基于Zynq的手术导航光学定位关键技术研究

发布时间：2020-07-12 10:08

【摘要】：手术导航系统将患者的术前影像数据与术中解剖结构准确对应,能在手术过程中为医生提供手术器械相对于手术靶点的位置和方向信息,实时引导手术进行。定位设备是手术导航系统最为核心的部分,其定位的实时性及精度直接影响到手术导航系统的安全性和精确性。基于双目视觉原理的近红外光学定位技术因其精度高、操作方便的优势被广泛应用于手术导航领域,但目前国内的光学定位设备主要依赖于国外进口,缺乏自主创新与技术支持。因此为了自主研发高精度光学定位系统,需要对系统硬件设计、相机图像同步采集、标记点亚像素坐标提取及数据实时传输等关键技术进行研究。为解决上述关键问题,本文采用Zynq作为核心处理器,通过光学定位系统硬件设计和Zynq平台的软硬件协同设计研究实现了对近红外标记点的实时跟踪定位,本文的主要研究内容如下:(1)设计了光学定位硬件系统,结合光学定位技术需求进行模块划分与设计,根据模块功能需求完成了芯片选型及硬件电路实现。(2)设计了高同步近红外相机图像采集模块,近红外相机能有效抑制可见光对图像标记点提取的干扰,并实现了高同步图像采集控制,有效避免标记点的伪匹配问题。(3)实现了高速率图像标记点提取,利用Zynq平台的可编程逻辑资源实现实时的图像标记点识别及其亚像素坐标计算。(4)实现了高速数据传输方案,基于以太网、USB及Wi-Fi三种通信方式实现图像与标记点坐标数据高速的传输,满足不同场景下的通信需求。实验结果显示,本文提出的手术导航光学定位技术的定位精度标准偏差在0.15mm范围内,处理速度可达60pfs,并具有极高的图像采集同步性,满足手术导航的应用需求。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TH777
【图文】：

视觉定位,工具,光学定位

图 1-1 Kinect 视觉定位工具Fig. 1-1 Kinect Vision Positioning Tool外光学定位技术目视觉定位技术中的图像特征点提取是影响定位精度的重要也是双目视觉技术研究中存在的难题。对此许多研究者根据目标进行特殊特征点的提取，这种方法不仅能有效地解决的准确率。目前光学手术导航系统中的导航设备绝大多数都行实现。物是否有源，近红外光学定位方法可分为主动式(Active)、brid)三种[48]。主动式光学定位法需要使用外部电源为固定在电，从而提供近红外光源，通过相机采集近红外发光二极管匹配。根据发光二极管与相机的相对位置关系来求取定位目被动式光学定位法也称为无源光学定位法，该方法通常将近

定位系统,六自由度运动,三维空间坐标,硕士学位论文

华南理工大学硕士学位论文的定位精度以及最高 4600Hz 的采集速率。系统由三个线形排列的 CCD 相机组成，能实时捕捉视场范围内的高速运动目标，精确计算目标物体的三维空间坐标，由于采样率极高，其还能获取目标的六自由度运动数据，主要应用于大范围的三维空间运动测定位。

示意图,立体匹配,标记点,示意图

图 1-3 标记点立体匹配示意图Figure 1-3 Schematic diagram of stereo matching of marke术的实现关键在于图像同步采集、实时标记点提取与信阶段：前端、中端和后端。前端主要包括图像采集与缓法进行标记点亚像素坐标提取；后端则主要实现数据传用主要基于通用处理器、现场可编程门阵列芯片(FieA)以及数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)等器(如 ARM 等) 可以通过各种应用程序，借助工具软件设计[52]，但其处理器的内部资源限制了其图像采集与处独特优势，能满足大量图像数据的处理需求，具有极高据处理算法，而不适用于复杂的算法运算[53]。DSP 适处理器，在图像算法处理方面存在显著优势[54]，但其难展设计。

【参考文献】