴趣区域之间的相对位置和方向是固定的。尽管相对参考跟踪工具4的放置相对于患者是固定的，但是相对参考跟踪工具4是可移除的并且可以在移除之后返转回其原始位置。锁定的第二因素是注册跟踪工具1在其原始位置固定地放置在注册组件6上，其中相对于注册跟踪工具1，部件2的三维物理空间位置和可用方向是事先测量过的。第三锁定因素是注册组件6在成像扫描期间处于其原始位置，其中注册组件6和患者之间的相对位置和方向是固定的。第四个锁定因素是患者实施外科手术的感兴趣区域，注册跟踪工具1和相对参考跟踪工具4之间的姿态关系是刚性的。换句话说，在患者的外科手术的感兴趣区域，注册跟踪工具1和相对参考跟踪工具4之间，没有相对的位置和方向变化。

在确定了登记变换矩阵之后，手术导航***将开始工作以辅助外科手术，同时具有注册跟踪工具1的注册组件6不一定保留存在或者说可以从患者移开。手术器械(针，超声探针)可以用所附着的跟踪工具7被跟踪，如图10所示。手术器械的姿态可以使用跟踪工具7的姿态来表示。例如，在针类仪器的尖端和跟踪工具7的原点零位置之间进行校准之后，通过跟踪工具7就可知道针类仪器的尖端。跟踪工具7的姿态通过跟踪***获得，并且以跟踪***的坐标框架表达为4×4变换矩阵D。其相对于仍附着在患者人体表面上或内部的相对参考跟踪工具4的坐标框架的姿态，可表示为E^-1*D，其中相对参考跟踪工具4的姿态，相对于跟踪***的坐标框架，表示为4×4矩阵E。4x4变换矩阵D和E的形式如下：

R是3x3旋转矩阵。x，y，z是跟踪工具在跟踪***框架中的位置的坐标。

应注意，矩阵E不一定与矩阵A相同，因为患者身体可能从其原始位置移动。由于已经确定了登记变换矩阵TT，因此可以进一步表示从物理空间转换到图像空间中的跟踪工具7的姿态如下：

F＝TT*E^-1*D

或者F＝T*B^-1*A*E^-1*D (14).

如果跟踪工具7，关于跟踪***的坐标框架的位置，由OBJECTW(x，y，z)表示的，是来自D的第四列，则由OBJECTM(x，y，z)表示的图像空间中的位置可以从F的第四列获得。如果跟踪工具7仅具有三个位置数据而不是包括旋转信息的六自由度数据，则其对应的图像位置可以通过等式(14)计算。

类似地，如果跟踪工具7仅具有方向数据而不是位置数据，则通过考虑矩阵的前三行和前三列，也可以通过等式(14)计算其在图像空间中的对应方向。

图11A和图11B示出了物理空间和图像空间中注册位置和方向的实施例的流程图。

在一些实施例中，所述具有六个自由度的位置和方向的跟踪工具由多个具有小于六个自由度的跟踪工具组成。

在一些实施例中，可以从两个正交方向推导出第三正交方向。

还有一些其他实施例。例如，存在多于一个的所述组件和/或存在多于一个的可移除地附接着所述组件上的跟踪工具。在一些实施例中，在患者人体上或患者体内存在多于一个的相对参考跟踪工具。在一些实施例中，人体上或人体中的相对跟踪工具与附接在组件上的跟踪工具组合。集成的更多组件可以更精准地进行注册和导航。

以下描述，本公开的测量与注册方法所具有的明显优点。

由于注册组件6包括了用于登记的、已知位置和可用方向的所述部件，因此医生不需要处理每个部件以进行登记。例如，现有方法的登记任务可以是将每个部件附着到患者，获得其物理空间位置，并将其逐个映射到其对应的图像。本公开的注册方法避免了这样的任务。

使用一种测量件以简单的方式测量所述组件上的部件的位置和可用方向。对于附着在其上的跟踪工具，测量件的尖端或方向不需要校准。根据本发明，测量件可以直接测量组件上部件的位置和可用方向，而无需事先校准。

方便成像扫描。无需扫描跟踪工具。只需要扫描组件6和患者人体。在成像扫描期间不需要扫描计划附着在组件上的跟踪工具。在成像扫描期间不需要扫描计划放置在患者人体的相对跟踪工具。这是进行MR成像扫描时的一个重要优势。一些跟踪工具有金属组件。而进行MR成像扫描时建议不要使用金属。

