發(fā)布時間：2017-04-25 05:09

  本文關鍵詞：增強現(xiàn)實手術導航中的混合位姿跟蹤技術及可視化應用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：增強現(xiàn)實手術導航系統(tǒng)通過位姿跟蹤、圖像融合和信息化顯示技術將手術導航圖像疊加在病人身體手術部位,借助增強現(xiàn)實手術導航圖像醫(yī)生能夠獲得“透視”能力,實時獲取手術工具和病灶的位姿和圖像信息。但是現(xiàn)有手術導航系統(tǒng)的位姿跟蹤的精度、魯棒性和刷新率通常較低,且增強現(xiàn)實導航圖像信息可視化方法較為單一,難以滿足不同手術應用對手術導航的不同需求。本文面向用于增強現(xiàn)實手術導航中的位姿跟蹤技術需求,針對基于慣性和磁傳感器的姿態(tài)跟蹤技術、基于光學和慣性跟蹤系統(tǒng)的混合位姿跟蹤技術和增強現(xiàn)實手術導航信息可視化方法等關鍵技術開展了深入系統(tǒng)的研究工作,主要研究內(nèi)容包括:1、提出了一種基于慣性和磁傳感器的離線混合姿態(tài)跟蹤方法。針對目前姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)精度受陀螺儀漂移誤差影響的問題,在研究基于慣性傳感器的姿態(tài)跟蹤基本原理的基礎上,提出了一種基于卡爾曼濾波器的慣性磁場混合姿態(tài)跟蹤算法及傳感器測量噪聲模型定義方法,在卡爾曼濾波器中抑制位移運動加速度誤差和傳感器測量噪聲對姿態(tài)跟蹤精度的影響。實驗結(jié)果表明,本文提出的基于慣性和磁傳感器的姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)和數(shù)據(jù)融合方法能夠有效的抑制漂移誤差、位移運動加速度誤差和傳感器測量噪聲對姿態(tài)跟蹤精度的影響,可將姿態(tài)跟蹤誤差控制在0.1°以內(nèi),實現(xiàn)了能夠滿足增強現(xiàn)實應用需求的離線姿態(tài)跟蹤。2、提出了一種基于光學跟蹤和慣性跟蹤的混合位姿跟蹤系統(tǒng)。針對光學跟蹤精度較高但是易發(fā)生遮擋的問題,提出將光學跟蹤系統(tǒng)和慣性跟蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行融合的方法,充分利用光學跟蹤系統(tǒng)高精度和慣性跟蹤系統(tǒng)高刷新率和不受遮擋影響的優(yōu)點,通過光學跟蹤系統(tǒng)對慣性傳感器偏置誤差進行校正并通過擴展卡爾曼濾波器對光學和慣性跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行融合。實驗結(jié)果表明,本文所構(gòu)建的混合跟蹤系統(tǒng)能夠抑制傳感器偏置誤差和光學遮擋對位姿跟蹤精度的影響,提高了位姿跟蹤的刷新率,實現(xiàn)了部分遮擋條件下不受遮擋時間影響的高精度位姿跟蹤和全部遮擋條件下較短時間(5s)的高精度位姿跟蹤,同時將刷新率提高至100Hz。3、提出了基于光學-慣性混合跟蹤的增強現(xiàn)實手術導航信息可視化方法。在本文提出的光學-慣性混合跟蹤方法的基礎上,分別提出了基于內(nèi)窺鏡、頭戴式顯示設備和分光鏡的增強現(xiàn)實手術導航信息可視化方法,通過邊緣式增強現(xiàn)實顯示方法和誤差信息可視化方法提高了手術導航信息的可視化效果。實驗結(jié)果表明,借助本文所提出的混合跟蹤方法和手術導航信息可視化方法,增強現(xiàn)實手術導航系統(tǒng)能夠準確跟蹤手術中各目標的位姿并將手術導航圖像與之進行匹配,并通過增強現(xiàn)實顯示設備實時顯示給醫(yī)生,實現(xiàn)基于混合跟蹤方法的手術導航信息可視化應用。
【關鍵詞】：增強現(xiàn)實 手術導航 慣性跟蹤 光學跟蹤 混合位姿跟蹤 導航信息可視化
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1. 緒論12-31
• 1.1. 研究背景12-13
• 1.2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-27
• 1.2.1. 用于手術導航的位姿跟蹤研究現(xiàn)狀13-22
• 1.2.2. 用于增強現(xiàn)實手術導航的信息可視化方法22-27
• 1.3. 論文研究內(nèi)容27-28
• 1.4. 論文組織與結(jié)構(gòu)28-31
• 2. 用于增強現(xiàn)實手術導航的慣性-磁場混合姿態(tài)跟蹤31-49
• 2.1. 姿態(tài)跟蹤坐標系及姿態(tài)角表示方法31-35
• 2.1.1. 慣性姿態(tài)跟蹤坐標系定義31-32
• 2.1.2. 歐拉角32-34
• 2.1.3. 四元數(shù)34-35
• 2.2. 用于姿態(tài)跟蹤的數(shù)據(jù)融合35-38
