虛擬手術(shù)中的運(yùn)動跟蹤自適應(yīng)濾波算法研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、虛擬手術(shù)（virtual surgery）在手術(shù)方案制定、手術(shù)技能訓(xùn)練、手術(shù)引導(dǎo)、人工假體設(shè)計等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，虛擬手術(shù)集成醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、自動控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在計算機(jī)中建立一個虛擬手術(shù)環(huán)境，用戶在該環(huán)境中對虛擬病患實(shí)施手術(shù)過程。人機(jī)交互技術(shù)是研究和開發(fā)虛擬手術(shù)系統(tǒng)的一項(xiàng)重點(diǎn)與難點(diǎn)，交互方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到虛擬手術(shù)系統(tǒng)的成敗。本文就虛擬心臟介入手術(shù)系統(tǒng)的開

2、發(fā)中所涉及的交互技術(shù)展開研究和討論。
　　運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)用于確定物體在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的位置與方向，是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中關(guān)鍵的交互技術(shù)之一。FASTRAK是一種六自由度運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)，利用電磁感應(yīng)原理測量三維空間中運(yùn)動物體的位置與方位，具有快速、精確、易操作的優(yōu)點(diǎn)。在虛擬心臟介入手術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)中，主要的手術(shù)器械是導(dǎo)絲，利用FASTRAK模擬導(dǎo)絲、實(shí)現(xiàn)器械定位與人機(jī)交互，可有效滿足手術(shù)仿真需求，且有利于手術(shù)系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。然而，F(xiàn)ASTRA

3、K基于電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)空間定位，對使用環(huán)境的要求較為嚴(yán)苛，其定位數(shù)據(jù)的精確度和穩(wěn)定性易受周圍環(huán)境的影響。本文分析和研究周圍環(huán)境中主要的噪聲源，并建立了含噪聲信號的數(shù)據(jù)模型。
　　虛擬心臟介入手術(shù)系統(tǒng)中導(dǎo)絲漫游、碰撞檢測等功能模塊對定位數(shù)據(jù)的精確度和穩(wěn)定性要求很高，必須對運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時、精確的濾波校正。由于FASTRAK數(shù)據(jù)受環(huán)境影響很大，運(yùn)動跟蹤濾波是人機(jī)交互的核心問題之一。自適應(yīng)Kalman濾波是一種高效動態(tài)的濾波技術(shù)，

4、可在噪聲統(tǒng)計未知的前提下實(shí)現(xiàn)精確的濾波校正，但前提是含噪聲信號模型內(nèi)僅含高斯白噪聲。為此，本文為運(yùn)動跟蹤系統(tǒng) FASTRAK建立了離散型狀態(tài)方程和觀測方程，并針對定位數(shù)據(jù)中的有色噪聲，提出一種基于小波預(yù)處理的自適應(yīng)Kalman濾波算法，對FASTRAK定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波校正。該算法首先對觀測數(shù)據(jù)做小波分析，用小波閾值去噪法濾除其中的有色信號，然后再進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波，以實(shí)時、精確地遞推估計出狀態(tài)值。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法的去噪性