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腹腔镜手术器械运动空间测量与计算方法
目的 腹腔镜手术器械的运动分析是器械设计的重要指标,手术器械通过切口进入腹腔能到达的空间很大,然而器械实际操作中的运动幅度是有限的.本文测量模拟腹腔镜手术时器械的插入深度、偏转角度等参数,获得器械的实际运动空间.方法 在腹腔镜手术训练系统上设置转移任务和缝合任务.采用双目视觉系统Micron Tracker捕捉每把器械上的标记点,获得标记点坐标以及相应的器械尖端坐标.通过数据处理,建立以操作平台为基准的坐标系,计算出器械的插入深度、偏转角度,后获得器械运动空间的数学表达式.结果 转移任务中左右器械运动空间基本对称,器械的插入深度约为154～ 240 mm,上下摆动的角度约为29°,左右摆动的角度约为30°.缝合任务中左右器械运动空间差距较大,右器械的摆动角度(上下45°,左右52.2°)明显比左器械大(上下27.7°,左右34.7°).缝合任务中器械的运动空间比转移任务大.结论 腹腔镜手术中器械的实际运动空间比器械所能到达的空间小.器械的实际运动空间受操作任务、插入点位置、左-右手等因素影响.本研究可用于传统腹腔镜手术的器械运动分析,也可为不同切口下器械的运动空间分析提供参考,并为新手术入路下的器械设计提供思路.
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基于双目视觉的呼吸运动实时跟踪方法研究
探讨一种基于双目视觉实时监测和跟踪人体的呼吸运动情况,减少肿瘤靶区组织因呼吸等运动产生位移而引起的治疗误差,以实现在放疗过程中减少呼吸运动对精确放疗产生的影响.采用放置治疗床上方的双摄像机,实时采集带有标记物的图片传送给计算机,使用余弦算法对放置胸腹体表的标记物进行特征识别,对视差信息进行图片匹配,采用双目视觉和小孔成像原理计算标记物三维坐标,通过监测标记物随时间变化的具体坐标可获取标记物是否因呼吸等运动产生位移.实验中,实时测量9个标记物的三维坐标.实验结果表明,9个体表标记物的测量值与实际值之间的平均误差小于±1 mm,其标准误差值小于0.12 mm,且计算一次9个标记物三维坐标需要35 ms.基于双目视觉的呼吸运动跟踪是一种高精度、良好实时性与稳定性的跟踪方法,可以减少呼吸运动对精确放疗产生的影响.
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基于双目视觉的呼吸运动实时跟踪方法研究
探讨一种基于双目视觉的呼吸运动实时跟踪方法,以减少在胸腹部的肿瘤放射治疗中由于呼吸等因素造成肿瘤位置动态位移而引起的治疗误差.使用由双摄像机组成的计算机视觉系统,实时匹配出标记物在左右两摄像机采集的图像中的具体坐标,依据双目成像的基本原理,计算出标记物在腹部表面的三维坐标值,结合时间参数,计算出该特征点三维坐标的变化情况,以此来完成对呼吸运动的实时跟踪.在目标跟踪过程中,使用鲁棒性强的SIFT（scale invariant feature transform）算法作为目标图像匹配的方法,并且在算法设计过程中,采用动态选择待匹配图像和局部搜索的策略.实验结果表明,目标图像匹配精确,减少了提取图像SIFT特征所需要的大量时间.在一个呼吸周期内,视觉测量的标记物的大运动范围与实际测量值不超过0.2 cm,且能够做到实时性计算.该模型的运行精度高,能够较好地实时跟踪人体的呼吸运动.
关键词： 放射治疗 呼吸运动 图像跟踪 双目视觉 尺度不变特征变换(SIFT) -
光学定位系统立体匹配中伪点的自动去除方法
背景:光学定位系统捕捉到的空间标记点的图像存在特征点相似、场景纹理信息少等情况,使得立体匹配存在多义性,即产生匹配伪点.目的:分析匹配过程,提出一种有效的自动去除立体匹配中伪点的方法.方法:根据同一空间点发射的光线位于同一极平面的原理,将匹配特征点的搜索范围限制在一特定区域内,从而减小了搜索区域.然后通过伪点空间坐标的突变性剔除匹配中产生的伪点,从而得到正确的匹配标记点.结果与结论:实验中对装有3个标记点的模拟手术器械工具进行跟踪.对其连续拍摄40组图像,并选取δ=0.002 5作为初始匹配阈值进行测试.重建的运动轨迹表明该方法可有效的孤立伪点,同时将所得同一时刻的真实点间的距离与真实距离比较,平均误差为0.284 4 mm,相对误差为0.48%.实验结果验证了算法的可行性和有效性.