• 2.2.1. 貝葉斯濾波器35-36
• 2.2.2. 卡爾曼濾波器36-38
• 2.3. 慣性和磁傳感器測量模型38-41
• 2.3.1. 陀螺儀測量模型38-39
• 2.3.2. 加速度計測量模型39-40
• 2.3.3. 磁傳感器測量模型40-41
• 2.4. 基于慣性和磁傳感器的姿態(tài)角測量41-47
• 2.4.1. 利用陀螺儀計算目標姿態(tài)角41-42
• 2.4.2. 利用加速度計和磁傳感器計算目標姿態(tài)角42-44
• 2.4.3. 用于姿態(tài)跟蹤的慣性-磁場數(shù)據(jù)融合44-47
• 2.5. 本章小結(jié)47-49
• 3. 用于增強現(xiàn)實手術導航的光學-慣性混合位姿跟蹤49-66
• 3.1. 光學與慣性跟蹤系統(tǒng)校正49-53
• 3.1.1. 光學和慣性系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步化49-51
• 3.1.2. 光學和慣性跟蹤系統(tǒng)坐標系校正51-53
• 3.2. 慣性傳感器偏置誤差校正53-56
• 3.2.1. 慣性傳感器偏置誤差模型53-54
• 3.2.2. 慣性傳感器偏置噪聲濾波54-56
• 3.3. 非線性系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合56-58
• 3.3.1. 無跡卡爾曼濾波56-57
• 3.3.2. 擴展卡爾曼濾波57-58
• 3.4. 光學和慣性跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合58-64
• 3.4.1. 狀態(tài)更新59-61
• 3.4.2. 測量更新61-64
• 3.5. 本章小結(jié)64-66
• 4. 基于光學-慣性混合位姿跟蹤的增強現(xiàn)實手術導航信息可視化66-82
• 4.1. 基于光學-慣性混合跟蹤方法的內(nèi)窺鏡手術導航信息可視化方法66-70
• 4.1.1. 內(nèi)窺鏡圖像與位姿信息融合方法66-67
• 4.1.2. 基于內(nèi)窺鏡的手術導航系統(tǒng)坐標校正67-70
• 4.2. 基于光學-慣性混合跟蹤方法的近眼顯示手術導航信息可視化方法70-73
• 4.2.1. 邊緣顯示式手術導航信息可視化70-71
• 4.2.2. 基于頭戴式顯示設備的手術導航系統(tǒng)坐標校正71-73
• 4.3. 基于光學-慣性混合跟蹤方法及分光鏡的手術導航信息可視化方法73-76
• 4.3.1. 基于分光鏡的增強現(xiàn)實圖像疊加方法73-75
• 4.3.2. 基于分光鏡的手術導航系統(tǒng)坐標校正75-76
• 4.4. 手術導航位姿信息誤差可視化方法76-78
• 4.5. 增強現(xiàn)實手術導航信息可視化實現(xiàn)步驟78-81
• 4.6. 本章小結(jié)81-82
• 5. 增強現(xiàn)實手術導航位姿跟蹤與信息可視化實現(xiàn)與驗證82-114
• 5.1. 慣性-磁場混合姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗結(jié)果82-88
• 5.1.1. 基于慣性-磁傳感器的離線姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)82-84
• 5.1.2. 位移運動實驗84-86
• 5.1.3. 姿態(tài)角旋轉(zhuǎn)實驗86-88
• 5.2. 光學-慣性混合位姿跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗結(jié)果88-96
• 5.2.1. 基于光學-慣性跟蹤系統(tǒng)的混合跟蹤系統(tǒng)88-90
• 5.2.2. 靜止實驗90-92
• 5.2.3. 運動實驗92-96
• 5.3. 增強現(xiàn)實手術導航信息可視化系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗結(jié)果96-113
• 5.3.1. 增強現(xiàn)實手術導航信息可視化系統(tǒng)實現(xiàn)97-102
• 5.3.2. 增強現(xiàn)實手術導航信息可視化實驗結(jié)果與討論102-113
• 5.4. 本章小結(jié)113-114
• 總結(jié)與展望114-117
• 本文工作總結(jié)114-115
• 未來工作展望115-117
• 參考文獻117-124
• 附錄一 符號釋義124-125
• 附錄二 英文縮寫說明125-126
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單126-128
• 致謝128-130
• 作者簡介130

