手术导航系统中手术器械的视觉跟踪研究

【摘要】双目立体视觉在外科手术领域中的应用使得外科手术的精确性和成功率大为提高。手术过程中，手术器械是实施手术的执行器，因此对手术器械，特别是对手术器械末端工作点的跟踪成为手术导航系统中最为关键的技术之一。为了快速准确地对手术器械进行跟踪，本文设计了附着标记板的手术器械，研究了摄像机和投影仪的标定技术、标记点的检测与匹配技术、基于颜色信息的跟踪技术。具体的研究内容与成果如下：1.在研究现有摄像机标定技术的基础上，本文采用基于BP神经网络的隐式摄像机标定法。该方法通过训练神经网络可以直接建立图像坐标到世界坐标的映射，充分考虑了传统摄像机建模所忽略的各种非线性因素，提高了摄像机的标定精度。2.设计了附着标记板的手术器械，在经典Harris算法的基础上，采用基于高斯曲面拟合的亚像素级标记点检测算法。结合本文提出的标记点筛选算法，采用Freeman链码法则实现了标记点的快速匹配。3.建立了手术器械局部坐标系，采用非接触标定法连续采集手术器械的旋转轨迹，求解出超定方程的最小二乘解，完成对手术器械工作点的标定。4.研究了Meanshift和Camshift跟踪算法，提出利用Saturation分量对Hue分量进行细分，增加了反向投影的饱和度信息，解决了传统Camshift算法相似背景下鲁棒性不好的问题。并且研究了标记板出现短暂遮挡时的跟踪策略，利用空间直线最小二乘拟合法对遮挡时刻的标记点进行估计，避免了短暂遮挡导致的跟踪失败。实验表明，本文投影仪标定和标记点检测的精度达到亚像素级，摄像机标定、手术器械工作点标定和跟踪的误差均小于0.8mm。本文研究所取得的阶段性成果能够满足手术过程中对手术器械的跟踪要求，具有良好的应用前景和现实意义。
【作者】姚晖；
【导师】卢韶芳；
【作者基本信息】吉林大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】目标跟踪；H-S反向投影；Camshift；BP神经网络；摄像机标定；亚像素角点；Freeman链码匹配；

【参考文献】
[1]王敏.基于多用户均衡模型的城市交通可交易行驶权证策略研究[D].南京大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[2]陈一新.试论都市报头条新闻报道[D].复旦大学,新闻学,2012,硕士.
[3]时萌萌.中医药治疗乳腺增生病的文献综述和病例分析[D].北京中医药大学,中医外科学,2014,硕士.
[4]王均.主体互动视角下的环境信息公开法律制度[D].厦门大学,环境与资源保护法学,2014,硕士.
[5]何建和.振动压路机动力学特性及新型密实度仪研究开发[D].福州大学,机械制造及自动化,2004,硕士.
[6]高俊果.装配式配筋砌块砌体结构施工工艺与安装方法研究[D].哈尔滨工业大学,结构工程,2014,硕士.
[7]胡海根.基于电场理论水果电特性无损检测机理的研究[D].浙江工业大学,2005.
[8]吴洪宝.多品种小批量生产型企业的管理模式分析[D].浙江工业大学,2009.
[9]俞世兰.五四时期知识女性传播马克思主义妇女观论析[D].安徽大学,马克思主义发展史,2014,硕士.
[10]徐晶晶.工商银行公司信贷抵质押品管理策略研究[D].华东师范大学,金融学,2013,硕士.
[11]张超.高校校园网站设计中的交互性研究[D].山东艺术学院,广播电视艺术学,2012,硕士.
[12]金子.湘西地域宗教文化图像研究[D].湖南大学,设计学,2014,硕士.
[13]胡洁.知识管理及其在汽车产品生产中的应用[D].武汉理工大学,2004.
[14]HamzaDjigal.连续最近邻查询与移动学习的语义缓存策略研究[D].华中师范大学,计算机科学,2014,硕士.
[15]谭庆利.上市公司定向增发对中小股东利益的影响研究[D].兰州理工大学,企业管理,2012,硕士.
[16]陈加元,王佐书,张立彬,阿列克·伊娃斯凯维奇,傅利泉.祝福树大三十而立[J].浙江树人大学学报(人文社会科学版),2014,06:4.
[17]卢麒羽.一种温度自补偿型OFBG加速度传感器开发与应用[D].哈尔滨工业大学,防灾减灾工程及防护工程,2013,硕士.