相对跟踪工具4可以自由且独立地放置在患者的表面上或患者体内，而不考虑组件6和附接的跟踪工具1的放置。在登记时间，记录下相对跟踪工具4和附接在组件6上的跟踪工具1的姿态参数之后，只要相对参考跟踪工具4的原始位置仍然是保持的，就允许患者移动到不同的床或去往不同的手术室。在一些实施例中，存在固定地附接在患者身上的小底座/支架，以允许相对参考跟踪工具4放回底座/支架到其原始位置。当患者保持将小底座/支架固定在人体上，患者就可以移动。在一些实施例中，在患者身上用位置笔做标记，以使相对参考跟踪工具4放回其原始位置。

由于参考系基于患者(在患者人体的表面上或患者体内的一些解剖器官)，当患者/一些器官移动时，图像导航显示的、患者和手术器械的相对位置和方向仍将正确符合一致。在一些实施例中，相对参考跟踪工具4或其支架可以***患者的器官中。如果由于呼吸或其他原因器官移动，图像显示的导航将不会受到影响并且仍然是正确的。相对参考跟踪工具4及其支架可以足够小，以便仅附着在患者身上或***患者体内。

注册配准简单快捷。只需将相对参考跟踪工具4附着到患者，并通过跟踪***记录瞬时的相对参考跟踪工具4和注册跟踪工具1的六个自由度的姿态参数。在一些实施例中，外科医生只需按一下按钮即可。在记录下姿态参数之后，注册组件6可以与患者分离。

跟踪***可以采用一种或多种不同类型的定位方法和设备，例如电磁跟踪***，光学跟踪***，射频(RF)跟踪***，超声跟踪***等。

以上提供的实施例说明是为了描述和示例的目。其并非旨在穷举或限制本发明。特定实施例的各个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且可以在所选实施例中使用，即使没有特别具体示出或描述。同样也可以以多种方式变化。这些变化不应视为脱离本发明，并且所有这些修改确定为包括在本发明的范围内。

本领域普通技术人员将认识到，本公开中描述的功能块、方法、单元、设备和***可以被集成或划分为***、单元、设备和功能块的不同组合。可以使用任何合适的编程语言和编程技术来实现特定实施例的例程。可以采用不同的编程技术，例如程序或面向对象。例程可以在单个处理器或多个处理器上执行。尽管可以以特定顺序呈现步骤，操作或计算，但是可以在不同的特定实施例中改变顺序。在一些特定实施例中，在本公开中示出为按顺序执行的多个步骤，也可以同时执行。

在一些实施例中，提供软件或程序代码以实现上述方法。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种把物理空间与图像空间的位置及方向进行测量和注册的方法，该方法包括：

a)提供含有具有六个自由度的位置和方向的部件的组件以及跟踪工具，其中：

所述组件包括：至少四个非共面的位置部件，或包括至少一个位置部件和至少三个正交的方向部件；其中，位置部件在物理空间中具有唯一的三维位置，方向部件在物理空间中具有唯一的方向；

所有部件都刚性地放在所述组件中；

所述跟踪工具可拆卸地刚性地固定在所述组件上，使得所述部件与所述跟踪工具的位置和方向相对地互相固定；

根据所述跟踪工具的坐标框架测量所述部件的物理空间的三维位置和可用方向；并且

可以用成像***扫描所述部件，并且可以在扫描的图像空间中获得它们的三维位置和可用方向；

b)将所述组件牢固地放置在一个物体上并用成像***进行成像扫描；并且通过扫描的图像，获得所述扫描图像空间中所述部件的三维位置和可用方向；

c)基于在步骤a)中关于所述跟踪工具的坐标框架所测量得到的物理空间中的部件的位置和可用方向，以及在步骤b)中所获得的图像空间中的部件的位置和可用方向，计算得到将位置和方向从物理空间转换到图像空间的变换；

d)在人体上放置一个六个自由度的相对跟踪工具；

使用跟踪***，在登记时间同时记录下基于跟踪***的坐标框架的，相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；

e)在被跟踪仪器上放置跟踪工具以跟踪该仪器的姿态；

使用跟踪***，在后登记时间，同时记录下基于跟踪***的坐标框架的，安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向数据，以及相对跟踪工具的六个自由度的方向和位置数据；

f)联合在步骤c)中获得的变换，在步骤d)中的登记时间记录下的相对跟踪工具和安装在组件上的跟踪工具的数据和在步骤e)中的后登记时间记录下相对跟踪工具和安装在仪器上的跟踪工具的数据，以计算转换后的、在图像空间中的安装在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变换表示为T，满足以下关系：

