本文關(guān)鍵詞：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)

  更多相關(guān)文章： 手術(shù)導(dǎo)航 光學(xué)定位 FPGA 同步采集

【摘要】：手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(Surgical Navigation System,SNS)將病人術(shù)前影像數(shù)據(jù)和術(shù)中解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng),在術(shù)中為醫(yī)生實(shí)時(shí)導(dǎo)航,使醫(yī)生對(duì)手術(shù)器械與病人解剖結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系一目了然,使外科手術(shù)更快速、更精確、更安全。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)最基本的核心是標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù),利用手術(shù)工具上的標(biāo)記點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械在計(jì)算機(jī)中的三維重建,并獲取手術(shù)器械的空間位置和方向,在術(shù)中肉眼無(wú)法觀察的地方輔助醫(yī)生確定手術(shù)器械的位置,指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)術(shù)中標(biāo)記點(diǎn)的跟蹤定位,本文采用圖像傳感器MT9V032搭建了一套雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集,自主設(shè)計(jì)了FPGA(Field-Programmable Gate Array)控制電路板以及相應(yīng)的圖像采集控制、處理及傳輸程序,并通過(guò)USB(Universal Serial Bus)把圖像數(shù)據(jù)及處理結(jié)果傳回主機(jī)。本文研究的標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)具有高實(shí)時(shí)性,高精確性以及高同步性。本文研究?jī)?nèi)容包括:(1)雙目視覺(jué)系統(tǒng)的同步采集:通過(guò)FPGA產(chǎn)生MT9V032圖像傳感器的同步采集時(shí)序,控制兩傳感器的同步曝光,并通過(guò)自主設(shè)計(jì)FPGA控制電路,實(shí)現(xiàn)信號(hào)線的等長(zhǎng),進(jìn)一步提高采集信號(hào)的同步性,實(shí)現(xiàn)雙目視覺(jué)系統(tǒng)的圖像同步采集。(2)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)提取:利用FPGA的并行處理能力,設(shè)計(jì)了基于FPGA的標(biāo)記點(diǎn)亞像素提取算法,實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)亞像素坐標(biāo)的實(shí)時(shí)提取并進(jìn)一步提高了坐標(biāo)提取的精確度。(3)圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸:設(shè)計(jì)了USB控制器CY7C68013的固件程序及對(duì)應(yīng)的FPGA傳輸模塊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸,并通過(guò)SDRAM的緩存來(lái)解決圖像采集與USB傳輸?shù)乃俣炔黄ヅ鋯?wèn)題。(4)上位機(jī)接口程序的設(shè)計(jì):集成了最新的USB驅(qū)動(dòng),使整套系統(tǒng)能在64位操作系統(tǒng)下工作,同時(shí)使用多線程分別完成圖像數(shù)據(jù)的接收、顯示和處理操作,提高處理速度。經(jīng)驗(yàn)證,本文提出的手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)精度達(dá)到了0.2毫米以內(nèi),速度到達(dá)60幀/秒,并具有極高的同步性,完全滿足手術(shù)導(dǎo)航臨床應(yīng)用的要求。
【關(guān)鍵詞】：手術(shù)導(dǎo)航 光學(xué)定位 FPGA 同步采集
【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】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41;R61
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)應(yīng)用概述11-12
• 1.1.1 圖像中標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別11-12
• 1.1.2 標(biāo)記點(diǎn)匹配12
• 1.2 標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)的應(yīng)用12-15
• 1.3 手術(shù)導(dǎo)航中標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)15-16
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容和組織結(jié)構(gòu)16-19
• 第二章 手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)的硬件裝置設(shè)計(jì)19-34
• 2.1 系統(tǒng)構(gòu)建與核心器件選取19-22
• 2.1.1 雙目相機(jī)夾角的確定19-20
• 2.1.2 近紅外攝像系統(tǒng)構(gòu)建20-21
• 2.1.3 核心電路元器件選取21-22
• 2.2 電路原理圖設(shè)計(jì)22-27
• 2.2.1 CMOS圖像傳感器MT9V032原理圖設(shè)計(jì)23-24
• 2.2.2 主控制電路原理圖設(shè)計(jì)24-27
• 2.3 PCB設(shè)計(jì)27-32
• 2.3.1 電路多層板設(shè)計(jì)27-29
• 2.3.2 電路板形狀與元器件布局、布線29-31
• 2.3.3 等長(zhǎng)線設(shè)計(jì)31-32
• 2.4 本章小結(jié)32-34
• 第三章 手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)跟蹤技術(shù)核心程序設(shè)計(jì)34-57
• 3.1 圖像同步采集程序設(shè)計(jì)34-40
• 3.1.1 MT9V032被動(dòng)采集模式同步時(shí)序設(shè)計(jì)34-37
• 3.1.2 被動(dòng)采集模式下曝光時(shí)間控制37-39
• 3.1.3 被動(dòng)采集模式下采集幀數(shù)控制39-40
• 3.2 基于FPGA的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)提取程序設(shè)計(jì)40-47
• 3.2.1 灰度加權(quán)法提取標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)40-41
• 3.2.2 上位機(jī)標(biāo)記點(diǎn)提取的局限性41-42
• 3.2.3 標(biāo)記點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)提取在FPGA中實(shí)現(xiàn)42-43
• 3.2.4 亞像素坐標(biāo)提取子模塊的設(shè)計(jì)43-46
• 3.2.5 偽標(biāo)記點(diǎn)剔除46-47
• 3.3 圖像數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)47-56
• 3.3.1 USB傳輸設(shè)計(jì)47-52
• 3.3.2 SDRAM緩存模塊設(shè)計(jì)52-54
• 3.3.3 上位機(jī)接口程序設(shè)計(jì)54-56
• 3.4 本章小結(jié)56-57
• 第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析57-65
• 4.1 圖像采集同步性分析57-58
• 4.2 頻閃現(xiàn)象分析58-59
• 4.3 基于FPGA的標(biāo)記點(diǎn)亞像素提取精度分析59-62
• 4.4 標(biāo)記點(diǎn)跟蹤結(jié)果精度分析62-63
• 4.5 本章小結(jié)63-65
• 第五章 總結(jié)與展望65-67
• 參考文獻(xiàn)67-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果72-74
• 致謝74-75
• 附表75

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本文編號(hào)：922940