數(shù)字式紅外手術(shù)導(dǎo)航儀關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、手術(shù)導(dǎo)航儀能夠使外科醫(yī)生實時瀏覽病灶部位的三維解剖結(jié)構(gòu)以及手術(shù)器械所處的位置和方向，規(guī)劃手術(shù)器械進入的路徑，減小手術(shù)創(chuàng)傷，提高手術(shù)精度。手術(shù)導(dǎo)航的出現(xiàn)引發(fā)了手術(shù)方式的革新，因此成為外科領(lǐng)域的一個應(yīng)用和研究熱點。根據(jù)國內(nèi)對手術(shù)導(dǎo)航應(yīng)用和研究的需要，本文在研究手術(shù)導(dǎo)航儀所涉及關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個數(shù)字式紅外手術(shù)導(dǎo)航儀樣機。 為了對手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)航的概念、優(yōu)點和發(fā)展進行了概述，說

2、明研究和開發(fā)手術(shù)導(dǎo)航儀的必要性；根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展差距的對比，以及國內(nèi)醫(yī)療界對手術(shù)導(dǎo)航儀的需求，說明研究和開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)手術(shù)導(dǎo)航儀的緊迫性；在這樣的背景下，根據(jù)目前具備的研究基礎(chǔ)、條件和優(yōu)勢，提出了本文的主要研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)。本文研究的主要內(nèi)容如下： 1.提出了一種基于平面單應(yīng)矩陣中心線的攝像機標(biāo)定方法：目前最具發(fā)展前景的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，其原理是雙目立體視覺。應(yīng)用雙目立體視覺的一個關(guān)鍵步驟是攝像機標(biāo)定，本

3、文在對現(xiàn)有攝像機標(biāo)定方法進行綜述的基礎(chǔ)上，針對這些方法在應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)時遇到的實際問題，提出一種基于平面單應(yīng)矩陣中心線的攝像機標(biāo)定方法，對平面單應(yīng)矩陣中心線的性質(zhì)進行了推導(dǎo)和實驗驗證，對標(biāo)定方法的實施步驟進行了說明，并利用平面單應(yīng)矩陣中心線的性質(zhì)討論了選擇有效標(biāo)定圖像以提高攝像機標(biāo)定精度的問題。 2.提出了一種攝像機鏡頭畸變模型：攝像機鏡頭畸變是影響攝像機標(biāo)定和立體視覺計算精度的一個重要因素，而畸變模型的選擇又是進行畸變校正

4、的一個關(guān)鍵問題。在采用傳統(tǒng)鏡頭畸變模型進行圖像校正時，雖然模型中參數(shù)較多，但相互間不獨立，由于畸變參數(shù)間的耦合，會使優(yōu)化過程收斂到局部最小值，影響手術(shù)導(dǎo)航儀的精度。針對這一不足，在分析鏡頭畸變產(chǎn)生原因和各畸變分量之間相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，本文提出一種新的鏡頭畸變模型，進行了理論分析和實驗驗證。 3.提出了一種攝像機鏡頭畸變參數(shù)的估計方法：根據(jù)手術(shù)導(dǎo)航儀測量體積和測量距離的要求，攝像機應(yīng)采用短焦距廣角鏡頭，因此畸變不容忽略?，F(xiàn)有攝像機

5、標(biāo)定方法缺乏對鏡頭畸變的初值估計，在進行迭代尋優(yōu)的初始化階段假設(shè)鏡頭畸變系數(shù)為零，這樣的假設(shè)對于畸變較大的鏡頭會導(dǎo)致優(yōu)化過程收斂到局部最小值，影響手術(shù)導(dǎo)航儀的精度。針對這一不足，本文提出一種鏡頭畸變初值的估計方法，對方法的原理進行了推導(dǎo)，并通過模擬實驗和真實圖像實驗對方法進行了驗證。 4.提出了一種非平行軸雙目立體視覺的直接計算方法：手術(shù)導(dǎo)航儀中雙目立體視覺系統(tǒng)的兩個攝像機通常采用非平行軸配置，它們的內(nèi)部參數(shù)一般也不相同，因而不

6、能直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)平行軸雙目立體視覺的計算方法?，F(xiàn)有方法分為兩類，一類通過迭代求解兩條投影線在空間的交點，其缺點是需要初值估計，并且會收斂到局部最小值；另一類使左右圖像分別旋轉(zhuǎn)一定角度，將它們校準(zhǔn)到滿足平行軸雙目立體視覺系統(tǒng)的要求，然后調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)算法，其缺點是需要進行圖像的幾何變換，增加運算量，影響手術(shù)導(dǎo)航儀的實時性，并且這類方法沒有考慮噪聲干擾，其重建精度受噪聲的影響較大。針對這兩種方法的不足，本文提出一種非平行軸雙目立體視覺的直接計算方法