基于FPGA的手术导航标记点跟踪技术的硬件实现

发布时间：2017-09-26 10:19

  本文关键词：基于FPGA的手术导航标记点跟踪技术的硬件实现

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【摘要】：手术导航系统(Surgical Navigation System,SNS)将病人术前影像数据和术中解剖结构准确对应,在术中为医生实时导航,使医生对手术器械与病人解剖结构的对应关系一目了然,使外科手术更快速、更精确、更安全。手术导航系统最基本的核心是标记点跟踪技术,利用手术工具上的标记点可实现手术器械在计算机中的三维重建,并获取手术器械的空间位置和方向,在术中肉眼无法观察的地方辅助医生确定手术器械的位置,指导手术的进行。为实现术中标记点的跟踪定位,本文采用图像传感器MT9V032搭建了一套双目视觉系统进行图像采集,自主设计了FPGA(Field-Programmable Gate Array)控制电路板以及相应的图像采集控制、处理及传输程序,并通过USB(Universal Serial Bus)把图像数据及处理结果传回主机。本文研究的标记点跟踪技术具有高实时性,高精确性以及高同步性。本文研究内容包括:(1)双目视觉系统的同步采集:通过FPGA产生MT9V032图像传感器的同步采集时序,控制两传感器的同步曝光,并通过自主设计FPGA控制电路,实现信号线的等长,进一步提高采集信号的同步性,实现双目视觉系统的图像同步采集。(2)标记点的坐标提取:利用FPGA的并行处理能力,设计了基于FPGA的标记点亚像素提取算法,实现标记点亚像素坐标的实时提取并进一步提高了坐标提取的精确度。(3)图像数据的高速传输:设计了USB控制器CY7C68013的固件程序及对应的FPGA传输模块,实现数据的高速传输,并通过SDRAM的缓存来解决图像采集与USB传输的速度不匹配问题。(4)上位机接口程序的设计:集成了最新的USB驱动,使整套系统能在64位操作系统下工作,同时使用多线程分别完成图像数据的接收、显示和处理操作,提高处理速度。经验证,本文提出的手术导航标记点跟踪技术精度达到了0.2毫米以内,速度到达60帧/秒,并具有极高的同步性,完全满足手术导航临床应用的要求。
【关键词】：手术导航 光学定位 FPGA 同步采集
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;R61
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 标记点跟踪技术应用概述11-12
• 1.1.1 图像中标记点识别11-12
• 1.1.2 标记点匹配12
• 1.2 标记点跟踪技术的应用12-15
• 1.3 手术导航中标记点跟踪技术15-16
• 1.4 本文研究内容和组织结构16-19
• 第二章 手术导航标记点跟踪技术的硬件装置设计19-34
• 2.1 系统构建与核心器件选取19-22
• 2.1.1 双目相机夹角的确定19-20
• 2.1.2 近红外摄像系统构建20-21
• 2.1.3 核心电路元器件选取21-22
• 2.2 电路原理图设计22-27
• 2.2.1 CMOS图像传感器MT9V032原理图设计23-24
• 2.2.2 主控制电路原理图设计24-27
• 2.3 PCB设计27-32
• 2.3.1 电路多层板设计27-29
• 2.3.2 电路板形状与元器件布局、布线29-31
• 2.3.3 等长线设计31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 手术导航标记点跟踪技术核心程序设计34-57
• 3.1 图像同步采集程序设计34-40
• 3.1.1 MT9V032被动采集模式同步时序设计34-37
• 3.1.2 被动采集模式下曝光时间控制37-39
• 3.1.3 被动采集模式下采集帧数控制39-40
• 3.2 基于FPGA的标记点坐标提取程序设计40-47
• 3.2.1 灰度加权法提取标记点坐标40-41
• 3.2.2 上位机标记点提取的局限性41-42
• 3.2.3 标记点的亚像素坐标提取在FPGA中实现42-43
• 3.2.4 亚像素坐标提取子模块的设计43-46
• 3.2.5 伪标记点剔除46-47
• 3.3 图像数据传输设计47-56
• 3.3.1 USB传输设计47-52
• 3.3.2 SDRAM缓存模块设计52-54
• 3.3.3 上位机接口程序设计54-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 实验结果与分析57-65
• 4.1 图像采集同步性分析57-58
• 4.2 频闪现象分析58-59
• 4.3 基于FPGA的标记点亚像素提取精度分析59-62
• 4.4 标记点跟踪结果精度分析62-63
• 4.5 本章小结63-65
• 第五章 总结与展望65-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果72-74
• 致谢74-75
• 附表75

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本文编号：922940