基于光学定位的超声手术导航关键技术研究

发布时间：2017-05-14 21:02

  本文关键词：基于光学定位的超声手术导航关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：手术导航中的定位技术包括光学定位、电磁定位、机械定位等,其中光学定位相比其他技术具有抗电磁干扰、操作灵活、占用空间小等优点,更适用于电磁复杂、空间狭小的手术室环境。目前手术前通常采集病患的X-ray、CT图像,这对病患和医师造成辐射损伤。普遍使用的二维超声虽能避免辐射损伤,但存在部分容积效应,使得病灶定位不准确。为此,本文将二维超声图像映射到三维空间,提出一种适用于经皮穿刺的以超声影像引导的光学定位手术导航系统。重点研究了光学定位摄像机标定、手术探针尖端点标定、超声探头标定、手术探针与超声探头区分识别、三维手术场景的仿真显示等问题。 首先,提出一种基于三正交约束的摄像机标定方法,该方法以空间三正交线段为模板,采集至少2幅标定图像即可堆叠标定方程,解析求解出摄像机参数,仿真和真实实验结果表明该方法与经典摄像机标定方法的相对误差仅为1.3%。 其次,利用光学定位设备标定手术探针和超声探头,设计一种基于空间矩阵传递性的手术探针标定方法和提出一种基于两个正交平面的超声探头标定方法,两种方法的平均标定误差均约为1mm。 另外,设计两块特征标识板和一种基于特征区域颜色和面积信息的手术探针和超声探头特征标识板区分识别方法,统计图像中颜色和面积信息,可以快速准确地区分识别手术探针和超声探头,共6个特征点,识别帧率达到20帧/秒。 最后,本文搭建了光学定位超声手术导航实验系统样机,对样机进行了标定、跟踪测试、卡尔曼滤波目标预测、精度测试、多个器械的区分识别测试,编写配套的手术导航软件。利用搭建的实验系统样机进行了单个探针的运动实验、探针和超声探头的组合运动实验,三维手术场景的仿真显示提供了探针运动和探头超声平面的空间信息。 综上,本文设计提出的各项关键技术方法和搭建的系统样机的实验结果表明该样机满足简易手术导航的精度和实时性要求。
【关键词】：光学定位 手术导航 摄像机标定 超声探头标定 目标跟踪
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R310
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题的研究背景与意义9-10
• 1.2 手术导航的关键技术10-14
• 1.2.1 手术导航的医学成像与图像处理技术10-11
• 1.2.2 手术导航的空间定位技术11-12
• 1.2.3 手术导航的手术器械标定技术12-13
• 1.2.4 手术导航的配准与显示技术13-14
• 1.3 手术导航的发展现状14-15
• 1.3.1 国外发展现状14
• 1.3.2 国内发展现状14-15
• 1.3.3 存在的问题15
• 1.4 本文的主要工作与成果15-16
• 1.5 本文的结构安排16-17
• 2 光学定位超声手术导航的基本理论17-26
• 2.1 光学定位超声手术导航的工作原理17-18
• 2.2 光学定位技术18-23
• 2.2.1 摄像机模型18-21
• 2.2.2 摄像机标定与立体标定21-22
• 2.2.3 三维重建22-23
• 2.3 手术器械标定技术23-25
• 2.3.1 手术探针的尖端点标定23-24
• 2.3.2 超声探头的图像标定24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 光学定位超声手术导航的摄像机标定方法26-35
• 3.1 基于三正交约束的摄像机标定方法26-33
• 3.1.1 基本知识26-27
• 3.1.2 标定模板与算法27-30
• 3.1.3 仿真实验与结果分析30-32
• 3.1.4 真实实验与结果分析32-33
• 3.2 讨论33-34
• 3.3 本章小结34-35
• 4 光学定位超声手术导航的手术器械标定方法35-50
• 4.1 基于光学定位的手术探针尖端点标定方法35-38
• 4.2 基于光学定位的超声图像标定方法38-49
• 4.2.1 基本知识38-39
• 4.2.2 标定模板与算法39-41
• 4.2.3 仿真实验与结果分析41-42
• 4.2.4 真实实验与结果分析42-46
• 4.2.5 讨论46-49
• 4.3 本章小结49-50
• 5 光学定位超声手术导航实验系统样机设计与实现50-60
• 5.1 系统组成50-53
• 5.1.1 硬件系统50-51
• 5.1.2 软件系统51-53
• 5.2 系统标定53-55
• 5.2.1 摄像机标定53-54
• 5.2.2 手术器械标定54-55
• 5.3 系统性能测试55-57
• 5.3.1 测量精度测试55-56
• 5.3.2 多个手术器械识别测试56-57
• 5.4 模拟实验57-59
• 5.4.1 实验条件与内容57
• 5.4.2 实验结果与分析57-59
• 5.5 本章小结59-60
• 结论60-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文和申请专利情况65-66
• 致谢66-67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘洁,高上凯,李铮;三维Freehand超声血流测量系统中的单平面定标方法[J];北京生物医学工程;2001年03期

2 全红艳,张田文;一种新的利用模板进行摄像机自标定的方法[J];电子学报;2005年11期

3 张闯;迟健男;张朝晖;王志良;;一种基于立体视觉的视线估计方法[J];电子学报;2010年05期

4 刘威;于红绯;杨恒;段勃勃;袁淮;赵宏;;一种新的基于单目视觉的广义障碍物检测方法[J];电子学报;2011年08期

5 陈国栋;贾培发;宋亦旭;;光学定位机器人微创手术系统视觉伺服控制[J];高技术通讯;2009年03期

6 田和强;吴冬梅;王继虎;杜志江;孙立宁;;基于电磁定位的手术导航探针可视化与实时跟踪技术[J];机器人;2011年01期

7 胡占义,吴福朝;基于主动视觉摄像机标定方法[J];计算机学报;2002年11期

8 孟晓桥,胡占义;摄像机自标定方法的研究与进展[J];自动化学报;2003年01期

9 孟晓桥,胡占义;一种新的基于圆环点的摄像机自标定方法[J];软件学报;2002年05期

10 朱健明;涂伟;祝新根;邓志锋;毛国华;;超声定位在颅脑手术中的应用[J];复旦学报(医学版);2010年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 马文娟;红外手术导航仪关键技术研究[D];上海交通大学;2010年

  本文关键词：基于光学定位的超声手术导航关键技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：366216