OBJECTM1_i ^T＝ T * OBJECTW1_i ^T (1)；

其中

OBJECTM1_i ^T是OBJECTM1_i的转置矩阵，OBJECTM1_i代表(x，y，x，1)，其中(x，y，z)表示图像空间中的位置；OBJECTW1_i ^T是OBJECTW1_i的转置矩阵，OBJECTW1_i代表(x，y，z，1)，其中(x，y，z)表示跟踪工具框架中的物理空间中的位置，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置，i≥4；4x4变换矩阵T的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z分别是坐标的平移；

通过求解至少4个非共平面位置的至少四个关系(1)的联立方程来计算出T。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变换表示为T，满足以下关系：

OBJECTM2_i ＝ T * OBJECTW2_i (2)

其中

OBJECTM2_i是4x4矩阵，如下：

(Ax^M，Ay^M，Az^M)是图像空间中方向A的x，y，z余弦分量；(Bx^M By^M Bz^M)是图像空间中方向B的x，y，z余弦分量；(Cx^M Cy^M Cz^M)是图像空间中方向C的x，y，z余弦分量，x，y和z是图像空间中的位置分量；

OBJECTW2_i是4x4矩阵，如下：

(Ax^W Ay^W Az^W)是物理空间中方向A的x，y，z余弦分量；(Bx^W By^W Bz^W)是物理空间中方向B的x，y，z余弦分量；(Cx^W Cy^W Cz^W)是物理空间中方向C的x，y，z余弦分量,x，y和z是物理空间中的位置分量；其中，物理空间中的位置和方向是基于跟踪工具的坐标框架中，该跟踪工具可拆卸且刚性地安装在所述组件上；i表示所述部件的第i个位置,i≥1；

4x4变换矩阵T的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵且x，y，z是平移分量；

通过求解至少一个等式(2)，包含至少一个位置(x，y，z)和三个正交方向A、B、C来获得T；

通过求解下面的等式也可以得到R：

M*R＝W (3)，

其中M是如下3×3矩阵：

W是如下3x3矩阵：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述登记时间期间，记录下的所述组件上附着的所述跟踪工具和所述相对跟踪工具的位置和方向可分别表示为4×4矩阵B和A；在所述后登记时间期间，记录下的附着在仪器上的跟踪工具的位置和可用方向可表示为4×4矩阵D；在所述后登记时间期间，记录下的相对跟踪工具的位置和方向可以表示为4×4矩阵E；在仪器上附着的跟踪工具的、从物理空间中转换而来的图像空间中的位置和可用方向可以表示为4x4矩阵F，它满足以下关系：

F＝ T * B^-1 * A* E^-1 * D (4)，

其中T是将位置和方向从物理空间转换为图像空间所计算得出的变换；4x4变换矩阵T的形式如下：

R是3x3旋转矩阵，且x、y、z是坐标的平移；

所述B，A，E，D和F的4×4矩阵如下：

R是3x3旋转矩阵，x、y、z是分量位置；

可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪***的坐标框架在物理空间中的位置数据(x，y，z),计算其对应的在图像空间中的位置；可以通过等式(4)，利用仪器跟踪工具相对于跟踪***的坐标框架在物理空间中的方向数据,计算其对应的在图像空间中的方向。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，存在多于一个的所述组件和/或存在多于一个的可移除地附接着所述组件上的跟踪工具，和/或在所述人体上存在多于一个的相对跟踪工具，以及/或在人体上的相对跟踪工具与附着在所述组件上的跟踪工具相组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有六个自由度的位置和方向的跟踪工具由多个具有小于六个自由度的跟踪工具组成。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三正交方向可从两个正交方向推导出。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪***是电磁跟踪***或光学跟踪***。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于附着在所述组件上的所述跟踪工具的坐标框架，测量所述组件中包括的所述位置部件的位置的方法包括以下步骤：

a、使所述部件具有球体一部分或全部的凸起测量表面，使得所述凸起测量表面的中心实质上对应于待测部件的位置；

b、提供具有与所述部件的凸形测量表面实质配合的凹形测量表面的测量件；

c、刚性地固定一个六个自由度的跟踪工具于所述测量件上；

d、保持所述测量件的凹面测量面无缝接触所述部件的凸面测量面，使凹面测量面的中心不变，同时将测量件移动到不同位置；应用跟踪***，基于跟踪***的坐标框架，记录下附着在测量件上的跟踪工具的至少两个不同位置的方向和位置数据，同时，基于跟踪***的坐标框架，记录下附着在所述组件上的跟踪工具的方向和位置数据；

