随着社会的进步和医疗技术的不断发展,外科手术越来越注重精细化和微创化。在计算机、精密制造、医学成像、图像处理等技术飞速发展的基础上,计算机辅助手术成为外科手术发展的必然趋势。手术导航系统是计算机辅助手术系统的应用,其充当医生的眼睛,为医生实时显示手术器械相对于病灶部位解剖结构的位置和方向,可以减少手术创伤,提高手术精度,取得了传统手术不能达到的效果,成为医疗行业的一个热点和亮点。根据国内对手术导航系统应用和研究的需要,本文在第一代红外手术导航仪实验室样机系统的基础上,研制了新一代的红外手术导航仪临床样机系统。为了对手术导航仪有一个全面深入的了解,把握研究的方向,本文首先对手术导航系统的优点和发展进行了概述,说明研究和开发手术导航仪的必要性;根据国内外技术发展的对比以及国内医疗界对手术导航仪的需求,说明研究和开发具有完全自主知识产权的手术导航仪的紧迫性。在这样的背景下,根据目前具备的研究基础、条件和优势,提出了本文的主要研究内容和预期目标。本文研究的主要内容如下:1)研究了摄像机内参数标定算法。首先不考虑镜头畸变,采用同心圆作为标定模板,同心圆模板不仅具有平面模板的优点,其制作也容易得多。该方法是完全线性的方法,无需迭代优化,并且不需要求取虚圆点,提高了算法的鲁棒性。考虑到径向畸变的存在,本文采用曲线拟合的方法对畸变参数进行标定。该方法采用的模板是包含直线特征的黑白棋盘格模板,通过证明直线在径向畸变下的投影为一圆弧,利用圆拟合方法求得圆参数,结合圆参数和径向畸变参数之间的关系最终标定出畸变参数。该方法避免了迭代算法的复杂性以及陷入局部最优值的局限性,简便有效,并且将径向畸变参数和其余摄像机内参数的估计分离开来,比较灵活。2)研究了摄像机外参数标定算法。在假定摄像机内参数已标定的情况下,标定摄像机外部参数包括摄像机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵R和平移矢量T,即估计摄像机姿态。Hartely等人提出了一种最优化方法,采用分枝定界法在旋转空间寻优,通过解一系列的二阶锥规划问题得到最优解。本文对Hartely等人的方法进行了改进,用平面坐标代替球面坐标表示图像点,将约束表示成线性规划形式,结合分枝定界法和线性规划方法求取全局最优解,大大提高了算法的速度。与Hartely等人的方法相比,速度快了一倍左右。3)研究了圆的姿态重建算法。由于主动手术探针采用红外二极管作为标志点,为圆形标志点,因此圆特征的姿态重建技术在红外手术导航系统中具有重要的意义。本文针对现有算法的不足,提出了一种新的基于圆投影方程的圆姿态重建算法。本算法是在单目视觉条件下,存在解的二义性,算法精度与传统算法一致,但是由于其基于矩阵分解,计算复杂度得到了大大的简化。同时,本文给出了单目圆重建结果二义性的几何解释,并分析了圆和球的姿态重建的联系和区别,在理论完备性方面也大大优于传统算法。4)研制了红外手术导航仪临床样机系统。本文在第一代红外手术导航仪实验室样机系统的基础上研制了新一代的红外手术导航仪临床样机系统。该样机硬件系统包括立体视觉定位仪、手术器械和计算机三部分,软件系统包括视觉系统左右图像采集和预处理、图像特征提取和校正、立体视觉计算、器械分割和实时三维显示与导航等模块。通过对样机系统的精度测试以及模拟导航实验,表明我们研制的红外手术导航仪临床样机实现了手术导航的功能。另外,该系统在上海市第九人民医院进行了两例临床手术,其在临床中的应用验证了该系统基本满足临床手术要求,其性能已经达到了国际先进产品——NDI公司的Polaris手术导航系统的水平。