智能內(nèi)窺鏡顯形系統(tǒng)研究.pdf

1、由于工作環(huán)境的復(fù)雜性和自身形狀不可視等缺點(diǎn)，結(jié)腸內(nèi)窺鏡在介入過(guò)程中會(huì)發(fā)生鏡體纏繞、非預(yù)期結(jié)襻等情況，給病人帶來(lái)痛苦和危險(xiǎn)。因此，用智能傳感器技術(shù)、可視化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)其形狀顯示和手柄部的姿態(tài)檢測(cè)是急需解決的。 基于光纖光柵傳感理論，本文對(duì)光纖光柵傳感陣列的設(shè)計(jì)、封裝方法進(jìn)行了分析，并對(duì)內(nèi)窺鏡柔性桿形狀重建方法進(jìn)行了研究?？紤]到光纖光柵波長(zhǎng)的變化受溫度和應(yīng)變兩個(gè)參數(shù)的影響，通過(guò)傳感陣列的設(shè)計(jì)來(lái)消除溫度對(duì)形狀重建

2、的影響。在形狀重建算法上，利用柔性桿上檢測(cè)到的光柵點(diǎn)的應(yīng)變信息，推導(dǎo)從平面曲線到空間曲線的重建方法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了算法的可行性。由于傳感器實(shí)際封裝位置與理論位置存在差異，為了精確重構(gòu)內(nèi)窺鏡的形狀和測(cè)得每個(gè)傳感點(diǎn)相對(duì)于內(nèi)窺鏡手柄部的位置，對(duì)傳感器的每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了修正，修正后的重建結(jié)果相對(duì)于前期研究有了很大的提高?？紤]到柔性桿曲線形狀的多樣性，提出了兩檢測(cè)點(diǎn)之間的空間曲率的非線性擬合方法—逐次中值分隔算法，從

3、與線性分隔方法對(duì)比分析可以看出，重建精度得到了提高。 由于基于光纖光柵的柔性桿形狀重建方法是假定內(nèi)窺鏡手柄部在固定條件下重建的，而在實(shí)際的應(yīng)用中，手柄是醫(yī)生用來(lái)對(duì)柔性桿前端進(jìn)行定位操作和進(jìn)鏡用的，因此，手柄姿態(tài)的變化會(huì)影響整個(gè)內(nèi)窺鏡柔性桿空間姿態(tài)的變化，為此提出了利用雙目視覺(jué)及外加標(biāo)志點(diǎn)的方法對(duì)端部姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并深入的探討了檢測(cè)誤差對(duì)整個(gè)形狀的影響。 在內(nèi)窺鏡手柄部分的位姿檢測(cè)方面，主要從視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)建，標(biāo)志點(diǎn)的設(shè)計(jì)入

4、手，對(duì)攝像機(jī)的標(biāo)定、坐標(biāo)系的建立作了詳細(xì)的分析與論述，建立了同時(shí)對(duì)兩攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定來(lái)推導(dǎo)兩攝像機(jī)位姿關(guān)系的方法。為了提高視覺(jué)跟蹤速度及姿態(tài)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，在Rosenfeld的鄰域標(biāo)記算法基礎(chǔ)上，提出了一種快速的鄰域標(biāo)記算法來(lái)提取標(biāo)志點(diǎn)在圖像中的中心位置，該方法比較原始的鄰域標(biāo)記算法在檢測(cè)速度上得到了很大的提高。利用圖像點(diǎn)及攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)求解空間點(diǎn)的位置，是根據(jù)兩攝像機(jī)之間的位姿關(guān)系，把圖像點(diǎn)在左右攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為同一坐標(biāo)系

5、下的坐標(biāo)值，從而簡(jiǎn)化了空間點(diǎn)的求解問(wèn)題。 空間點(diǎn)的精確度由于受諸多因素的影響，得到的每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)于全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)值是有誤差的，這種誤差對(duì)內(nèi)窺鏡手柄姿態(tài)的影響非常大。本文從姿態(tài)的求解開(kāi)始分析，對(duì)目前常用的求解方法進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出了基于主元分析法與最小二乘法的位姿估計(jì)方法。 在內(nèi)窺鏡顯形系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)中，分別探討了內(nèi)窺鏡端部的仰俯、偏轉(zhuǎn)和橫滾對(duì)內(nèi)窺鏡柔性桿形狀、姿態(tài)的影響分析及內(nèi)窺鏡端部柔性桿形狀的修正問(wèn)題。