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

【摘要】：增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)通過位姿跟蹤、圖像融合和信息化顯示技術(shù)將手術(shù)導(dǎo)航圖像疊加在病人身體手術(shù)部位,借助增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航圖像醫(yī)生能夠獲得“透視”能力,實時獲取手術(shù)工具和病灶的位姿和圖像信息。但是現(xiàn)有手術(shù)導(dǎo)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(dǎo)航圖像信息可視化方法較為單一,難以滿足不同手術(shù)應(yīng)用對手術(shù)導(dǎo)航的不同需求。本文面向用于增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航中的位姿跟蹤技術(shù)需求,針對基于慣性和磁傳感器的姿態(tài)跟蹤技術(shù)、基于光學(xué)和慣性跟蹤系統(tǒng)的混合位姿跟蹤技術(shù)和增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航信息可視化方法等關(guān)鍵技術(shù)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(chǔ)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(yīng)用需求的離線姿態(tài)跟蹤。2、提出了一種基于光學(xué)跟蹤和慣性跟蹤的混合位姿跟蹤系統(tǒng)。針對光學(xué)跟蹤精度較高但是易發(fā)生遮擋的問題,提出將光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)-慣性混合跟蹤的增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航信息可視化方法。在本文提出的光學(xué)-慣性混合跟蹤方法的基礎(chǔ)上,分別提出了基于內(nèi)窺鏡、頭戴式顯示設(shè)備和分光鏡的增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)航信息可視化方法,增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠準確跟蹤手術(shù)中各目標的位姿并將手術(shù)導(dǎo)航圖像與之進行匹配,并通過增強現(xiàn)實顯示設(shè)備實時顯示給醫(yī)生,實現(xiàn)基于混合跟蹤方法的手術(shù)導(dǎo)航信息可視化應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：增強現(xiàn)實 手術(shù)導(dǎo)航 慣性跟蹤 光學(xué)跟蹤 混合位姿跟蹤 導(dǎo)航信息可視化
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)航的光學(xué)-慣性混合位姿跟蹤49-66
• 3.1. 光學(xué)與慣性跟蹤系統(tǒng)校正49-53
• 3.1.1. 光學(xué)和慣性系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步化49-51
• 3.1.2. 光學(xué)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(xué)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(xué)-慣性混合位姿跟蹤的增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航信息可視化66-82
• 4.1. 基于光學(xué)-慣性混合跟蹤方法的內(nèi)窺鏡手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標校正67-70
• 4.2. 基于光學(xué)-慣性混合跟蹤方法的近眼顯示手術(shù)導(dǎo)航信息可視化方法70-73
• 4.2.1. 邊緣顯示式手術(shù)導(dǎo)航信息可視化70-71
• 4.2.2. 基于頭戴式顯示設(shè)備的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標校正71-73
• 4.3. 基于光學(xué)-慣性混合跟蹤方法及分光鏡的手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標校正75-76
• 4.4. 手術(shù)導(dǎo)航位姿信息誤差可視化方法76-78
• 4.5. 增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)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(xué)-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(xué)-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(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)航信息可視化系統(tǒng)實現(xiàn)97-102
• 5.3.2. 增強現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)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(xué)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

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