[18]周毓颖.建筑模块化光伏系统及其控制策略[D].浙江大学,2013.
[19]邹味莲.有关自然保护区的公路建设项目生态环境影响研究[D].西南交通大学,环境工程,2013,硕士.
[20]程玲.高龄高血压患者24小时血压值与腔隙性脑梗死和脑白质病变的关系[D].中国人民解放军医学院,神经病学,2013,硕士.
[21]王婷.舒曼《幻想曲集》（op.12）音乐研究及对后世钢琴小品创作的影响[D].湖南师范大学,音乐学,2013,硕士.
[22]赵晶云.大豆芽期抗旱性状的AFLP分析及其QTL定位[D].山西农业大学,2003.
[23]张川,陈桂云,潘德惠.银行资产流动性模型及预测和优化控制[J].控制与决策,2003,02:210-212+220.
[24]李林军.基于支持张量机的三维荧光光谱分析方法及在真菌毒素检测中的应用[D].浙江大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[25]孙长富.整体立铣刀的磨削轨迹建模及其编程研究[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[26]胡玉蓉.产权属性视角下中国驰名商标认定与企业绩效效应研究[D].三峡大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[27]郝兆印.济南都市圈经济一体化发展研究[D].山东师范大学,人文地理学,2013,硕士.
[28]唐海倬.筱竹属及其近缘属系统学研究[D].四川农业大学,森林培育,2012,硕士.
[29]董翊明.杭州城西土地利用对居民大型超市出行模式影响研究[D].浙江大学,城市规划与设计,2012,硕士.
[30]林小竹,金振武,钱绍新.神经网络在地震层析成像中的应用[J].石油地球物理勘探,1995,01:119-124+146.
[31]吴雪.DjMDF基因在日本三角涡虫肌肉再生过程中的作用[D].山东师范大学,细胞生物学,2013,硕士.
[32]唐晓军.首钢焦化厂干熄焦自动化系统[J].冶金自动化,2003,06:64-66.
[33]王程程.荆州市景观格局与生态安全研究[D].华中师范大学,人文地理学,2013,硕士.
[34]缪轶.基于事故分析的电气设备制造企业EHS体系优化研究[D].中国地质大学（北京）,安全工程,2013,硕士.
[35]王虹富,王毅,高崇,许亮,侯俊贤,陶向红.基于网损等值负荷模型的直流潮流迭代算法[J].电力系统自动化,2015,01:99-103.
[36]余春堂.不同预热温度对ZG29MnMoNi基体堆焊热过程及组织性能影响的研究[D].重庆大学,材料工程（专业学位）,2014,硕士.
[37]章钰.香菇和茶叶中水溶性大分子物质的研究[D].天津大学,生药学,2013,硕士.
[38]马野.基于H.264的无线遥控车及其控制系统的设计与实现[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[39]石珺.供需双重不确定合作博弈的成本分配研究[D].北京交通大学,2014.
[40]王文东.块压缩感知的L_2/L_q（0﹤q≤1）极小化算法研究[D].西南大学,应用数学,2014,硕士.
[41]雷灿.活性炭表面结构及官能团的归一化实验研究[D].华中科技大学,环境工程,2013,硕士.
[42]邓小珠.受害人的权利救济制度研究[D].西南政法大学,民商法（专业学位）,2012,硕士.
[43]梁晓彬.智能交通服务系统设计与实现[D].河南科技大学,计算机技术（专业学位）,2014,硕士.
[44]卓邦荣,张安,高文华.基于二茂铁石墨烯与核苷酸π-π共轭作用的电化学发光生物传感器[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第04分会：纳米生物传感新方法[C].中国化学会:,2014:1.
[45]莫清.茯苓多糖的化学修饰和生理性质的研究[D].浙江理工大学,应用化学,2013,硕士.
[46]付群,郭君,刘宁.虚拟制造系统的构建[J].一重技术.2007(02)
[47]孔繁民,王秉文,杨东彦,岺世伟.轧片式与缠绕式翅片管性能试验结果的比较[J].石油化工设备.1993(03)
[48]刘成福.左归丸对庆大霉素诱导的耳肾损伤模型ASK1/MKK4表达的影响及机制[D].湖北中医药大学,中医内科学,2013,硕士.
[49]甘祥彬.基于单元IGBT驱动故障状态下的高压变频器旁路运行技术研究[D].西南交通大学,电气工程,2012,硕士.
[50]矫辉.21世纪高校校长价值优化问题的研究[D].天津工业大学,企业管理,2004,硕士.