基于人工標記的光學手術導航儀研究.pdf

1、手術導航儀一直存在于人類手術的歷史長河之中，并隨著人類科學的發(fā)展進行著自我變革。21世紀最初的這十多年，信息技術跨越式發(fā)展，計算機運算速度幾何級增長、醫(yī)學信息化技術如PET等多維影像技術新起、圖像處理和識別技術相關算法日趨成熟、工業(yè)技術的跨越性成長，手術的微創(chuàng)化和精密化成為現(xiàn)代醫(yī)療技術和臨床手術的追求方向，計算機輔助手術逐步走向臨床醫(yī)療行業(yè)研究前沿。計算機輔助手術融合配準術前CT、MRI等醫(yī)學影像信息和術中對手術工具的空間定位信息，給予

2、手術醫(yī)生輔助視圖以了解手術工具與人體手術區(qū)域的相對關系，從而在術前規(guī)劃中提高前瞻性，在術中增強過程可靠性和精確性。而手術導航儀系統(tǒng)則演變?yōu)橛嬎銠C視覺領域研究的熱點之一，由于手術導航儀系統(tǒng)是整個計算機輔助手術系統(tǒng)的中樞模塊。出于對當前可見光光學導航儀的改進和優(yōu)化，本文提出了一種基于ARTag人工標記的導航儀系統(tǒng)實現(xiàn)方案。
　　本文對手術導航儀系統(tǒng)發(fā)展歷程做了大致概述，結合當下各種流行的手術導航儀系統(tǒng)的實現(xiàn)方式一些缺點和不足，提出了本

3、文的研究內容。本文研究內容主要如下:
　　1、提出了一種基于ARTag人工標記的手術導航儀實現(xiàn)方案。光學手術導航儀系統(tǒng)是當前被認為最具潛力，并被廣泛研究的手術導航儀系統(tǒng)方案，其基于雙目立體視覺實現(xiàn)手術工具空間定位。本文啟發(fā)于目前光學導航儀系統(tǒng)復雜、多目標跟蹤能力偏弱或者實現(xiàn)冗雜、成本較高等一系列不足。結合增強現(xiàn)實應用中的ARTag人工標記系統(tǒng)，利于雙目立體視覺，通過對ARTag人工標記空間跟蹤而實現(xiàn)對手術工具跟蹤，從而實現(xiàn)手術導航

4、系統(tǒng)功能。
　　2、針對提出的作為標志物的ARTag人工標記，本文提出了一種快速、穩(wěn)定、精確度高、對光照條件魯棒性強的標記檢測算法。該算法基于邊緣檢測，通過線段檢測、線段融合、線段延伸、標記四邊形重構等步驟，實現(xiàn)了高效、快速的標記檢測。結合實驗，與相似標記系統(tǒng)ARToolKit相關檢測算法比較，驗證檢測算法光照魯棒性和準確性。
　　3、針對ARTag標記特性，實現(xiàn)標記邊角點鏈獲取，并解碼標記ID;對手術工具進行標定的前提下，

5、利于雙目視覺原理，計算標記空間三維坐標，進一步實現(xiàn)手術工具空間定位跟蹤。對手術工具標定方法，我們通過將手術工具繞端點旋轉，根據(jù)手術工具上標記特征點軌跡在自身球面的原理，擬合計算球心，即工具工作端點三維坐標，進一步結合三維空間到手術工具坐標系的轉換矩陣，計算獲得端點在手術工具坐標系下坐標，實現(xiàn)手術工具注冊。
　　4、針對本文所提出的手術導航儀方案，對該方案系統(tǒng)空間定位穩(wěn)定性和精確性做出試驗并定量分析。系統(tǒng)空間定位穩(wěn)定性，手術工具工作