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结合小波和卡尔曼滤波的数据校正及其应用

作　者: 姜斐
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: 虚拟心脏介入手术电磁传感器滤波校正导丝漫游
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

现代科学技术的发展越来越体现多门学科的交叉和渗透。虚拟手术技术(Virtual surgery)是虚拟现实技术在现代医学中的应用。它利用医学影像作为原始数据,融合图像处理、计算机图形学、科学计算可视化、虚拟现实技术,模拟传统手术的一种技术。其目的是为医生提供诊断依据,还可应用于辅助诊断、手术规划、手术仿真训练等。电磁传感器(FASTRAK)通常用于虚拟手术中位置与角度的定位,它是一种应用电磁感应原理来获取空间方位和角度信息的传感器,由于电磁场很容易受到许多外部因素的干扰,定位的精度受到影响。本文在分析FASTRAK工作原理的同时,对FASTRAK的噪声源进行了深入的研究,这些噪声源包括周围环境的金属块、导线交叉、显示器、人体、手机等。我们还发现不同采样频率、FASTRAK与显示器的不同距离、接收器和发射器之间不同的距离均对FASTRAK的数据精度有影响。虚拟手术中需要较精确的定位数据来完成手术中的各种操作,因此它对定位数据的校正有着很高的要求,本文提出了一种新的基于小波分析的自适应卡尔曼滤波方法,设计了基于Sage和Husa的次优无偏递推极大后验(MAP)噪声统计估计值器,对FASTRAK所观测的数据进行滤波校正。实验结果表明,这种方法大大提高了FASTRAK的数据精度。在虚拟心脏介入手术系统的开发中要求导丝可以在FASTRAK的牵引下在血管中漫游以便完成心脏介入手术中的定位工作,本文结合FASTRAK的数据校正结果介绍了在弹簧—质子模型下实现的导丝与血管碰撞的模拟结果,实现了导丝在血管中的引导漫游与定位。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-18
  1.1 虚拟现实  11-12
  1.2 虚拟手术介绍  12-15
    1.2.1 虚拟手术的发展情况  12-13
    1.2.2 虚拟手术的意义及用途  13-14
    1.2.3 虚拟手术系统技术的构成  14-15
  1.3 本文研究的主要内容以及成果  15-17
    1.3.1 本文主要研究内容  15-16
    1.3.2 主要研究成果  16-17
  1.4 本文结构  17-18
第二章电磁跟踪系统及电磁传感器 FASTRAK  18-26
  2.1 电磁跟踪系统  18-21
    2.1.1 交流跟踪系统  18-20
    2.1.2 直流跟踪系统  20-21
  2.2 简介FASTRAK 及其工作原理  21-23
  2.3 FASTRAK 噪声源的研究  23-24
  2.4 FASTRAK 滤波校正国内外研究现状  24-26
第三章理论基础  26-37
  3.1 卡尔曼滤波理论  26-28
  3.2 小波分析与信号处理  28-37
    3.2.1 小波变换的数学基础  28-30
    3.2.2 多分辨分析  30-32
    3.2.3 Mallat 算法  32-34
    3.2.4 小波的种类  34-37
第四章 FASTRAK 的数据校正  37-50
  4.1 基于小波分析的信号去噪  37-43
    4.1.1 介绍噪声  37-38
    4.1.2 小波基的选取因素  38-39
    4.1.3 消噪的过程  39-43
  4.2 基于小波分析的自适应卡尔曼滤波算法  43-46
  4.3 FASTRAK 定位数据获取及校正  46-47
    4.3.1 FASTRAK 数据的获取  46
    4.3.2 FASTRAK 低通滤波器参数设置  46-47
  4.4 实验结果与数据分析  47-50
    4.4.1 选取不同的小波基滤波前后均方根误差的比较  47-48
    4.4.2 不同的小波分解层数均方根误差的比较  48
    4.4.3 基于小波分析的自适应卡尔曼滤波与自适应卡尔曼滤波比较  48-49
    4.4.4 不同干扰情况下滤波数据比较  49-50
第五章校正的FASTRAK 数据在虚拟手术中的应用  50-58
  5.1 虚拟手术的软硬件设备  50-51
  5.2 虚拟心脏介入手术  51-52
    5.2.1 虚拟心脏介入手术流程  51-52
  5.3 利用校正的FASTRAK 数据实现导丝导引导管的模拟  52-58
    5.3.1 导丝导引导管的模拟  52-54
    5.3.2 接触力的计算  54-55
    5.3.3 弹簧－质子的引入  55-56
    5.3.4 模拟效果  56-58
第六章结束语  58-60
  6.1 工作总结  58-59
  6.2 工作展望  59-60
致谢  60-62
参考文献  62-65
作者在学期间取得的学术成果  65

结合小波和卡尔曼滤波的数据校正及其应用

内容摘要

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