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双目视觉技术在前交叉韧带重建手术导航系统中的应用
针对传统前交叉韧带蕈建手术中钻孔位置误差较大而导致手术失败的现状,介绍了运用双日立体视觉技术,在臂透视图像的基础上,合理规划手术,动态辅助医生完成钻孔手术的过程.文中以自主研制的可见光双目视觉定位系统为平台,提出了选用黑白棋盘格标记物简化立体匹配过程的方法.利用标定后的系统对标记物之间的距离进行测量,在距双目视觉传感单元1.5 m范围内误差小于1mm.在前交叉韧带重建手术导航实验中的应用表明,该系统具有稳定、可靠、成本低、标定方法简单、匹配准确、定位精度高的特点,能够满足外科手术导航的要求.
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基于双目视觉手术导航系统的标定
目的:利用误差补偿的标定方法,实现手术导航系统中摄像机的灵活、快速标定.方法:利用感光芯片对红光波长的敏感性,制作了由红色发光LED管组成的标定板来对摄像机进行标定.标定板夹在数控工作台上,前方放置双目视觉传感器,工作台作X方向和Z方向的移动,实现不同位置标志点的获取.利用摄像机拍摄到的足够数目的标定点,通过图像处理,求出标定点Pi在左右摄像机像面上对应像点的几何中心坐标(uil,Vil),(ur,vir),把标定点的实际世界坐标(xwi,ywi,awi)和图像坐标(ui,vi)代入摄像机线性模型,利用小二乘法求出两个摄像机的投影矩阵M1和Mr,完成对摄像机的标定.根据摄像机重建方程,用采集到的图像坐标来反求这些标定点的世界坐标,并与实际值相比较求出误差,再用误差补偿对系统进行校正.结果:采用误差补偿进行校正后系统的误差得到明显改善,减小了2.7倍.结论:采用线性标定+误差补偿的方法,能够实现双目定位系统的快速、准确的标定.
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基于阻抗与双目视觉的经络可视化系统
为了使经络能够在人体体表准确测量和显示,提出了一种基于阻抗与双目视觉的经络可视化方法.首先,利用交变恒流源在人体皮肤表面注入电流信号,然后采用多通道皮肤阻抗检测仪根据经络的低阻抗特性检测各对电极之间人体皮肤的电压,从而间接获取经络点对应的通道,通过串口通信,将数据传输至上位机.其次,利用张氏摄像机标定法获取摄像机内外参数,对光学标靶进行角点筛选与匹配,获得经络点的三维信息,再根据双目视觉原理对三维信息进行坐标变换,后利用曲线拟合和图像融合技术,实现经络可视化.测试结果表明,该系统能实现经络的实时检测与准确显示.
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基于有限元分析的脉搏形态三维重构
利用有限元模拟分析的方法获取脉搏的三维形态.基于双目视觉脉搏图像传感器工作原理,利用三维软件PRO/E建立脉搏图像传感器模型,把建好的模型导入Abaqus软件,应用Abaqus/Standard对模型进行静态分析.结合中医切脉思想和双目视觉测量的实验过程,把整个模拟分析过程分为4步:第1步是模拟脉搏跳动,第2和第3步模拟切脉过程,第4步模拟中医得到脉搏特征信息.提取模型传感器气囊探头薄膜上不同位置的130个特征点,获取其中一个特征点的一个脉搏周期的脉搏波形,对提取的130个离散特征点利用“三角形”法连接成三维曲面.相比于利用双目视觉测量原理获取气囊探头薄膜上的空间少量离散特征点直接插值构成的三维曲面的方法,本文方法重构的三维图具有提取的空间离散特征点多,同等条件下节约了0.120 379 s的时间,更能够切合指感施压下切脉皮肤表面的时空域变化的优点,为进一步在时空域中提取多种表征脉搏形态的特征奠定了基础.
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基于双目视觉的医疗器械3D数据模型获取方法研究
目的:为了高效率、低创伤地完成外科手术,计算机辅助外科手术得到了广泛应用.医疗器械3D数据模型可有效地结合病人的影像数据,指导外科医生完成顺利外科手术,从而降低手术的风险,减少对病人的伤害.方法:基于双目视觉基本原理,首先对双目摄像机进行立体标定,利用标定后获得的摄像机参数对双目立体图像进行畸变矫正和立体校正,然后为了提高后续匹配精度,对医疗器械目标进行分割后再进行立体匹配,后将获取的匹配视差信息重投影到3D空间,获得医疗机械的3D数据.结果:采用交互式分割方法对医疗器械目标进行先分割再立体匹配,能避免遮挡造成的误匹配,大大提高匹配精度.通过实验,将基于双目视觉获取的医疗器械3D数据与实际测量获得的数据进行比较后发现,本文方法获取的医疗器械3D数据精确度较高.结论:基于双目视觉理论可以高效率、高精度地进行医疗器械3D模型还原,其模型可用于模拟手术、手术导航等实际应用.
