基于HoloLens的增强现实手术导航系统研究

发布时间：2021-05-31 16:16

　　目的开发基于HoloLens的AR手术导航系统,分析影响此系统误差的因素,定量探究各个因素对误差的影响程度,为降低此类导航系统的误差明确侧重点。方法以Unity3D为开发平台开发的手术导航系统实现了3种三维注册方法:基于识别图三维注册、三点注册和手动注册。从人因工程的角度出发,结合临床医生手术操作行为、HoloLens性能和临床使用环境三方面分析影响误差的可能因素,即三维注册方法、头部转动、周围人数和观测角度。将这些因素设置为3个水平,设计正交实验验证并测量不同因素、不同水平下每次实验的误差大小,通过方差分析确定影像程度是否显著。结果导航系统3种注册方法平均误差值为416mm,4个因素产生的误差量分别为388mm、091mm、4338 mm。结论系统能够实现导航功能但存在一定误差,误差影响程度由大到小依次为头部转动、三维注册方法、周围人数和观测角度,其中头部转动和三维注册方法具有显著性影响。本研究可为基于HoloLens的AR手术导航系统误差的降低和交互方式的设计提供新的思路。 

【文章来源】：北京生物医学工程. 2020,39(03)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

基于HoloLens的AR手术导航系统结构

三维注册作为增强现实重要的特点之一，是指将计算机产生的虚拟物体与周围的真实环境全方位对准，而且要求用户在真实环境的运动过程中维持正确的对准关系。在本系统中三维注册方法用于将患者虚拟的器官模型和真实的器官模型进行叠加显示，三维注册方法的设计将直接影响导航系统的精确度。基于HoloLens的AR三维注册坐标转换过程如图3所示，其中FW(xw,yw,zw）、FC(xc,yc,zc）、FV(xv,yv,zv）和F(u,v）分别为现实世界坐标系、摄像机坐标系、虚拟模型坐标系和显示屏坐标系，T1、T2和T3分别是世界坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵、虚拟模型坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵和摄像机坐标系到屏幕坐标系的转换矩阵。图3 三维注册坐标转换

图2 HoloLens视角下虚拟血管（红色）和骨骼（黄色）模型T1与T2按照式（1）进行转换，其中R为3×3旋转矩阵，T为三维平移矢量。T1的转换矩阵获取可以通过HoloLens的SLAM技术获得，T2的转换矩阵需要在注册时实时求取。

【参考文献】：
期刊论文
[1]精准空间透视融合手术导航[J]. 范真诚,张欣然,廖洪恩.  中国医疗设备. 2016(03)
[2]基于增强现实的外科手术导航技术[J]. 钮艳华,汪元美,段会龙.  中国医疗器械杂志. 2004(01)

硕士论文
[1]高精度手术导航的研究与应用[D]. 沈轶.上海交通大学 2012



本文编号：3208561