增强现实手术导航中的混合位姿跟踪技术及可视化应用研究.pdf

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1、增强现实手术导航中的混合位姿跟踪技术及可视化应用研究贺长宇2015年11月中图分类号：TP391UDC分类号：增强现实手术导航中的混合位姿跟踪技术及可视化应用研究作者姓名贺长宇学院名称光电学院指导教师刘越教授答辩委员会主席桑新柱教授申请学位工学博士学科专业光学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年11月16日StudyonHybidMotionTrackingTechnologyandVisualizationforAugmentedRealityAssistedSurgeryNavigationCandidateName:HeChangyuSchoolorDe

2、partment:SchoolofOptoelectronicFacultyMentor:Prof.LiuYueChair,ThesisCommittee:Prof.SangXinzhuDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:OpticsEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:November16,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文

3、中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要增强现实手术导航系统通过位姿跟踪、图像融合和信息化显示技术将手术导航图像叠加在病人身体手术部位，借助增强现实手术导航图像医生能够获得“透视”能力，实时获取手术工具和病灶的位姿和图像信息。但是现有手术导航系统的位姿跟踪的精度、鲁棒性和刷新率通常较低，且增强现实导航图像信息可视化方法较为单一，难以满足不同手术应用对手术导航的不同需求

4、。本文面向用于增强现实手术导航中的位姿跟踪技术需求，针对基于惯性和磁传感器的姿态跟踪技术、基于光学和惯性跟踪系统的混合位姿跟踪技术和增强现实手术导航信息可视化方法等关键技术开展了深入系统的研究工作，主要研究内容包括：1、提出了一种基于惯性和磁传感器的离线混合姿态跟踪方法。针对目前姿态跟踪系统精度受陀螺仪漂移误差影响的问题，在研究基于惯性传感器的姿态跟踪基本原理的基础上，提出了一种基于卡尔曼滤波器的惯性磁场混合姿态跟踪算法及传感器测量噪声模型定义方法，在卡尔曼滤波器中抑制位移运动加速度误差和传感器测量噪声对姿态跟踪精度的影响。实验结果表明，本文提出的基于惯性和磁传感器的姿态跟

5、踪系统和数据融合方法能够有效的抑制漂移误差、位移运动加速度误差和传感器测量噪声对姿态跟踪精度的影响，可将姿态跟踪误差控制在0.1°以内，实现了能够满足增强现实应用需求的离线姿态跟踪。2、提出了一种基于光学跟踪和惯性跟踪的混合位姿跟踪系统。针对光学跟踪精度较高但是易发生遮挡的问题，提出将光学跟踪系统和惯性跟踪系统的数据进行融合的方法，充分利用光学跟踪系统高精度和惯性跟踪系统高刷新率和不受遮挡影响的优点，通过光学跟踪系统对惯性传感器偏置误差进行校正并通过扩展卡尔曼滤波器对光学和惯性跟踪系统数据进行融合。实验结果表明，本文所构建的混合跟踪系统能够抑制传感器偏置误差和光学遮挡对位姿

6、跟踪精度的影响，提高了位姿跟踪的刷新率，实现了部分遮挡条件下不受遮挡时间影响的高精度位姿跟踪和全部遮挡条件下较短时间(5s)的高精度位姿跟踪，同时将刷新率提高至100Hz。3、提出了基于光学-惯性混合跟踪的增强现实手术导航信息可视化方法。在本文提出的光学-惯性混合跟踪方法的基础上，分别提出了基于内窥镜、头戴式显示设备和分光镜的增强现实手术导航信息可视化方法，通过边缘式增强现实显示方法和误差信息可视化方法I北京理工大学博士学位论文提高了手术导航信息的可视化效果。实验结果表明，借助本文所提出的混合跟踪方法和手术导航信息可视化方法，增强现实手术导航系统能够准确跟踪手术中各目标的位

7、姿并将手术导航图像与之进行匹配，并通过增强现实显示设备实时显示给医生，实现基于混合跟踪方法的手术导航信息可视化应用。关键词：增强现实；手术导航；惯性跟踪；光学跟踪；混合位姿跟踪；导航信息可视化II北京理工大学博士学位论文AbstractInordertoimprovetheaccuracyandsaftyofsurgerybyprovidingthespaceinformationofthesurgicaltoolsandthepatientstosurgeons,surgicalnavigationsystems