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用于神经外科穿刺定位的三维重建技术研究

吕晔  
【摘要】:目前神经外科穿刺手术主要依靠医生的手感和经验实现,手术成功率有限。并且由于计算机视觉技术的迅速发展,三维重建技术逐渐成为一项成熟并应用广泛的技术,但是三维重建技术,在临床医学上的使用很有限。因此,本文将对双目视觉三维重建技术进行研究,实现对患者头部局部区域的体表三维模型重建。将其应用到神经外科穿刺手术中,配合三维治疗模型,为手术提供非接触式的定位与导航。首先模拟手术室环境,根据手术室中的无影灯照明条件以及背景为纯色的无菌布环境搭建取景环境。分析相机成像原理得到空间一点到相机的像素坐标系的变换关系,以及双目相机之间的坐标转换。拍摄标定棋盘图,分析相机参数与畸变原理并通过结合Open CV完成单目相机的内参标定以及双目相机的外参标定。其次,对获取的左右视角图片完成校正和极线匹配预处理。利用开源的测试图片集,对比两种常用立体匹配算法的优劣,选择本课题用于立体匹配的算法。通过优化算法参数,手动增加纹理等方法获得较好的视差图。接着,通过获取的视差图,利用深度映射矩阵Q得到点云数据。双目视觉三维重建获取的点云数据是杂乱、噪点多、空洞多,且无面信息。在配准和Meshlab表面重建之前需要对点云进行滤波和裁剪去除噪点。去除噪点之后的点云通过Meshlab的处理计算法向量、泊松表面重建以及删除多余面得到可被三维建模软件打开编辑的.stl格式文件。同时可以对裁剪后的点云进行配准,获取范围更大甚至整个头部的点云数据。最后,将相机调用和图像采集、双目标定、立体匹配得到深度图、点云滤波裁剪和配准等程序,通过Py Qt5开发前端界面整合成一个完整的交互式软件内。并且通过将其封装,可以轻松的移植到别的电脑上运行而不需要额外的安装运行库。使得医生在手术室通过该软件的简单操作可以获得所需要的患者头部局部区域体表点云模型。


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