手术导航系统中光学和惯性组合定位方法的研究

发布时间：2017-06-10 01:02

  本文关键词：手术导航系统中光学和惯性组合定位方法的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着立体定位技术和成像技术的发展,手术导航系统越来越多的应用在骨科、神经外科、耳鼻喉科等外科手术中。手术导航系统是一个复杂的系统,涉及多种关键技术,其中空间定位技术直接决定着手术定位精度,继而影响手术效果。目前在用的手术定位系统主要有机械定位系统、光学定位系统、超声波定位系统和电磁定位系统,然而上述系统在使用中各有利弊,很难达到准确性和鲁棒性的统一。目前临床在用的手术导航系统大部分都是基于光学定位的导航系统。光学定位系统依靠可见光或者红外光进行定位,定位光束被遮挡后便无法提供定位信息。在实际的外科导航手术中,很难保证手术全过程定位光束不被遮挡。医生在使用手术器械进行复杂操作的同时还要注意定位光束的畅通,给外科医生的手术操作带来很大的不便,遮挡后定位信息的缺失会造成很大的手术风险。为了解决光学定位系统定位光束遮挡期间的定位问题,本文设计了一种光学定位系统和惯性定位系统组合定位的方法。在光学定位系统的定位信息受到短时遮挡而无法对目标进行定位时,利用惯性定位系统的定位信息进行定位补偿,使定位信息不间断,保证手术导航系统定位的连续性。区别于光学定位系统,惯性定位系统属于自主式定位系统,它通过惯性测量器件采集目标运动信息。由于惯性测量器件存在不可避免的漂移现象,无法独立长时间用于目标的定位。本文采用扩展卡尔曼滤波的方法,通过融合光学定位系统未被遮挡期间的定位信息与光学定位系统被遮挡期间惯性定位系统的定位信息获得新的组合导航系统的定位信息,可预测出目标载体在光学定位系统定位信息缺失期间的运动情况。本文对惯性定位系统定位信息的解算方法进行了推导分析,并设计了静态和动态实验用于验证解算方法的可行性与可靠性。最后设计了组合定位方法用于验证实验精度,实验结果表明,本文所设计的组合定位方法在0.2s被遮挡期间x轴、y轴和z轴方向的位移定位误差分别为0.34 mm、0.24 mm和1.0 mm,姿态角定位误差为2.2°。因此能够补偿定位光束短时遮挡时定位信息的缺失,基本满足临床导航需求。
【关键词】：手术导航系统 惯性定位 光学定位 组合定位 数据融合
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R312;R616
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及研究目的10-11
• 1.2 手术定位系统11-14
• 1.2.1 机械定位法11
• 1.2.2 光学定位法11-13
• 1.2.3 超声波定位法13
• 1.2.4 电磁定位法13-14
• 1.3 国内外研究现状14-17
• 1.4 本文的主要工作17
• 1.5 论文结构17-18
• 1.6 本章小结18-19
• 第2章 惯性定位系统原理19-39
• 2.1 常用坐标系及其转换关系19-21
• 2.1.1 当地导航坐标系19
• 2.1.2 载体坐标系19-20
• 2.1.3 坐标系间的关系20-21
• 2.2 MEMS加速度传感器21-26
• 2.2.1 MEMS加速度传感器分类21-24
• 2.2.2 比力与比力方程24-26
• 2.3 MEMS陀螺仪26-28
• 2.3.1 科氏效应与科里奥利力26-27
• 2.3.2 MENS陀螺仪分类27-28
• 2.3.3 MEMS陀螺仪关键技术28
• 2.4 捷联式惯性定位系统姿态和位置更新算法28-38
• 2.4.1 捷联式惯性定位系统姿态更新算法29-35
• 2.4.2 捷联式惯性定位系统位置更新算法35-38
• 2.5 捷联式惯性定位系统误差来源分析38
• 2.6 本章小结38-39
• 第3章 光学定位系统原理39-49
• 3.1 光学定位系统的工作原理39-40
• 3.2 光学定位系统的坐标系定义40-43
• 3.2.1 图像模型坐标系40-41
• 3.2.2 世界坐标系41
• 3.2.3 手术器械坐标系41-42
• 3.2.4 标志架坐标系42-43
• 3.2.5 患者坐标系43
• 3.3 光学定位系统Polaris Spectra43-44
• 3.4 光学定位系统主要算法44-48
• 3.4.1 摄像机标定44
• 3.4.2 三维重建44-45
• 3.4.3 手术器械的标定45-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章 惯性与光学组合定位方法49-65
• 4.1 组合定位系统构建49-51
• 4.1.1 光学定位系统数据分析50
• 4.1.2 惯性定位系统数据分析50-51
• 4.2 数据同步51-52
• 4.3 数据融合52-59
• 4.3.1 经典Kalman滤波方程52-54
• 4.3.2 扩展Kalman滤波54-59
• 4.4 扩展Kalman滤波器的应用59-61
• 4.4.1 直接法和间接法59-60
• 4.4.2 系统校正方法60-61
• 4.5 组合定位扩展卡尔曼滤波器设计61-63
• 4.6 本章小结63-65
• 第5章 实验及结果分析65-80
• 5.1 静态实验65-69
• 5.1.1 实验目的65
• 5.1.2 实验条件65
• 5.1.3 实验方法65-66
• 5.1.4 实验结果66-69
• 5.2 磁场环境实验69-71
• 5.2.1 实验目的69
• 5.2.2 实验条件69
• 5.2.3 实验方法69-70
• 5.2.4 实验结果70-71
• 5.3 运动实验71-75
• 5.3.1 实验目的71-72
• 5.3.2 实验条件72
• 5.3.3 实验方法72
• 5.3.4 实验结果72-75
• 5.4 组合定位实验75-79
• 5.4.1 实验目的75
• 5.4.2 实验条件75
• 5.4.3 实验方法75-76
• 5.4.4 实验结果76-79
• 5.5 实验结果分析79
• 5.6 本章小结79-80
• 第6章 总结与展望80-82
• 6.1 论文工作总结80
• 6.2 后续工作展望80-82
• 参考文献82-85
• 致谢85-87
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果87

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本文编号：437020