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FASTRAK数据滤波校正及在虚拟手术中的应用

作　者: 钟云飞
导　师: 熊岳山
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 电磁跟踪滤波校正虚拟手术 FASTRAK 虚拟膝关节镜手术虚拟心脏介入手术
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

虚拟手术是利用各种医学影像数据及虚拟现实技术在计算机中建立模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术规划、训练，并且在实际手术过程中引导手术进行，它充分体现了虚拟现实作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用，充分体现了人机交互的真实感与沉浸感。交互技术是虚拟手术的关键技术，提供合适的交互方案关系到手术模拟系统的成败，采用与真正的手术设备相仿的交互设备是最佳选择。在开发虚拟膝关节镜手术系统中利用电磁跟踪设备FASTRAK模拟膝关节镜实现定位及交互，在研制虚拟心脏介入手术系统中也采用FASTRAK实现导丝及导管的仿真。然而，FASTRAK固有的电磁特性对使用环境的要求是苛刻的，既使是CRT显示器、天花板或是墙壁等都会对采集到的数据产生干扰。本文从电磁跟踪设备的原理出发，分析了可能影响FASTRAK数据稳定性、精确度的各种因素，对引起电磁场扭曲的噪声模型进行了描述。针对现有电磁跟踪设备数据校正方法的不足，结合课题中的实际需要，提出了带通滤波器FASTRAK数据校正模型，并在软件系统开发中实现了该算法，仿真实验结果表明所采用的滤波校正模型软件解决方案效果良好，还对不同干扰环境下所采集的FASTRAK数据进行了对比分析，结果表明基于FFT的带通滤波器对FASTRAK的噪声去除具有好的鲁棒性。本文就虚拟膝关节镜手术系统和虚拟心脏手术系统的开发中涉及的交互技术进行了相关研究，对于FASTRAK在复杂噪声的使用环境下所遇到的抗干扰问题给出了解决方案，为进一步研发及推广虚拟手术系统奠定了基础。

全文目录

图目录  7-8
表目录  8-9
摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-16
  §1.1 虚拟手术系统  11-12
    1.1.1 虚拟手术系统简介  11-12
  §1.2 虚拟手术系统的设备与接口  12-13
    1.2.1 位置跟踪器  12-13
    1.2.2 身体跟踪  13
    1.2.3 其他物理输入设备  13
  §1.3 本文研究内容与成果  13-14
    1.3.1 主要研究内容与目标  13-14
    1.3.2 主要研究成果  14
  §1.4 本文的结构  14-16
第2章应用环境下FASTRAK电磁场的噪声扭曲  16-28
  §2.1 电磁跟踪设备的原理  16-19
    2.1.1 电磁跟踪设备  16-17
    2.1.2 交流电磁跟踪设备  17-18
    2.1.3 直流电磁跟踪设备  18-19
  §2.2 电磁场扭曲的原因  19-21
    2.2.1 按干扰的来源分类  19
    2.2.2 按干扰的出现规律划分  19
    2.2.3 按干扰产生传播的方式分类  19-20
    2.2.4 按干扰输入信号的关系分类  20
    2.2.5 软件方面的干扰源  20-21
  §2.3 FASTRAK电磁场扭曲的模型描述  21-25
    2.3.1 电磁场干扰  22-23
    2.3.2 金属块  23-25
  §2.4 FASTRAK噪声数据相关处理技术  25-28
    2.4.1 三线性插值(Tri-linear interpolation)  25
    2.4.2 形状函数(Shape function)  25-26
    2.4.3 局部插值方法(Local interpolation)  26
    2.4.4 高阶多项式拟合(High-order polynomial fit)  26
    2.4.5 多二次插值(Hardy's multi-quadric interpolation)  26-27
    2.4.6 基于神经网络的方法(Neural network)  27
    2.4.7 以上方法性能比较  27-28
第3章 FASTRAK在虚拟手术中的应用及噪声问题  28-33
  §3.1 FASTRAK在虚拟手术中的应用  28-31
    3.1.1 虚拟膝关节镜手术  28-30
    3.1.2 虚拟心脏介入手术  30-31
    3.1.3 系统模型与视图的一致性  31
  §3.2 FASTRAK的噪声问题  31-33
    3.2.1 平稳问题  31-32
    3.2.2 精度问题  32-33
第4章滤波校正模型  33-38
  §4.1 FASTRAK API低通滤波器  33-34
    4.1.1 理想低通滤波器  33-34
    4.1.2 FASTRAK API所定义的低通滤波器  34
  §4.2 基于FFT的FASTRAK数据校正带通滤波器设计  34-38
    4.2.1 带通滤波器  34-36
    4.2.2 基于FFT的FASTRAK数据校正带通滤波器设计  36-38
第5章电磁跟踪器滤波算法及实现  38-44
  §5.1 现有四种软件实现及应用  38
    5.1.1 CAVElib  38
    5.1.2 UNC Magnetic Tracker Calibration  38
    5.1.3 NCSA libTrCalibr  38
    5.1.4 VRCO tracker daemon  38
  §5.2 FASTRAK API滤波参数的调整  38-41
    5.2.1 FASTRAK API滤波参数的意义  38-40
    5.2.2 滤波参数调整步骤  40-41
  §5.3 基于FFT的FASTRAK数据带通滤波算法及实现  41-44
    5.3.1 频谱分析及计算截止频率  41-43
    5.3.2 实现FFT带通滤波器的相关函数  43-44
第六章实验结果及分析  44-52
  §6.1 数据分析  44-47
  §6.2 应用演示  47-50
  §6.3 性能评估  50-52
第七章总结及展望  52-54
  §7.1 全文工作总结  52
  §7.2 工作展望  52-54
致谢  54-55
攻读硕士学位阶段发表的论文  55-56
参考文献  56-58

FASTRAK数据滤波校正及在虚拟手术中的应用

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