【摘要】：手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)將患者的術(shù)前影像數(shù)據(jù)與術(shù)中解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng),能在手術(shù)過(guò)程中為醫(yī)生提供手術(shù)器械相對(duì)于手術(shù)靶點(diǎn)的位置和方向信息,實(shí)時(shí)引導(dǎo)手術(shù)進(jìn)行。定位設(shè)備是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)最為核心的部分,其定位的實(shí)時(shí)性及精度直接影響到手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性和精確性。基于雙目視覺(jué)原理的近紅外光學(xué)定位技術(shù)因其精度高、操作方便的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域,但目前國(guó)內(nèi)的光學(xué)定位設(shè)備主要依賴于國(guó)外進(jìn)口,缺乏自主創(chuàng)新與技術(shù)支持。因此為了自主研發(fā)高精度光學(xué)定位系統(tǒng),需要對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、相機(jī)圖像同步采集、標(biāo)記點(diǎn)亞像素坐標(biāo)提取及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。為解決上述關(guān)鍵問(wèn)題,本文采用Zynq作為核心處理器,通過(guò)光學(xué)定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和Zynq平臺(tái)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)近紅外標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤定位,本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)設(shè)計(jì)了光學(xué)定位硬件系統(tǒng),結(jié)合光學(xué)定位技術(shù)需求進(jìn)行模塊劃分與設(shè)計(jì),根據(jù)模塊功能需求完成了芯片選型及硬件電路實(shí)現(xiàn)。(2)設(shè)計(jì)了高同步近紅外相機(jī)圖像采集模塊,近紅外相機(jī)能有效抑制可見(jiàn)光對(duì)圖像標(biāo)記點(diǎn)提取的干擾,并實(shí)現(xiàn)了高同步圖像采集控制,有效避免標(biāo)記點(diǎn)的偽匹配問(wèn)題。(3)實(shí)現(xiàn)了高速率圖像標(biāo)記點(diǎn)提取,利用Zynq平臺(tái)的可編程邏輯資源實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別及其亞像素坐標(biāo)計(jì)算。(4)實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸方案,基于以太網(wǎng)、USB及Wi-Fi三種通信方式實(shí)現(xiàn)圖像與標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)高速的傳輸,滿足不同場(chǎng)景下的通信需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,本文提出的手術(shù)導(dǎo)航光學(xué)定位技術(shù)的定位精度標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.15mm范圍內(nèi),處理速度可達(dá)60pfs,并具有極高的圖像采集同步性,滿足手術(shù)導(dǎo)航的應(yīng)用需求。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TH777
【圖文】：

圖 1-1 Kinect 視覺(jué)定位工具Fig. 1-1 Kinect Vision Positioning Tool外光學(xué)定位技術(shù)目視覺(jué)定位技術(shù)中的圖像特征點(diǎn)提取是影響定位精度的重要也是雙目視覺(jué)技術(shù)研究中存在的難題。對(duì)此許多研究者根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行特殊特征點(diǎn)的提取，這種方法不僅能有效地解決的準(zhǔn)確率。目前光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的導(dǎo)航設(shè)備絕大多數(shù)都行實(shí)現(xiàn)。物是否有源，近紅外光學(xué)定位方法可分為主動(dòng)式(Active)、brid)三種[48]。主動(dòng)式光學(xué)定位法需要使用外部電源為固定在電，從而提供近紅外光源，通過(guò)相機(jī)采集近紅外發(fā)光二極管匹配。根據(jù)發(fā)光二極管與相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系來(lái)求取定位目被動(dòng)式光學(xué)定位法也稱為無(wú)源光學(xué)定位法，該方法通常將近

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的定位精度以及最高 4600Hz 的采集速率。系統(tǒng)由三個(gè)線形排列的 CCD 相機(jī)組成，能實(shí)時(shí)捕捉視場(chǎng)范圍內(nèi)的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，精確計(jì)算目標(biāo)物體的三維空間坐標(biāo)，由于采樣率極高，其還能獲取目標(biāo)的六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于大范圍的三維空間運(yùn)動(dòng)測(cè)定位。

圖 1-3 標(biāo)記點(diǎn)立體匹配示意圖Figure 1-3 Schematic diagram of stereo matching of marke術(shù)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于圖像同步采集、實(shí)時(shí)標(biāo)記點(diǎn)提取與信階段：前端、中端和后端。前端主要包括圖像采集與緩法進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)亞像素坐標(biāo)提取；后端則主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳用主要基于通用處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片(FieA)以及數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)等器(如 ARM 等) 可以通過(guò)各種應(yīng)用程序，借助工具軟件設(shè)計(jì)[52]，但其處理器的內(nèi)部資源限制了其圖像采集與處獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能滿足大量圖像數(shù)據(jù)的處理需求，具有極高據(jù)處理算法，而不適用于復(fù)雜的算法運(yùn)算[53]。DSP 適處理器，在圖像算法處理方面存在顯著優(yōu)勢(shì)[54]，但其難展設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 董建民;陳偉海;岳昊嵩;李東晶;;基于Kinect視覺(jué)系統(tǒng)的西紅柿自動(dòng)識(shí)別與定位[J];中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào);2014年04期

2 楊曉安;羅杰;蘇豪;包文博;;基于Zynq-7000高速圖像采集與實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)[J];電子科技;2014年07期

3 朱荔;白玉樹(shù);李明;;脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J];脊柱外科雜志;2014年02期

4 任曉波;趙文龍;唐盛;陳思平;;基于ARM+FPGA+多DSP的嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)[J];電子技術(shù)應(yīng)用;2011年08期

5 張鳳靜;周建江;夏偉杰;;基于雙目立體視覺(jué)的汽車(chē)安全車(chē)距測(cè)量方法[J];智能系統(tǒng)學(xué)報(bào);2011年01期

6 朱永光,孫政順,趙南元;擬人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2002年09期

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1 馬文娟;紅外手術(shù)導(dǎo)航儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2010年

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1 肖偉虎;基于結(jié)構(gòu)光的無(wú)標(biāo)記點(diǎn)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)研究[D];華南理工大學(xué);2017年

2 趙昕揚(yáng);用于手術(shù)導(dǎo)航的高精度三目視覺(jué)定位方法研究[D];南京理工大學(xué);2017年

3 關(guān)沛峰;基于FPGA的手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)[D];華南理工大學(xué);2016年

4 蘇森林;基于Zynq-7000 SoC的立體視覺(jué)系統(tǒng)[D];東華理工大學(xué);2014年

5 陽(yáng)軍連;基于雙目視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)的研究與應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2014年

6 于在宇;基于電磁場(chǎng)理論的醫(yī)用三維定位系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2751792