本发明涉及基于C臂的医学成像系统及匹配2D图像与3D空间的方法。根据本发明的医学成像系统包括:具有X射线源和探测器的C臂;第一板,设置在X射线源与探测器之间的X射线路径上,且具有第一光学标记和其上设置有多个X射线不透明的第一球形标记的第一透射表面;第二板,设置在X射线源与探测器之间的X射线路径上,且具有第二光学标记和其上设置有多个X射线不透明的第二球形标记的第二透射表面;用于提供3D参考坐标系的参考光学标记;用于识别第一和第二光学标记以及参考光学标记的位置的光学跟踪装置;和匹配单元,其允许探测器分别在不同的第一和第二位置处获取对象的第一和第二捕获图像,并基于第一和第二捕获图像上的第一和第二球形标记的位置以及从光学跟踪装置获得的位置信息,计算3D参考坐标系上的坐标与第一和第二捕获图像上的位置之间的匹配关系。本发明可以从最小数量的C臂图像,即,在至少两个位置处获得的C臂图像之间的相关性推导出图像像素与空间坐标之间的匹配关系,从而可以使用最少数量的、未限制位置的C臂图像实现基于空间坐标的外科手术规划和导航功能,而不形成3D体素。