基于光学定位的超声手术导航关键技术研究

【摘要】：手术导航中的定位技术包括光学定位、电磁定位、机械定位等,其中光学定位相比其他技术具有抗电磁干扰、操作灵活、占用空间小等优点,更适用于电磁复杂、空间狭小的手术室环境。目前手术前通常采集病患的X-ray、CT图像,这对病患和医师造成辐射损伤。普遍使用的二维超声虽能避免辐射损伤,但存在部分容积效应,使得病灶定位不准确。为此,本文将二维超声图像映射到三维空间,提出一种适用于经皮穿刺的以超声影像引导的光学定位手术导航系统。重点研究了光学定位摄像机标定、手术探针尖端点标定、超声探头标定、手术探针与超声探头区分识别、三维手术场景的仿真显示等问题。 首先,提出一种基于三正交约束的摄像机标定方法,该方法以空间三正交线段为模板,采集至少2幅标定图像即可堆叠标定方程,解析求解出摄像机参数,仿真和真实实验结果表明该方法与经典摄像机标定方法的相对误差仅为1.3%。 其次,利用光学定位设备标定手术探针和超声探头,设计一种基于空间矩阵传递性的手术探针标定方法和提出一种基于两个正交平面的超声探头标定方法,两种方法的平均标定误差均约为1mm。 另外,设计两块特征标识板和一种基于特征区域颜色和面积信息的手术探针和超声探头特征标识板区分识别方法,统计图像中颜色和面积信息,可以快速准确地区分识别手术探针和超声探头,共6个特征点,识别帧率达到20帧/秒。 最后,本文搭建了光学定位超声手术导航实验系统样机,对样机进行了标定、跟踪测试、卡尔曼滤波目标预测、精度测试、多个器械的区分识别测试,编写配套的手术导航软件。利用搭建的实验系统样机进行了单个探针的运动实验、探针和超声探头的组合运动实验,三维手术场景的仿真显示提供了探针运动和探头超声平面的空间信息。 综上,本文设计提出的各项关键技术方法和搭建的系统样机的实验结果表明该样机满足简易手术导航的精度和实时性要求。