e、利用所述步骤d中的记录的数据，进行计算得出，基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架的，测量件的凹形测量表面的中心的未改变位置或者对应的所述部件的未改变位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述部件包括第一部分和第二部分；所述第一部分具有球形，并且实质位于球形部件的核心中心；第二部分位于球形部件的外层，并且布置成使得第二部分的核中心也实质上与第一部分的核中心重合；并且第一部分和第二部分具有不同材料成分，能够通过诊断成像扫描仪，产生互相比较起来相对弱或强的信号，因此，在扫描成像中，所述部件的第一部分的中心的图像位置，可以通过区分显示的斑点容易和准确地确定和测量。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，记录下的附着在测量件上的跟踪工具的数据可以表示为4×4矩阵Bi；记录下的附着在所述组件上的跟踪工具的数据可以表示为4×4矩阵Ai；基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架，附着在测量件上的跟踪工具的姿态可以表示为4×4矩阵C_i，满足关系：

C_i＝A_i ^-1*B_i (5)，

4x4变换矩阵A_i、B_i和C_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i位置，i>＝2；

基于附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架，测量件的凹面测量表面中心的不变位置可用XS，YS，ZS表示，满足关系：

XS＝XBi+X_O*C_i(1，1)+Y_O*C_i(2，1)+Z_O*C_i(3，1)

YS ＝ YBi + X_O * C_i(1， 2) + Y_O * C_i(2， 2) + Z_O * C_i(3， 2) (6)；

ZS＝ZBi+X_O*C_i(1，3)+Y_O*C_i(2，3)+Z_O*C_i(3，3)

X_O，Y_O，Z_O是从测量跟踪工具的中心到凹面测量表面的核心中心的偏移距离；C_i(m，n)是矩阵C_i的旋转元素，XB_i，YB_i，ZB_i是矩阵C_i的X，Y，Z位置；用i>＝2求解至少两组方程(6)，得到凹面测量面的核中心或所述部件的中心的测量位置(XS，YS，ZS)，该位置是基于附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架的。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，记录下的、基于跟踪***坐标框架的、附着在测量件上的跟踪工具的数据，可以表示为4×4矩阵B_i；记录下的、基于跟踪***坐标框架的、附着在所述组件上的跟踪工具的数据，可以表示为4×4矩阵A_i；

4x4变换矩阵A_i和B_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i位置，i>＝2；

基于跟踪***坐标框架，测量件的凹面测量面中心不变的位置，可以用X_S，Y_S，Z_S表示，满足关系：

X_S＝XBi+XO*B_i(1，1)+YO*B_i(2，1)+ZO*B_i(3，1)

Y_S ＝ YBi + XO * B_i(1， 2) + YO * B_i(2， 2) + ZO * B_i(3， 2) (7)；

Z_S＝ZBi+XO*B_i(1，3)+YO*B_i(2，3)+ZO*B_i(3，3)

XO，YO，ZO是从测量跟踪工具的中心到凹面测量表面的核心中心的偏移距离；B_i(m，n)是矩阵B_i的旋转元素，XB_i，YB_i，ZB_i是矩阵B_i的X，Y，Z位置，在i>＝2的情况下求解至少两组方程(7)，得到凹面测量面中心或所述部件中心的测量位置(XS，YS，ZS)，该位置基于跟踪***坐标框架；

让AA表示群组A_i的平均值的逆矩阵或者其中一个A_i的逆矩阵，并且(X'_S，Y'_S，Z'_S)表示凹面测量表面的中心或所述部件中心，在附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架中的测量位置；获得(X'_S，Y'_S，Z'_S)基于：

X’_S＝XB+X_S*AA(1，1)+Y_S*AA(2，1)+Z_S*AA(3，1)

Y’_S ＝ YB + X_S * AA(1，2) + Y_S * AA(2， 2) + Z_S * AA(3， 2) (8)；

Z’_S＝ZB+X_S*AA(1，3)+Y_S*AA(2，3)+Z_S*AA(3，3)；

AA(m，n)是矩阵AA的旋转元素，X_B，Y_B，Z_B是矩阵AA的X，Y，Z位置。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于附着在所述组件上的所述跟踪工具的坐标框架，测量所述组件中包括的所述方向部件的方向的方法包括以下步骤：

a、使方向性部件具有部分或全部圆柱形体的测量表面或其它细长的测量表面，包括至少第一个的部分或全圆形横截面，和第二个的部分或全圆形横截面，使得槽杆或细长部件的轴线与方向部件的方向一致；

