外科手术导航中的增强现实技术研究

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外科手术导航技术充分利用了多种医学成像信息,不仅可帮助外科医生进行术前计划,使创口最小化,同时可提高手术质量,给外科手术带来了极大的便利。增强现实(AR:Augmented Reality)是一种图形学领域的新技术,它将计算机绘制的虚拟模型融合到使用者所看到的真实世界景象中。使用者可从计算机描绘的虚拟模型中获得额外的信息,从而对真实环境进行增强。在医学领域,虚拟模型是通过成像设备对人体部位扫描得到体数据,对其进行三维重建得到的。本文的工作是希望将增强现实技术应用到外科手术导航中来,从而提供给外科医生更直观的信息。医生在计算机屏幕上既可看到病人真实的环境和姿态,又可从虚拟模型中得到其视觉系统无法获得的信息。 本文首先由Marching Cube面绘制的方法对实验的CT数据三维可视化,并提出了解决二义性问题的方法,得到虚拟模型。然后采用基于视觉的单相机定标方法,对虚拟模型的三维点与真实场景图片上的点进行配准,得到两者的变换关系。最后利用变换关系实现虚拟模型和真实场景的虚实配准,得到增强现实显示。本文是通过贴在头部表面的基准点来辅助虚实配准的。此外本文还在虚实配准的基础上,对于点跟踪作了一些研究。 根据本文的算法,实验证明我们进行了准确的虚实配准,得到了通过虚拟模型增强的增强现实图像。同时在二维图片上对三维点进行准确定位的基础上,实现了对多帧图片上的同一点的准确跟踪。
摘要第2-3页
ABSTRACT第3页
第一章 绪论第6-11页
    1.1 课题背景第6-7页
    1.2 基于增强现实的外科手术导航技术第7-9页
    1.3 研究目的及本文研究工作第9-11页
第二章 医学体数据三维可视化技术第11-28页
    2.1 可视化技术基础第11-15页
        2.1.1 体数据第11-12页
        2.1.2 可视化方法分类第12-15页
    2.2 面绘制MARCHING CUBE(MC)算法第15-22页
        2.2.1 体素与等值面第16-17页
        2.2.2 Marching Cube算法原理第17-22页
    2.3 MARCHING CUBE算法的实现第22-28页
        2.3.1 数据获取及分割第22-23页
        2.3.2 基于Marching Cubes算法的CT图像表面绘制第23-26页
        2.3.3 绘制结果第26-28页
第三章 基于视觉的增强现实虚实配准第28-46页
    3.1 增强现实虚实配准基础第28-31页
        3.1.1 增强现实虚实配准概述第28-30页
        3.1.2 配准基于的基准点第30-31页
    3.2 增强现实虚实配准原理第31-40页
        3.2.1 单相机定标原理第32-37页
        3.2.2 单相机定标求解算法第37-39页
        3.2.3 跟踪第39-40页
    3.3 基于视觉的增强现实虚实配准的实现第40-46页
        3.3.1 基准点第40-42页
        3.3.2 配准第42-46页
第四章 实验结果和分析第46-57页
    4.1 实验数据及系统设计第46-48页
        4.1.1 实验数据来源第46页
        4.1.2 系统开发平台第46-47页
        4.1.3 系统结构第47-48页
    4.2 实验结果第48-52页
        4.2.1 配准结果第48-50页
        4.2.2 增强现实图像结果第50-52页
        4.2.3 跟踪第52页
    4.3 分析第52-57页
第五章 总结与展望第57-60页
    5.1 总结第57-58页
    5.2 展望第58-60页
致谢第60-61页
参考文献第61-63页
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