手术导航系统中光学和惯性组合定位方法的研究

作     者：赵鹏 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王广志

授予年度：2015年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 10[医学] 

主      题：手术导航系统 惯性定位 光学定位 组合定位 数据融合 

摘      要：随着立体定位技术和成像技术的发展,手术导航系统越来越多的应用在骨科、神经外科、耳鼻喉科等外科手术中。手术导航系统是一个复杂的系统,涉及多种关键技术,其中空间定位技术直接决定着手术定位精度,继而影响手术效果。目前在用的手术定位系统主要有机械定位系统、光学定位系统、超声波定位系统和电磁定位系统,然而上述系统在使用中各有利弊,很难达到准确性和鲁棒性的统一。目前临床在用的手术导航系统大部分都是基于光学定位的导航系统。光学定位系统依靠可见光或者红外光进行定位,定位光束被遮挡后便无法提供定位信息。在实际的外科导航手术中,很难保证手术全过程定位光束不被遮挡。医生在使用手术器械进行复杂操作的同时还要注意定位光束的畅通,给外科医生的手术操作带来很大的不便,遮挡后定位信息的缺失会造成很大的手术风险。为了解决光学定位系统定位光束遮挡期间的定位问题,本文设计了一种光学定位系统和惯性定位系统组合定位的方法。在光学定位系统的定位信息受到短时遮挡而无法对目标进行定位时,利用惯性定位系统的定位信息进行定位补偿,使定位信息不间断,保证手术导航系统定位的连续性。区别于光学定位系统,惯性定位系统属于自主式定位系统,它通过惯性测量器件采集目标运动信息。由于惯性测量器件存在不可避免的漂移现象,无法独立长时间用于目标的定位。本文采用扩展卡尔曼滤波的方法,通过融合光学定位系统未被遮挡期间的定位信息与光学定位系统被遮挡期间惯性定位系统的定位信息获得新的组合导航系统的定位信息,可预测出目标载体在光学定位系统定位信息缺失期间的运动情况。本文对惯性定位系统定位信息的解算方法进行了推导分析,并设计了静态和动态实验用于验证解算方法的可行性与可靠性。最后设计了组合定位方法用于验证实验精度,实验结果表明,本文所设计的组合定位方法在0.2s被遮挡期间x轴、y轴和z轴方向的位移定位误差分别为0.34 mm、0.24 mm和1.0 mm,姿态角定位误差为2.2°。因此能够补偿定位光束短时遮挡时定位信息的缺失,基本满足临床导航需求。