基于双目立体视觉的手术导航空间点定位系统的研究

【摘要】：手术导航中三维定位系统是用来确定手术室里所有设备的空间位置, 其精确性、可靠性和方便性是手术成功的关键因素。本文在对手术导航中所用到的定位方法回顾的基础上, 主要针对骨科手术导航中髓内钉远端定位螺孔位置难以确定的困难, 仿照人类利用双目感知距离的方法, 使用双目立体视觉技术, 实现对三维空间目标点的定位。运用两个摄像机对同一目标从不同位置成像, 进而从视差中恢复距离。主要在双目立体视觉重建原理、目标特征点的分割、提取、目标物体空间相对位置和姿态的确定以及定位原型系统的制作等方面进行了理论探索和实验研究。 根据实际手术现场的需要, 提出了使用发光LED 管作为标志点, 利用非接触式光学定位方法提取空间点位置信息。通过对摄像机的标定、图像的分割以及目标形心的计算等步骤, 反求出了空间点在虚拟世界坐标系下的三维坐标, 实现了一种适应非结构化环境中快速有效的非损伤、非接触定位算法, 并依据手术现场中手术工具和病灶部位的情况, 推演出了髓内钉坐标系、钻头工具坐标系、世界坐标系三者之间的变换关系, 对手术中标志物空间相对位置与姿态估计进行了分析。为了有效地实现和验证本文提出的定位方法, 在实验室现有条件的基础上, 建立了相应的原理实验系统, 给出了系统的硬件和软件构成, 并进行了实验和误差分析, 得到空间点的坐标误差会随着离开标定区域范围距离的增加而呈现增大趋势的结论, 为标定范围的确定提供了参考依据。 本文对手术导航中利用双目立体视觉技术进行空间点定位做了系统而独立的研究。不仅从实践意义上验证了立体视觉技术在手术导航