基于多目紅外相機(jī)的手術(shù)機(jī)器人光學(xué)跟蹤系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、在機(jī)器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)(RASS)中，手術(shù)器械相對(duì)于病灶部位的位置和姿態(tài)必須實(shí)時(shí)地精確計(jì)算出來以便正確的引導(dǎo)外科手術(shù)的進(jìn)行。為了規(guī)避手術(shù)環(huán)境中可見光變化對(duì)于光線定位跟蹤系統(tǒng)的影響，本文采用了紅外攝像機(jī)進(jìn)行圖像的采集；同時(shí)為了降低多個(gè)手術(shù)器械及手術(shù)參與人員引起的光線遮擋問題出現(xiàn)的可能性，本文采取了符合一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多目攝像機(jī)模式?；诙嗄考t外相機(jī)的手術(shù)機(jī)器人光學(xué)跟蹤系統(tǒng)涉及以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：攝像機(jī)標(biāo)定；圖像點(diǎn)提?。粓D像點(diǎn)匹配；立體三角

2、原理；多目標(biāo)跟蹤技術(shù)；手術(shù)器械的識(shí)別與標(biāo)定。
　　 本文所述的系統(tǒng)采用了基于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)的紅外相機(jī)標(biāo)定方法和一種改進(jìn)的立體三角原理——基于垂足的空間點(diǎn)定位方法(PFM)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種紅外相機(jī)標(biāo)定方法和空間定位方法的精度均優(yōu)于傳統(tǒng)的方法。本文還引入了一種利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)的多目標(biāo)跟蹤技術(shù)，這種技術(shù)可以最大限度的整合利用多目攝像機(jī)的冗余信息。目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可通過不同時(shí)刻的多目攝像機(jī)圖像點(diǎn)更新三維空間點(diǎn)的坐

3、標(biāo)而獲得。這種技術(shù)可以比較精確地估計(jì)三維目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，因?yàn)樗苯永媚繕?biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)平面上的圖像點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的更新，而不是利用可能包含誤差的三維重建點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的更新。實(shí)驗(yàn)表明，這種目標(biāo)跟蹤算法可以同時(shí)高效地跟蹤多個(gè)目標(biāo)的三維軌跡，并且，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)估計(jì)出的三維點(diǎn)位置與利用PFM計(jì)算出的數(shù)據(jù)高度一致，但是此類跟蹤算法所需要的計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間大大少于PFM。此外，本文還提出一種基于幾何推理的點(diǎn)模式匹配方法用來從三維點(diǎn)云

4、中分離出手術(shù)器械上的標(biāo)志點(diǎn)，這種方法具有明確的幾何意義，邏輯嚴(yán)密，計(jì)算量小，結(jié)果可信度高。誠(chéng)然，或許此類方法不適合于大部分點(diǎn)模式匹配問題，但是可以有效解決本文系統(tǒng)中的問題。
　　 除了以上具有創(chuàng)新意義的技術(shù)方法，本文還系統(tǒng)介紹了有關(guān)光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和相關(guān)研究，主要包括攝像機(jī)模型及經(jīng)典攝像機(jī)標(biāo)定方法，特征點(diǎn)提取、特征點(diǎn)匹配及立體三角法等三維重建理論，擴(kuò)展卡爾曼濾波器的基本理論及其在光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，以及手術(shù)器