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1、骨科手术导航技术的现状与未来,li,新疆医科大学第五附属医院 数字骨科实验室 刘大鹏,通过导航系统提高手术精度已是手术微创和数字化时代的必然趋势。 开放手术 微创 透视 导航 出血，创伤 视野受限 辐射,类 型,基于双目视觉的光学导航技术 2.基于3D打印导向板的导航技术 3.基于陀螺仪的导航技术,1.光学导航技术,基于红外线的导航技术 基于可见光的导航技术,第二代光学导航,第三代光学导航,光学导航的关键技术,1. 光学定位跟踪技术 2. 图像配准技术,一类重要的点特征：角点,角点（corner points）： 局部窗口沿各方向移动，均产生明显变化的点 图像局部曲率突变的点 典型的角点检测算
2、法： Harris角点检测 CSS角点检测,不同类型的角点,视频图像构成原理,分辨率 m n 如：480 640 灰度图像 I = f ( x, y ) 彩色图像 IR = fR ( x, y ) IG = fG ( x, y ) IB = fB ( x, y ) 制式 PAL / NTSC 视频图像 数字图像,像素,什么是角点？,目前关于角点的具体定义和描述主要有如下几种：,1角点是一阶导数(即灰度的梯度)的局部最大所对应的像素点；,4角点处的一阶导数最大，二阶导数为零；,2角点是两条及两条以上边缘的交点；,3角点指示了物体边缘变化不连续的方向；,5角点是指图像中梯度值和梯度方向的变化速率都
3、很高的点。,基于可见光的定位和跟踪技术比基于红 外线的技术有许多优越性，但其技术更复杂 ，运算量也更大，要想达到实时性的要求也更难。,图像的二值化,单阈值分割,确定阈值,以NDI公司的Polaris Spectra红外光学追踪为例，分辨率为1024768，最大更新率60赫兹，最多同时跟踪15个目标，最远探测范围2.4m，精度0.25mm RMS。 以8位黑白灰度图像计算，每秒钟需要传输和计算的数据量为：1024768860=377.487Mbps。 精度达到0.1mm RMS，则至少要使用20482048的分辨率，最大更新频率为60赫兹，每秒钟需要传输和计算的数据量为：20482048860=
4、2.013 Gbps，最大更新频率如达到100赫兹，每秒钟需要传输和计算的数据量将达到3.355 Gbps。,光学定位的精度和图像的分辨率成正比，和距离的平方成反比。 如果同时跟踪多个目标，又将增加运算量，要想满足实时性对技术的要求将更高。,现有技术的最高理论传输速率,USB2.0 480Mbp/S USB3.0 5.0Gbps。 Camera Link Full 5.4Gbps,目前的角点检测算法可归纳为3类,基于灰度图像的角点检测,基于二值图像的角点检测,基于轮廓曲线的角点检测,基于梯度,基于模板,基于模板梯度组合,主要考虑像素领域点的灰度变化，即图像亮度的变化，将与邻点亮度对比足够大的点
5、定义为角点。,计算机图像处理算法是研究的重点,软件实现,OpenCV Matlab的图像处理工具箱 编程语言 脚本语言 开发实时系统 测试算法 开源 非开源,基于MITK自主开发的图像处理软件,MITK (Medical Imaging Interaction Toolkit) 是一款开源的交互式医学图像处理软件开发平台。 目前已能实现图像的分割，三维建模，图像的配准功能，虚拟手术和手术器械路径规划功能正在开发中。,工作基础、可行性,定位跟踪系统的硬件构架框图,技术路线,基于灰度特征的投影法,2.基于3D打印技术,3.基于陀螺仪,OrthAlign采用ADI iSensor IMU (惯性测量单元) 。可以在数秒时间内测定病人胫骨旋转中心，并精密计算出切骨角度。,OrthAlign公司的KneeAlign 2系统已经得到FDA（美国食品及药物管理局）510(k)许可证。 操作简便，能达到光学导航系统同等的胫骨和股骨测量效果。 据报道该系统膝关节置换对准精度接近91%，而传统外科手术设备仅有68%。,KneeAlign 2系统所采用的ADI i Sensor IMU内置三个加速计和三个陀螺仪，能分别感应出直线运动和角向运动，从而完成六自由度测量。i Sensor IMU能够准确跟踪所有轴上的仪器运动。,Thank you！,