b、提供具有凹槽或部分或全圆柱形腔体测量面的测量件，包括至少两个凹形的部分或全圆形横截面，与定向部件的凸测量表面实质上相配合；

c、将至少用于方向跟踪的跟踪工具刚性地附着到所述测量件上；

d、保持所述测量件的凹面测量面无缝接触所述部件的凸面测量面，使凹面测量面的轴线方向不变，同时使测量件在不同的旋转角度下旋转；应用跟踪***，基于跟踪***的坐标框架同时记录下附着在测量件上的跟踪工具的至少两个不同旋转角度的方向数据，和附着在所述组件上的跟踪工具的方向和位置数据；

e、利用所述步骤d中记录的数据，计算得出，基于附着在所述组件上的跟踪工具的坐标框架的，测量件的凹形测量面的轴或部件的轴的不变方向。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方向部件包括第一部分和第二部分；第一部分具有细长形状，并且布置成使其轴线与方向部件的轴线一致；第二部分位于部件的外层，并且布置成使得第二部分的轴线也实质上与第一部分的轴线一致；并且第一部分和第二部分具有不同材料成分，能够通过诊断成像扫描仪，产生互相比较起来相对弱或强的信号，因此，在扫描成像中，所述部件的第一部分的图像方向，可以通过区分显示的线条容易和准确地确定和测量。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，基于跟踪***的坐标框架，附着在测量件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵B_i；基于跟踪***的坐标框架，附着在所述组件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵A_i；

其中4×4变换矩阵A_i和B_i的形式如下：

R是3x3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i个位置,i>＝2；

在跟踪***框架中，测量件凹面测量面的轴的未改变方向可用δx、δy、δz表示，满足关系：

δx＝X_off*B_i(1，1)+Y_off*B_i(2，1)+Z_off*B_i(3，1)

δy＝X_off*B_i(1，2)+Y_off*B_i(2，2)+Z_off*B_i(3，2) (9)；

δz＝X_off*B_i(1，3)+Y_off*B_i(2，3)+Z_off*B_i(3，3)

X_off，Y_off，Z_off是附着在测量件上的跟踪工具的方向与测量件的凹形测量表面的轴线方向之间的分量方向偏移/校准参数，B_i(m，n)是矩阵B_i的旋转元素，用i>＝2求解至少两组方程(9)，得到在跟踪***框架中，测量件凹面测量面的轴的测量方向(δx，δy，δz)；

让AA表示其中一个A_i的逆矩阵或群组A_i的平均值的逆矩阵，(δ’x，δ’y，δ’z)表示在装配在所述组件上的跟踪工具的框架中，测量件的凹面测量表面的轴的或者所述方向部件的轴的测量方向，计算(δ’x，δ’y，δ’z)基于：

δ’x＝δx*AA(1，1)+δy*AA(2，1)+δz*AA(3，1)

δ’y＝δx*AA(1，2)+δy*AA(2，2)+δz*AA(3，2) (10)，

δ’z＝δx*AA(1，3)+δy*AA(2，3)+δz*AA(3，3)

其中AA(m，n)是矩阵AA的旋转元素。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，附着在测量件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵B_i；附着在组件上的跟踪工具的记录数据可以表示为4×4矩阵A_i；附着在测量件上的跟踪工具的姿态，以在附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中，可以表示为4×4矩阵C_i，满足关系：

C_i＝A_i ^-1*B_i (11)，

4x4变换矩阵A_i，B_i和C_i的形式如下：

其中R是3×3旋转矩阵，x，y，z是分量位置，i代表第i个位置，i>＝2；

在附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中,测量件的凹面测量表面的轴线或所述部件的轴线的方向可以用(δ’x，δ’y，δ’z)表示，满足关系：

δ’x＝X_off*C_i(1，1)+Y_off*C_i(2，1)+Z_off*C_i(3，1)

δ’y＝X_off*C_i(1，2)+Y_off*C_i(2，2)+Z_off*C_i(3，2) (12)

δ’z＝X_off*C_i(1，3)+Y_off*C_i(2，3)+Z_off*C_i(3，3)

X_off，Y_off，Z_off是附着在测量件上的跟踪工具的方向和测量件的凹形测量表面的轴线方向之间的分量方向偏移/校准参数；C_i(m，n)是矩阵C_i的旋转元素，求解至少两组方程(12)，其中i>＝2，以获得测量件凹形测量表面的轴或所述方向部件的轴的测量方向，该方向是基于附着在组件上的跟踪工具的坐标框架中的。