數(shù)字式紅外手術(shù)導(dǎo)航儀關(guān)鍵技術(shù)研究.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)應(yīng)用和研究熱點(diǎn)。根據(jù)國內(nèi)對手術(shù)導(dǎo)航應(yīng)用和研究的需要，本文在研究手術(shù)導(dǎo)航儀所涉及關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)數(shù)字式紅外手術(shù)導(dǎo)航儀樣機(jī)。 為了對手術(shù)導(dǎo)航儀有一個(gè)全面深入的了解，把握研究的方向，本文首先對手術(shù)導(dǎo)航的概念、優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展進(jìn)行了概述，說

2、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)展差距的對比，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)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)。本文研究的主要內(nèi)容如下： 1.提出了一種基于平面單應(yīng)矩陣中心線的攝像機(jī)標(biāo)定方法：目前最具發(fā)展前景的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，其原理是雙目立體視覺。應(yīng)用雙目立體視覺的一個(gè)關(guān)鍵步驟是攝像機(jī)標(biāo)定，本

3、文在對現(xiàn)有攝像機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，針對這些方法在應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)遇到的實(shí)際問題，提出一種基于平面單應(yīng)矩陣中心線的攝像機(jī)標(biāo)定方法，對平面單應(yīng)矩陣中心線的性質(zhì)進(jìn)行了推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對標(biāo)定方法的實(shí)施步驟進(jìn)行了說明，并利用平面單應(yīng)矩陣中心線的性質(zhì)討論了選擇有效標(biāo)定圖像以提高攝像機(jī)標(biāo)定精度的問題。 2.提出了一種攝像機(jī)鏡頭畸變模型：攝像機(jī)鏡頭畸變是影響攝像機(jī)標(biāo)定和立體視覺計(jì)算精度的一個(gè)重要因素，而畸變模型的選擇又是進(jìn)行畸變校正

4、的一個(gè)關(guān)鍵問題。在采用傳統(tǒng)鏡頭畸變模型進(jìn)行圖像校正時(shí)，雖然模型中參數(shù)較多，但相互間不獨(dú)立，由于畸變參數(shù)間的耦合，會使優(yōu)化過程收斂到局部最小值，影響手術(shù)導(dǎo)航儀的精度。針對這一不足，在分析鏡頭畸變產(chǎn)生原因和各畸變分量之間相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，本文提出一種新的鏡頭畸變模型，進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 3.提出了一種攝像機(jī)鏡頭畸變參數(shù)的估計(jì)方法：根據(jù)手術(shù)導(dǎo)航儀測量體積和測量距離的要求，攝像機(jī)應(yīng)采用短焦距廣角鏡頭，因此畸變不容忽略?，F(xiàn)有攝像機(jī)

5、標(biāo)定方法缺乏對鏡頭畸變的初值估計(jì)，在進(jìn)行迭代尋優(yōu)的初始化階段假設(shè)鏡頭畸變系數(shù)為零，這樣的假設(shè)對于畸變較大的鏡頭會導(dǎo)致優(yōu)化過程收斂到局部最小值，影響手術(shù)導(dǎo)航儀的精度。針對這一不足，本文提出一種鏡頭畸變初值的估計(jì)方法，對方法的原理進(jìn)行了推導(dǎo)，并通過模擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)圖像實(shí)驗(yàn)對方法進(jìn)行了驗(yàn)證。 4.提出了一種非平行軸雙目立體視覺的直接計(jì)算方法：手術(shù)導(dǎo)航儀中雙目立體視覺系統(tǒng)的兩個(gè)攝像機(jī)通常采用非平行軸配置，它們的內(nèi)部參數(shù)一般也不相同，因而不

6、能直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)平行軸雙目立體視覺的計(jì)算方法?，F(xiàn)有方法分為兩類，一類通過迭代求解兩條投影線在空間的交點(diǎn)，其缺點(diǎn)是需要初值估計(jì)，并且會收斂到局部最小值；另一類使左右圖像分別旋轉(zhuǎn)一定角度，將它們校準(zhǔn)到滿足平行軸雙目立體視覺系統(tǒng)的要求，然后調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)算法，其缺點(diǎn)是需要進(jìn)行圖像的幾何變換，增加運(yùn)算量，影響手術(shù)導(dǎo)航儀的實(shí)時(shí)性，并且這類方法沒有考慮噪聲干擾，其重建精度受噪聲的影響較大。針對這兩種方法的不足，本文提出一種非平行軸雙目立體視覺的直接計(jì)算方法