本文關(guān)鍵詞：手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中光學(xué)和慣性組合定位方法的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著立體定位技術(shù)和成像技術(shù)的發(fā)展,手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)越來(lái)越多的應(yīng)用在骨科、神經(jīng)外科、耳鼻喉科等外科手術(shù)中。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),涉及多種關(guān)鍵技術(shù),其中空間定位技術(shù)直接決定著手術(shù)定位精度,繼而影響手術(shù)效果。目前在用的手術(shù)定位系統(tǒng)主要有機(jī)械定位系統(tǒng)、光學(xué)定位系統(tǒng)、超聲波定位系統(tǒng)和電磁定位系統(tǒng),然而上述系統(tǒng)在使用中各有利弊,很難達(dá)到準(zhǔn)確性和魯棒性的統(tǒng)一。目前臨床在用的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)大部分都是基于光學(xué)定位的導(dǎo)航系統(tǒng)。光學(xué)定位系統(tǒng)依靠可見光或者紅外光進(jìn)行定位,定位光束被遮擋后便無(wú)法提供定位信息。在實(shí)際的外科導(dǎo)航手術(shù)中,很難保證手術(shù)全過(guò)程定位光束不被遮擋。醫(yī)生在使用手術(shù)器械進(jìn)行復(fù)雜操作的同時(shí)還要注意定位光束的暢通,給外科醫(yī)生的手術(shù)操作帶來(lái)很大的不便,遮擋后定位信息的缺失會(huì)造成很大的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為了解決光學(xué)定位系統(tǒng)定位光束遮擋期間的定位問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種光學(xué)定位系統(tǒng)和慣性定位系統(tǒng)組合定位的方法。在光學(xué)定位系統(tǒng)的定位信息受到短時(shí)遮擋而無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí),利用慣性定位系統(tǒng)的定位信息進(jìn)行定位補(bǔ)償,使定位信息不間斷,保證手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)定位的連續(xù)性。區(qū)別于光學(xué)定位系統(tǒng),慣性定位系統(tǒng)屬于自主式定位系統(tǒng),它通過(guò)慣性測(cè)量器件采集目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息。由于慣性測(cè)量器件存在不可避免的漂移現(xiàn)象,無(wú)法獨(dú)立長(zhǎng)時(shí)間用于目標(biāo)的定位。本文采用擴(kuò)展卡爾曼濾波的方法,通過(guò)融合光學(xué)定位系統(tǒng)未被遮擋期間的定位信息與光學(xué)定位系統(tǒng)被遮擋期間慣性定位系統(tǒng)的定位信息獲得新的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位信息,可預(yù)測(cè)出目標(biāo)載體在光學(xué)定位系統(tǒng)定位信息缺失期間的運(yùn)動(dòng)情況。本文對(duì)慣性定位系統(tǒng)定位信息的解算方法進(jìn)行了推導(dǎo)分析,并設(shè)計(jì)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)用于驗(yàn)證解算方法的可行性與可靠性。最后設(shè)計(jì)了組合定位方法用于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)精度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的組合定位方法在0.2s被遮擋期間x軸、y軸和z軸方向的位移定位誤差分別為0.34 mm、0.24 mm和1.0 mm,姿態(tài)角定位誤差為2.2°。因此能夠補(bǔ)償定位光束短時(shí)遮擋時(shí)定位信息的缺失,基本滿足臨床導(dǎo)航需求。
【關(guān)鍵詞】：手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng) 慣性定位 光學(xué)定位 組合定位 數(shù)據(jù)融合
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R312;R616
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符號(hào)對(duì)照表9-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 課題背景及研究目的10-11
• 1.2 手術(shù)定位系統(tǒng)11-14
• 1.2.1 機(jī)械定位法11
• 1.2.2 光學(xué)定位法11-13
• 1.2.3 超聲波定位法13
• 1.2.4 電磁定位法13-14
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-17
• 1.4 本文的主要工作17
• 1.5 論文結(jié)構(gòu)17-18
• 1.6 本章小結(jié)18-19
• 第2章 慣性定位系統(tǒng)原理19-39
• 2.1 常用坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換關(guān)系19-21
• 2.1.1 當(dāng)?shù)貙?dǎo)航坐標(biāo)系19
• 2.1.2 載體坐標(biāo)系19-20
• 2.1.3 坐標(biāo)系間的關(guān)系20-21
• 2.2 MEMS加速度傳感器21-26
• 2.2.1 MEMS加速度傳感器分類21-24
