紅外手術導航儀關鍵技術研究.pdf

1、隨著社會的進步和醫(yī)療技術的不斷發(fā)展,外科手術越來越注重精細化和微創(chuàng)化。在計算機、精密制造、醫(yī)學成像、圖像處理等技術飛速發(fā)展的基礎上,計算機輔助手術成為外科手術發(fā)展的必然趨勢。手術導航系統是計算機輔助手術系統的應用,其充當醫(yī)生的眼睛,為醫(yī)生實時顯示手術器械相對于病灶部位解剖結構的位置和方向,可以減少手術創(chuàng)傷,提高手術精度,取得了傳統手術不能達到的效果,成為醫(yī)療行業(yè)的一個熱點和亮點。根據國內對手術導航系統應用和研究的需要,本文在第一代紅外手

2、術導航儀實驗室樣機系統的基礎上,研制了新一代的紅外手術導航儀臨床樣機系統。
　　 為了對手術導航儀有一個全面深入的了解,把握研究的方向,本文首先對手術導航系統的優(yōu)點和發(fā)展進行了概述,說明研究和開發(fā)手術導航儀的必要性；根據國內外技術發(fā)展的對比以及國內醫(yī)療界對手術導航儀的需求,說明研究和開發(fā)具有完全自主知識產權的手術導航儀的緊迫性。在這樣的背景下,根據目前具備的研究基礎、條件和優(yōu)勢,提出了本文的主要研究內容和預期目標。本文研究的主要

3、內容如下:
　　 1)研究了攝像機內參數標定算法。首先不考慮鏡頭畸變,采用同心圓作為標定模板,同心圓模板不僅具有平面模板的優(yōu)點,其制作也容易得多。該方法是完全線性的方法,無需迭代優(yōu)化,并且不需要求取虛圓點,提高了算法的魯棒性?？紤]到徑向畸變的存在,本文采用曲線擬合的方法對畸變參數進行標定。該方法采用的模板是包含直線特征的黑白棋盤格模板,通過證明直線在徑向畸變下的投影為一圓弧,利用圓擬合方法求得圓參數,結合圓參數和徑向畸變參數之間

4、的關系最終標定出畸變參數。該方法避免了迭代算法的復雜性以及陷入局部最優(yōu)值的局限性,簡便有效,并且將徑向畸變參數和其余攝像機內參數的估計分離開來,比較靈活。
　　 2)研究了攝像機外參數標定算法。在假定攝像機內參數已標定的情況下,標定攝像機外部參數包括攝像機坐標系相對于世界坐標系的旋轉矩陣R和平移矢量T,即估計攝像機姿態(tài)。Hartely等人提出了一種最優(yōu)化方法,采用分枝定界法在旋轉空間尋優(yōu),通過解一系列的二階錐規(guī)劃問題得到最優(yōu)解。

5、本文對Hartely等人的方法進行了改進,用平面坐標代替球面坐標表示圖像點,將約束表示成線性規(guī)劃形式,結合分枝定界法和線性規(guī)劃方法求取全局最優(yōu)解,大大提高了算法的速度。與Hartely等人的方法相比,速度快了一倍左右。
　　 3)研究了圓的姿態(tài)重建算法。由于主動手術探針采用紅外二極管作為標志點,為圓形標志點,因此圓特征的姿態(tài)重建技術在紅外手術導航系統中具有重要的意義。本文針對現有算法的不足,提出了一種新的基于圓投影方程的圓姿態(tài)重

6、建算法。本算法是在單目視覺條件下,存在解的二義性,算法精度與傳統算法一致,但是由于其基于矩陣分解,計算復雜度得到了大大的簡化。同時,本文給出了單目圓重建結果二義性的幾何解釋,并分析了圓和球的姿態(tài)重建的聯系和區(qū)別,在理論完備性方面也大大優(yōu)于傳統算法。
　　 4)研制了紅外手術導航儀臨床樣機系統。本文在第一代紅外手術導航儀實驗室樣機系統的基礎上研制了新一代的紅外手術導航儀臨床樣機系統。該樣機硬件系統包括立體視覺定位儀、手術器械和計算