简论匹配导航术中手术器械光学跟踪技术网

摘要：随着计算机技术、精密仪器和成像技术的快速进展，外科手术进入手术导航时代，这对提升手术定位病灶精度、优化手术路径、减少手术损伤及提升手术成功率具有重要作用。手术导航系统通常由可视化部分和能够实时定位跟踪手术器械与患者相对位置的测量装置组成。当今用于手术导航中的主流测量装置为光学定位跟踪系统。本论文构建了基于近红外光的定位跟踪系统，描述了系统组成的各个部件及其位置联系，设计实现了配套的运用软件，提出了手术器械注册、立体匹配和自动识别算法，为手术导航系统的探讨奠定了基础。本论文主要探讨内容概括如下：(1)本论文搭建了近红外光学定位平台，开发了配套软件，可用于图像采集、定位目标物注册、定位和三维显示。通过此平台获取图像数据，为标定系统、手术器械注册和立体匹配等算法探讨奠定基础。(2)近红外定位系统的标定。此系统能够测量前必须进行标定，历程主要为获取其两相机的内外部参数。然而，该系统无法拍摄到传统的标定板，由此采取了精确、有效的近红外标定板制作策略设计了标定板，并进一步标定系统使其成为测量系统。(3)精确、有效的手术器械注册算法。通过在同一个位置绕着其尖端旋转手术器械得到其尖端坐标，再得到该坐标与手术器械上其他发光点的联系，完成注册。在精确性方面，利用尖端位置到手术器械上其他发光点的距离均方误差来表述，并利用不同位置下计算的尖端坐标进行三维方向浅析，得到其计算策略的稳定性评估。(4)提出了快速、准确的手术器械立体匹配算法。为确定术中手术器械的空间位置，需立体匹配其上的发光点和自动识别不同的器械。此算法对多个手术器械的立体匹配和自动识别是有效可行的，其采取两步对多个手术器械进行立体匹配和识别。首先，利用双目视觉系统下发光点的光线联系确定其可能有着的三维点，然后利用手术器械的发光点和距离编码信息剔除掉虚检测点，完成对其的立体匹配。在匹配历程中，同时计算发光点的三维坐标以及确定哪些点属于哪个手术器械，完成识别。最后结合注册结果计算得到手术器械尖端坐标，实现定位和跟踪。关键词：手术导航论文光学定位论文手术器械论文立体匹配论文近红外论文

摘要5-6

Abstract6-10

第一章 绪论10-22

1.1 手术导航系统概述及进展10-13

1.1.1 国外进展12

1.1.2 国内进展12-13

1.2 手术导航中定位技术13-19

1.2.1 空间定位技术分类13-16

1.2.2 光学定位技术作用16-17

1.2.3 光学定位中的器械立体匹配17-19

1.3 探讨内容与论文组织结构19-22

1.3.1 课题介绍与探讨内容19-20

1.3.2 论文组织结构20-22

第二章 近红外光学定位系统构建22-28

2.1 引言22

2.2 硬件系统构建22-23

2.3 软件系统设计23-26

2.3.1 软件系统浅析23-24

2.3.2 软件交互界面24-26

2.4 本章小结26-28

第三章 近红外光学定位系统标定28-42

3.1 引言28

3.2 光学定位的工作原理28-29

3.3 光学定位系统参数获取29-35

3.3.1 近红外标定板设计31

3.3.2 近红外标定板获取31-33

3.3.3 系统标定参数结果33-35

3.4 手术器械注册35-40

3.4.1 坐标变换联系36-38

3.4.2 针尖坐标计算38

3.4.3 注册结果38-40

3.5 本章小结40-42

第四章 发光点的立体匹配与手术器械识别42-57

4.1 引言42

4.2 亚像素坐标提取42-43

4.3 三维坐标重建43-45

4.4 手术器械的立体匹配与识别45-50

4.4.1 发光点的立体匹配浅析46-50

4.5 手术器械立体匹配与识别实验验证50-56

4.5.1 单个手术器械的立体匹配50-51

4.5.2 多个手术器械的立体匹配51-56

4.6 本章小结56-57

第五章 近红外光学定位系统定位跟踪浅析57-69

5.1 引言57

5.2 样机系统的性能测试57-65

5.2.1 样机系统的测量范围测试57-59

5.2.2 发光点的精度测试59-63

5.2.3 手术器械定位的精度测试63-65

5.3 模拟实验65-68

5.4 小结68-69

总结与展望69-72

工作总结69-70

工作展望70-72