• 2.2.2 比力與比力方程24-26
• 2.3 MEMS陀螺儀26-28
• 2.3.1 科氏效應(yīng)與科里奧利力26-27
• 2.3.2 MENS陀螺儀分類27-28
• 2.3.3 MEMS陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)28
• 2.4 捷聯(lián)式慣性定位系統(tǒng)姿態(tài)和位置更新算法28-38
• 2.4.1 捷聯(lián)式慣性定位系統(tǒng)姿態(tài)更新算法29-35
• 2.4.2 捷聯(lián)式慣性定位系統(tǒng)位置更新算法35-38
• 2.5 捷聯(lián)式慣性定位系統(tǒng)誤差來(lái)源分析38
• 2.6 本章小結(jié)38-39
• 第3章 光學(xué)定位系統(tǒng)原理39-49
• 3.1 光學(xué)定位系統(tǒng)的工作原理39-40
• 3.2 光學(xué)定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系定義40-43
• 3.2.1 圖像模型坐標(biāo)系40-41
• 3.2.2 世界坐標(biāo)系41
• 3.2.3 手術(shù)器械坐標(biāo)系41-42
• 3.2.4 標(biāo)志架坐標(biāo)系42-43
• 3.2.5 患者坐標(biāo)系43
• 3.3 光學(xué)定位系統(tǒng)Polaris Spectra43-44
• 3.4 光學(xué)定位系統(tǒng)主要算法44-48
• 3.4.1 攝像機(jī)標(biāo)定44
• 3.4.2 三維重建44-45
• 3.4.3 手術(shù)器械的標(biāo)定45-48
• 3.5 本章小結(jié)48-49
• 第4章 慣性與光學(xué)組合定位方法49-65
• 4.1 組合定位系統(tǒng)構(gòu)建49-51
• 4.1.1 光學(xué)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析50
• 4.1.2 慣性定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析50-51
• 4.2 數(shù)據(jù)同步51-52
• 4.3 數(shù)據(jù)融合52-59
• 4.3.1 經(jīng)典Kalman濾波方程52-54
• 4.3.2 擴(kuò)展Kalman濾波54-59
• 4.4 擴(kuò)展Kalman濾波器的應(yīng)用59-61
• 4.4.1 直接法和間接法59-60
• 4.4.2 系統(tǒng)校正方法60-61
• 4.5 組合定位擴(kuò)展卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)61-63
• 4.6 本章小結(jié)63-65
• 第5章 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析65-80
• 5.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)65-69
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>65
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)條件65
• 5.1.3 實(shí)驗(yàn)方法65-66
• 5.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果66-69
• 5.2 磁場(chǎng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)69-71
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>69
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)條件69
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)方法69-70
• 5.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果70-71
• 5.3 運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)71-75
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>71-72
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)條件72
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)方法72
• 5.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果72-75
• 5.4 組合定位實(shí)驗(yàn)75-79
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>75
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)條件75
• 5.4.3 實(shí)驗(yàn)方法75-76
• 5.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果76-79
• 5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析79
• 5.6 本章小結(jié)79-80
• 第6章 總結(jié)與展望80-82
• 6.1 論文工作總結(jié)80
• 6.2 后續(xù)工作展望80-82
• 參考文獻(xiàn)82-85
• 致謝85-87
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果87

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本文編號(hào)：437020