紅外手術(shù)導(dǎo)航儀的高精度定位理論與方法.pdf

1、手術(shù)導(dǎo)航儀能夠使外科醫(yī)生實(shí)時(shí)瀏覽病灶部位的三維解剖結(jié)構(gòu)以及手術(shù)器械所處的位置和方向，規(guī)劃手術(shù)器械進(jìn)入的路徑，減小手術(shù)創(chuàng)傷，提高手術(shù)精度。手術(shù)導(dǎo)航的出現(xiàn)引發(fā)了手術(shù)方式的革新，因此成為外科領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 三維重建是手術(shù)導(dǎo)航儀的重要技術(shù)組成部分。傳統(tǒng)的三維重建技術(shù)包括攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配和三角化重建等步驟。為了降低復(fù)雜度并增強(qiáng)穩(wěn)定性，手術(shù)導(dǎo)航儀通常采用圓形和球形標(biāo)志。所以，本文主要涉及這些已知模型的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)和三維

2、重建技術(shù)。盡管一些問(wèn)題已經(jīng)在幾年以前得到了部分解決，但是本文提出了系統(tǒng)的分析和完備的幾何解釋，填補(bǔ)了現(xiàn)存算法的不足之處。例如，本文提出了圓的射影方程，該方程是關(guān)于圓形特征的統(tǒng)一描述，具有重要的意義。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括： 1．基于圓形特征的攝像機(jī)標(biāo)定 針對(duì)現(xiàn)有迭代算法的不足之處，本文提出了一種基于平面上兩個(gè)任意圓的攝像機(jī)標(biāo)定算法。利用一幅圖像，本方法可以線性地標(biāo)定出攝像機(jī)焦距和外參數(shù)。和迭代算法相比，本方法的計(jì)

3、算速度快，幾何意義明確，同時(shí)可以用于初始化迭代優(yōu)化算法，大大提高了現(xiàn)存優(yōu)化算法的收斂性。 2．圓的姿態(tài)估計(jì)算法 本文首先提出了從單目圖像中重建圓形特征的線性算法。本算法不但給出了重建的閉式解，還給出了重建冗余的幾何解釋。同時(shí)，本文進(jìn)一步給出了基于立體視覺(jué)的圓形特征重建算法。本方法提出的閉式解消除了傳統(tǒng)算法中的繁瑣操作，大大提高了重建的便利性。 3．球心投影點(diǎn)檢測(cè)及其三維重建算法 本文分析了球心投影點(diǎn)和球投

4、影中心點(diǎn)的幾何距離，并給出了閉式表達(dá)，從而確定出以球投影中心點(diǎn)代替球心投影點(diǎn)所帶來(lái)的誤差。分析表明，只有當(dāng)球心處于攝像機(jī)主軸上時(shí)，球心投影點(diǎn)和球投影中心點(diǎn)才重合。 同時(shí)，本文提出了一種基于球的射影方程的三維重建線性算法。本方法的顯著特征是簡(jiǎn)便性和魯棒性。和現(xiàn)存方法相比，本方法沒(méi)有構(gòu)建投影錐的繁瑣運(yùn)算。 4．基于立體視覺(jué)的可變形表面重建 本文提出了基于雙目立體視覺(jué)技術(shù)的變形表面的重建算法。本方法采用了無(wú)窮范數(shù)來(lái)建立反投影誤