基于人工標(biāo)記的光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀研究.pdf

1、手術(shù)導(dǎo)航儀一直存在于人類手術(shù)的歷史長(zhǎng)河之中，并隨著人類科學(xué)的發(fā)展進(jìn)行著自我變革。21世紀(jì)最初的這十多年，信息技術(shù)跨越式發(fā)展，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度幾何級(jí)增長(zhǎng)、醫(yī)學(xué)信息化技術(shù)如PET等多維影像技術(shù)新起、圖像處理和識(shí)別技術(shù)相關(guān)算法日趨成熟、工業(yè)技術(shù)的跨越性成長(zhǎng)，手術(shù)的微創(chuàng)化和精密化成為現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)和臨床手術(shù)的追求方向，計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)逐步走向臨床醫(yī)療行業(yè)研究前沿。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)融合配準(zhǔn)術(shù)前CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像信息和術(shù)中對(duì)手術(shù)工具的空間定位信息，給予

2、手術(shù)醫(yī)生輔助視圖以了解手術(shù)工具與人體手術(shù)區(qū)域的相對(duì)關(guān)系，從而在術(shù)前規(guī)劃中提高前瞻性，在術(shù)中增強(qiáng)過程可靠性和精確性。而手術(shù)導(dǎo)航儀系統(tǒng)則演變?yōu)橛?jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，由于手術(shù)導(dǎo)航儀系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的中樞模塊。出于對(duì)當(dāng)前可見光光學(xué)導(dǎo)航儀的改進(jìn)和優(yōu)化，本文提出了一種基于ARTag人工標(biāo)記的導(dǎo)航儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。
　　本文對(duì)手術(shù)導(dǎo)航儀系統(tǒng)發(fā)展歷程做了大致概述，結(jié)合當(dāng)下各種流行的手術(shù)導(dǎo)航儀系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式一些缺點(diǎn)和不足，提出了本

3、文的研究?jī)?nèi)容。本文研究?jī)?nèi)容主要如下:
　　1、提出了一種基于ARTag人工標(biāo)記的手術(shù)導(dǎo)航儀實(shí)現(xiàn)方案。光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀系統(tǒng)是當(dāng)前被認(rèn)為最具潛力，并被廣泛研究的手術(shù)導(dǎo)航儀系統(tǒng)方案，其基于雙目立體視覺實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具空間定位。本文啟發(fā)于目前光學(xué)導(dǎo)航儀系統(tǒng)復(fù)雜、多目標(biāo)跟蹤能力偏弱或者實(shí)現(xiàn)冗雜、成本較高等一系列不足。結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的ARTag人工標(biāo)記系統(tǒng)，利于雙目立體視覺，通過對(duì)ARTag人工標(biāo)記空間跟蹤而實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)工具跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航

4、系統(tǒng)功能。
　　2、針對(duì)提出的作為標(biāo)志物的ARTag人工標(biāo)記，本文提出了一種快速、穩(wěn)定、精確度高、對(duì)光照條件魯棒性強(qiáng)的標(biāo)記檢測(cè)算法。該算法基于邊緣檢測(cè)，通過線段檢測(cè)、線段融合、線段延伸、標(biāo)記四邊形重構(gòu)等步驟，實(shí)現(xiàn)了高效、快速的標(biāo)記檢測(cè)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)，與相似標(biāo)記系統(tǒng)ARToolKit相關(guān)檢測(cè)算法比較，驗(yàn)證檢測(cè)算法光照魯棒性和準(zhǔn)確性。
　　3、針對(duì)ARTag標(biāo)記特性，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記邊角點(diǎn)鏈獲取，并解碼標(biāo)記ID;對(duì)手術(shù)工具進(jìn)行標(biāo)定的前提下，

5、利于雙目視覺原理，計(jì)算標(biāo)記空間三維坐標(biāo)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具空間定位跟蹤。對(duì)手術(shù)工具標(biāo)定方法，我們通過將手術(shù)工具繞端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)手術(shù)工具上標(biāo)記特征點(diǎn)軌跡在自身球面的原理，擬合計(jì)算球心，即工具工作端點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)一步結(jié)合三維空間到手術(shù)工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算獲得端點(diǎn)在手術(shù)工具坐標(biāo)系下坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具注冊(cè)。
　　4、針對(duì)本文所提出的手術(shù)導(dǎo)航儀方案，對(duì)該方案系統(tǒng)空間定位穩(wěn)定性和精確性做出試驗(yàn)并定量分析。系統(tǒng)空間定位穩(wěn)定性，手術(shù)工具工作