手术导航技术的应用使外科手术更加微创化、精细化,利用计算机技术、医学影像技术等在手术过程中对手术工具进行追踪,并将手术工具与患者解剖结构的相对位置关系实时更新、显示,使医生一目了然。手术导航技术在欧美等发达地区的应用已经十分普及,但在国内的应用较少。原因主要有导航产品成本高、操作复杂、不符合国内医生手术习惯等。基于此,我们自主研发近红外光学手术导航系统,并对现有的手术导航技术工作流程进行改进,以大力推广手术导航技术的普及应用。本文主要研究手术导航中的实时、自动注册技术,以解决操作复杂、不符合国内医生手术习惯的问题,主要工作如下:1.根据实时、自动注册技术的需要,设计了一种新型标记点。从材料、外形两个方面进行考虑,设计一种在图像空间、实际空间均能够被自动提取的标记点。这种标记点由底座、支柱和反光球三个部分组成,其中底座和支柱为一体化结构,材料CT值较高,在图像空间,能够通过简单的图像处理操作,将标记点从图像中分离出来。由于特殊的外形设计,通过模型匹配算法,可自动获取图像空间标记点坐标。在实际空间,反光球反射近红外光,可被光学定位系统捕获,通过阈值搜索、灰度加权平均算法获取实际空间标记点坐标。2.提出了标记点在图像空间、实际空间实时自动提取的方法。图像空间标记点的提取依赖于标记点特殊的材料和外形结构。高CT值的材料特性使得标记点能够通过阈值分割、滤波、平滑处理等操作,从图像中分离出来。根据标记点结构构建标记点模型,将分离出的标记点点云与模型点云相匹配,匹配完成后根据标记点的外形结构即可获得标记点的坐标。点云的匹配首先采用对称轴对齐的方式进行粗匹配,在此基础上使用ICP算法进行精确配准。这种方法较单独使用ICP算法而言,减小算法计算量、实现速度快并且不会陷入局部最优。实际空间标记点的自动提取依赖于反光球反射近红外光,在左、右摄像机平面形成光斑。根据光学手术导航中双目视觉系统工作场景简单的实际情况,在左、右图像上通过阈值搜索确定光斑区域,通过灰度加权平均即可计算得到标记点的二维坐标。获取二维坐标之后,通过极线几何约束进行立体匹配,并根据光斑几何信息去除伪匹配,获取标记点的三维坐标。这种方法从手术导航技术的实际应用场景出发设计,算法简单,可行性高,实时性好,能够满足光学手术导航技术中定位算法的要求。3.提出了一种快速、准确的空间配准方法。首先,分别对两空间点云计算点与点之间的距离网络,在两空间寻找最相似的距离网络,进行点云的初匹配。然后使用ICP算法进行精确配准。这种方法克服了空间配准时使用单一算法无法同时满足简单、精度高、鲁棒性强等各方面要求的缺陷,能够在保证配准精度的前提下,快速实现空间配准,并且具有较好的鲁棒性。