手术导航中三维定位系统的研究

摘要

手术导航系统是利用计算机技术、立体定位技术和图像处理技术使外科医生实时浏览病灶部位的三维解剖结构以及手术器械与病灶部位的相对位置和方向,规划与引导手术器械的行进路径,提高手术精度,提高手术的安全性。其中光学定位子系统是手术导航的关键部分,它直接关系到手术导航系统的精度和手术的成败。该子系统主要是利用空间位置传感器确定手术区域中解剖结构或外部标记点的空间坐标,实时跟踪手术器械与病灶的相对位置。因此,对手术导航中三维定位子系统中相关技术的研究也成为当前最前沿的研究领域之一。
　　由于主动光学定位系统利用安装在手术器械刚体上的发光体,通过光敏感元件成像确定其空间位置和运动情况,因此定位精确度较高,追踪过程较稳定。然而,主动式定位系统的成本非常昂贵。本文研究的目标是开发基于双目视觉的低成本、高精度定位的手术导航光学定位系统。根据该研究目的,针对手术导航光学定位系统所涉及的关键技术和相应的关键问题开展了深入的研究,并进行了相关实验,得出了初步的研究结果。
　　构建了基于双目视觉的低成本三维定位系统。该系统采用了可见光LED作为手术器械目标点,以可见光CCD摄像机进行成像构建了基于双目视觉的低成本三维定位系统平台。并根据摄像机标定的原理,使用Matlab和OpenCV相结合的混合编程方法进行标定计算,构建了完整的标定系统。
　　提出了一种基于灰度分布加权的标记点质心计算方法。针对手术器械标记点发光的不均匀性,造成了图像上标记点周围灰度分布的不均匀性给标记点质心坐标计算带来的误差,提出了一种根据标记点周围图像灰度的分布情况,以灰度值进行加权来求取标记点的质心的方法。实验证明该方法求取标记点质心准确度高,抗干扰能力强。
　　改进和实现了基于特征点空间次序约束的匹配算法。针对手术导航光学定位系统的特点,根据基于特征点空间次序约束的匹配算法的基本原理,增加场景中物体顺序约束条件对算法进行了改进,实现了对双目视觉所获取的图像中的标记点的立体匹配。实验结果表明该方法在立体匹配的过程中不受手术器械位置以及摆放方向的干扰,满足系统工作要求。
　　基于以上关键技术的研究,以双目视觉其中1个(左边)摄像机的坐标系为世界坐标系,计算出左右摄像机的投影矩阵,对特征点进行三维重建,得到特征点的空间坐标,并对结果进行误差分析。通过对本文搭建出了手术导航光学定位系统的实验原型系统进行论证性实验,结果表明,该系统构建成本低,实现快速、可靠,定位精度基本满足手术导航要求,且抗干扰能力强。该项目的完成为该项目能够进一步完善并成功应用于医学图像导航中奠定了基础。

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英文摘要

一、绪论

1.1研究背景

1.2手术导航国内外研究现状与趋势

1.3手术导航定位方法研究

1.4本文中手术导航系统

1.5本文的研究目的和内容

二、双目视觉定位系统的基本框架

2.1双目视觉定位系统的基本框架

2.2双目摄像机标定

2.3摄像机标定实验以及误差分析

2.4本章小结

三、标志点特征提取

3.1标志点的特征提取

3.2特征点提取实验与结果分析

3.3本章小结

四、标记点的立体匹配与三维重建

4.1基于极线校正的区域立体匹配算法

4.2基于特征点空间次序的立体匹配改进算法

4.3特征点空间坐标三维重建

4.4实验结果以及误差分析

4.5本章小结

五、手术导航定位系统软件设计

5.1手术导航定位系统的软件开发环境

5.2 手术导航定位系统软件实现的总体流程

5.3软件系统程序设计

5.4本章小结

六、工作总结以及下一步的研究

6.1工作总结

6.2 对今后工作的建议

参考文献

致谢

附录：攻读学位期间所发表的学术论文