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

1、隨著社會的進步和醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展,外科手術(shù)越來越注重精細(xì)化和微創(chuàng)化。在計算機、精密制造、醫(yī)學(xué)成像、圖像處理等技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上,計算機輔助手術(shù)成為外科手術(shù)發(fā)展的必然趨勢。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用,其充當(dāng)醫(yī)生的眼睛,為醫(yī)生實時顯示手術(shù)器械相對于病灶部位解剖結(jié)構(gòu)的位置和方向,可以減少手術(shù)創(chuàng)傷,提高手術(shù)精度,取得了傳統(tǒng)手術(shù)不能達(dá)到的效果,成為醫(yī)療行業(yè)的一個熱點和亮點。根據(jù)國內(nèi)對手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用和研究的需要,本文在第一代紅外手

2、術(shù)導(dǎo)航儀實驗室樣機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,研制了新一代的紅外手術(shù)導(dǎo)航儀臨床樣機系統(tǒng)。
　　 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)航系統(tǒng)的優(yōu)點和發(fā)展進行了概述,說明研究和開發(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)的手術(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

3、內(nèi)容如下:
　　 1)研究了攝像機內(nèi)參數(shù)標(biāo)定算法。首先不考慮鏡頭畸變,采用同心圓作為標(biāo)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(shù)進行標(biāo)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(shù),結(jié)合圓參數(shù)和徑向畸變參數(shù)之間

4、的關(guān)系最終標(biāo)定出畸變參數(shù)。該方法避免了迭代算法的復(fù)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(shù)和其余攝像機內(nèi)參數(shù)的估計分離開來,比較靈活。
　　 2)研究了攝像機外參數(shù)標(biāo)定算法。在假定攝像機內(nèi)參數(shù)已標(biāo)定的情況下,標(biāo)定攝像機外部參數(shù)包括攝像機坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)代替球面坐標(biāo)表示圖像點,將約束表示成線性規(guī)劃形式,結(jié)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(shù)探針采用紅外二極管作為標(biāo)志點,為圓形標(biāo)志點,因此圓特征的姿態(tài)重建技術(shù)在紅外手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中具有重要的意義。本文針對現(xiàn)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(tǒng)算法一致,但是由于其基于矩陣分解,計算復(fù)雜度得到了大大的簡化。同時,本文給出了單目圓重建結(jié)果二義性的幾何解釋,并分析了圓和球的姿態(tài)重建的聯(lián)系和區(qū)別,在理論完備性方面也大大優(yōu)于傳統(tǒng)算法。
　　 4)研制了紅外手術(shù)導(dǎo)航儀臨床樣機系統(tǒng)。本文在第一代紅外手術(shù)導(dǎo)航儀實驗室樣機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了新一代的紅外手術(shù)導(dǎo)航儀臨床樣機系統(tǒng)。該樣機硬件系統(tǒng)包括立體視覺定位儀、手術(shù)器械和計算