The invention relates to a navigation system comprising an optical sensor and a non-optical sensor. A system and method for determining the position and/or direction of an object using optical and non-optical sensors. Navigation systems include optical sensors for receiving optical signals from markers and non-optical sensors for generating non-optical data, such as gyroscopes. The navigation computer determines the position and/or direction of the object based on optical and non-optical data.
【技术实现步骤摘要】
包括光学传感器和非光学传感器的导航系统本申请是申请日为2013年9月25日、申请号为201380050199.2，专利技术名称为“包括光学传感器和非光学传感器的导航系统”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请本申请要求2012年9月26日提交的美国临时专利申请No.61/705,804和2013年9月24日提交的美国非临时申请No.14/035207的优先权和权益，所述专利申请的全部内容通过引用合并于此。
本专利技术通常涉及导航系统，所述导航系统通过确定对象的位置和/或方向随时间的变化来在空间中跟踪这样的对象。更具体地说，本专利技术涉及利用光学传感器和非光学传感器确定对象的位置和/或方向的导航系统。
技术介绍
导航系统辅助用户精确地定位对象。例如，导航系统用于工业、航空航天、防卫和医疗应用。在医疗领域中，导航系统辅助外科医生相对于患者的解剖结构精确地放置外科器械。使用导航系统的外科手术包括神经外科手术和整形外科手术。通常，跟踪器械和解剖结构，连同一起在显示器上显示它们的相对运动。导航系统可以结合解剖结构的手术前图像或者手术中图像显示器械移动。通常手术前图像由MRI...
【技术保护点】
1.一种导航系统，包括：定位器；跟踪器，用于与所述定位器进行通信并且包括非光学传感器和三个标志器；以及计算系统，具有至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：基于光学信号和非光学信号确定所述标志器中的每一个在第一坐标系中的位置，确定虚拟点在所述第一坐标系中的位置，以及将所述标志器和所述虚拟点在所述第一坐标系中的所述位置与所述标志器和所述虚拟点在相对于第二坐标系建立的所述跟踪器的模型中的位置匹配，以获得将所述第二坐标系变换为所述第一坐标系的变换矩阵。
【技术特征摘要】
2012.09.26 US 61/705,804;2013.09.24 US 14/035,2071.一种导航系统，包括：定位器；跟踪器，用于与所述定位器进行通信并且包括非光学传感器和三个标志器；以及计算系统，具有至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：基于光学信号和非光学信号确定所述标志器中的每一个在第一坐标系中的位置，确定虚拟点在所述第一坐标系中的位置，以及将所述标志器和所述虚拟点在所述第一坐标系中的所述位置与所述标志器和所述虚拟点在相对于第二坐标系建立的所述跟踪器的模型中的位置匹配，以获得将所述第二坐标系变换为所述第一坐标系的变换矩阵。2.根据权利要求1所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为确定多个所述虚拟点的位置，并匹配所述标志器和所述多个所述虚拟点在所述定位器的所述模型中的所述位置以获得所述变换矩阵。3.根据权利要求2所述的导航系统，其中所述多个所述虚拟点包括沿着所述第二坐标系的x、y、z轴中的每个定位的第一组虚拟点。4.根据权利要求3所述的导航系统，其中所述多个所述虚拟点包括沿着所述第二坐标系的所述x、y、z轴的每个定位的第二组虚拟点，其中所述第二组虚拟点沿着所述x、y、z轴距所述第一组虚拟点定位在所述第二坐标系的原点的相对侧上。5.根据权利要求2所述的导航系统，其中所述多个所述虚拟点在所述跟踪器的所述模型中距所述标志器位于径向向外。6.根据权利要求1所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为使用刚体匹配算法或者点匹配算法将所述标志器和所述虚拟点在所述第一坐标系中的所述位置与所述标志器和所述虚拟点在相对于所述第二坐标系建立的所述跟踪器的模型中的位置匹配。7.根据权利要求1所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为基于所述跟踪器的移动来改变所述虚拟点在所述模型中的所述位置。8.根据权利要求1所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为以至少500Hz的频率确定所述标志器和所述虚拟点的所述位置。9.根据权利要求1所述的导航系统，其中所述第一坐标系还被定义为所述定位器的坐标系以及所述第二坐标系还被定义为所述跟踪器的坐标系。10.根据权利要求1所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为基于来自所述标志器中的第一标志器的第一光学信号确定在第一时间处所述第一标志器的位置。11.根据权利要求10所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为基于所述第一光学信号和来自所述非光学传感器的非光学信号确定在所述第一时间处所述虚拟点和所述标志器中的第二标志器和第三标志器的位置。12.一种使用导航系统跟踪对象的方法，所述导航系统包括定位器、包括非光学传感器和三个标志器的跟踪器以及具有至少一个处理器的计算系统，所述方法包括以下步骤：用所述至少一个处理器基于光学信号和非光学信号确定标志器中的每个在第一坐标系中的位置；用所述至少一个处理器确定虚拟点在第一坐标系中的位置；以及将所述标志器和所述虚拟点在所述第一坐标系中的所述位置与所述标志器和所述虚拟点在相对于第二坐标系建立的所述跟踪器的模型中的位置匹配，以获得将所述第二坐标系变换为所述第一坐标系的变换矩阵。13.根据权利要求12所述的方法，包括确定多个虚拟点的位置，并匹配所述标志器和所述多个虚拟点在所述定位器的模型中的位置以获得所述变换矩阵。14.根据权利要求13所述的方法，包括沿着所述第二坐标系的x、y、z轴中的每个定位所述多个虚拟点。15.根据权利要求14所述的方法，包括在所述跟踪器的模型中距所述标志器径向向外地定位所述多个虚拟点。16.根据权利要求12所述的方法，包括基于所述跟踪器的移动改变所述虚拟点在所述模型中的位置。17.根据权利要求12所述的方法，包括基于来自所述标志器中的第一标志器的第一光学信号确定在第一时间处所述第一标志器的位置。18.根据权利要求17所述的方法，包括基于所述第一光学信号和来自所述非光学传感器的非光学信号确定在所述第一时间处所述虚拟点和所述标志器中的第二标志器和第三标志器的位置。19.一种导航系统，包括：定位器；跟踪器，用于与所述定位器进行通信并且包括非光学传感器和三个标志器；以及计算系统，具有至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：基于光学信号和非光学信号确定所述标志器中的每一个的位置，确定所述标志器中的一个或多个是否被与所述定位器视线阻挡以生成阻挡状态，跟踪阻挡状态的时间，确定与所述一个或多个阻挡的标志器相关联的位置误差公差，基于阻挡状态的时间确定与所述一个或多个阻挡的标志器相关联的位置误差，确定位置误差是否在位置误差公差内，以及如果位置误差超出位置误差公差则将导航系统置于错误状态。20.根据权利要求19所述的导航系统，包括第二非光学传感器，第二非光学传感器与所述至少一个处理器通信，以测量在阻挡状态期间所述跟踪器的加速度。21.根据权利要求20所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为如果由所述第二非光学传感器测量的加速度超过预定的加速度公差则将导航系统置于错误状态。22.根据权利要求19所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为确定在阻挡状态期间与所述一个或多个阻挡的标志器相关联的速度误差。23.根据权利要求22所述的导航系统，其中速度误差根据所述一个或多个阻挡的标志器距所述定位器的距离改变。24.根据权利要求22所述的导航系统，其中所述至少一个处理器被配置为将位置误差计算为速度误差与阻挡状态的时间的乘积，其中位置误差根据速度误差和阻挡状态的时...
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