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 楊建璽;錢晉武;;股骨骨折手術導航的特點及系統(tǒng)各坐標系之間的變換[J];工程圖學學報;2007年01期

2 姜立軍;甘東兵;王國榮;;基于雙目視覺傳感的計算機輔助骨外科手術導航模型[J];華南理工大學學報(自然科學版);2006年02期

3 姜立軍,王國榮,韋巍;一種應用于手術導航的雙目立體視覺系統(tǒng)的標定方法[J];南昌航空工業(yè)學院學報(自然科學版);2004年03期

4 向華;王純巍;王廣志;;手術導航中的三維注冊方法[J];空軍醫(yī)學雜志;2011年03期

5 鄧宏;陳笠;陳曉軍;林艷萍;王成燾;;基于PACS的計算機手術導航過程歸檔[J];計算機工程;2008年05期

6 閆士舉;陳統(tǒng)一;;基于C型臂手術導航技術的XRⅡ圖像中標志物識別及數(shù)據(jù)提取[J];中國組織工程研究與臨床康復;2009年48期

7 王杉杉;劉海華;;手術導航中三維定位系統(tǒng)的研究[J];現(xiàn)代科學儀器;2012年01期

8 張建國;葉銘;楊慶銘;王成燾;;髖關節(jié)表面置換手術導航系統(tǒng)[J];上海交通大學學報;2008年12期

9 白晶;丁輝;王廣志;徐東;趙雷雨;;手術導航中人體標志點注冊方法和注冊精度研究[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2008年06期

10 張鵬煒;張智詮;胡磊;欒勝;;一種用于外科手術導航的雙目視覺簡化系統(tǒng)[J];光電工程;2009年06期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 周振環(huán);陳思平;陶篤純;;手術導航的新進展和應用前景[A];首屆全國醫(yī)療器械學術與產(chǎn)業(yè)論壇論文集[C];2002年

2 張毓笠;蘇文魁;羅曉寧;李冬梅;周兆英;;手術導航引導下超聲手術系統(tǒng)應用研究[A];中國儀器儀表學會醫(yī)療儀器分會2010兩岸四地生物醫(yī)學工程學術年會論文集[C];2010年

3 張翼;宋志堅;;一種用于脊柱外科三維手術導航的配準方法研究[A];2008年醫(yī)療儀器學術年會暨理事會論文匯編[C];2008年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 記者 戴麗昕;國產(chǎn)手術導航定位精確[N];上海科技報;2006年

2 徐敏;“手術導航”呼喚自主研發(fā)[N];解放日報;2003年

3 記者 顧泳;外科開刀有了“第三只眼”[N];解放日報;2009年

4 記者 吳苡婷;為手術“引路”為生命“導航”[N];上�？萍紙�;2009年

5 記者　 章迪思;手術定位精度：毫米級[N];解放日報;2006年

6 楊興云;微電極立體定向 手術導航系統(tǒng)導航[N];中國醫(yī)藥報;2004年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 賀長宇;增強現(xiàn)實手術導航中的混合位姿跟蹤技術及可視化應用研究[D];北京理工大學;2015年

2 馬文娟;紅外手術導航儀關鍵技術研究[D];上海交通大學;2010年

3 張翼;脊柱外科手術導航關鍵技術的研究與系統(tǒng)建立[D];復旦大學;2008年

4 王建華;數(shù)字式紅外手術導航儀關鍵技術研究[D];上海交通大學;2007年

5 王宸昊;高精度顱頜面手術導航中的關鍵技術研究[D];上海交通大學;2012年

6 閆士舉;基于C形臂手術導航關鍵技術研究及系統(tǒng)實現(xiàn)[D];上海交通大學;2008年

7 翟偉明;影像引導下計算機輔助介入手術導航關鍵技術的研究[D];清華大學;2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳宇;基于肺穿刺手術導航的精度提升與路徑規(guī)劃研究[D];東北大學;2014年

2 鄭銀強;紅外手術導航儀的高精度定位理論與方法[D];上海交通大學;2009年

3 王杉杉;手術導航中三維定位系統(tǒng)的研究[D];中南民族大學;2012年

4 沈軼;高精度手術導航的研究與應用[D];上海交通大學;2012年

5 朱曉芬;基于NIRS的手術導航穿刺路徑糾錯方法研究[D];南京航空航天大學;2011年

6 徐俊斌;一種熒光手術導航目鏡系統(tǒng)的設計與應用研究[D];中國科學技術大學;2014年

7 曹莉;手術導航中雙目立體視覺系統(tǒng)的設計及關鍵技術的研究[D];濟南大學;2011年

8 任亮;基于光學定位的超聲手術導航關鍵技術研究[D];大連理工大學;2013年

9 唐愷浩;手術導航中若干關鍵問題的研究與實現(xiàn)[D];上海交通大學;2007年

10 李智攀;股骨頭壞死治療手術中的導航技術研究與軟件開發(fā)[D];上海交通大學;2008年

  本文關鍵詞：增強現(xiàn)實手術導航中的混合位姿跟蹤技術及可視化應用研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：325674