一種基於投影儀的增強現實系統試驗平臺的製作方法

2023-06-02 14:49:46 1

專利名稱：一種基於投影儀的增強現實系統試驗平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於機器人輔助手術導航的增強現實系統試驗平臺。
背景技術：
隨著計算機、機器人技術的不斷進步，外科機器人在醫療領域取得了很好的臨床效果。近年來，機器人和計算機輔助外科手術技術正逐步應用於腦外科這種精度要求比較聞的手術。
傳統的腦外科手術中，醫生通過對病人二維圖像的理解，來確定病灶處的位置和大小，手術的效果很大程度上取決於醫生的經驗，因此無法在術前對病灶進行準確的定位。同時在術中，如何避開重要的功能區、神經及血管，選擇一條合適的路逕到達深層病灶，也存在困難。機器人輔助外科技術在一定程度上解決了這一問題。機器人輔助外科 (Robotassisted surgery,簡稱RAS)是指利用當今醫學領域的先進的成像設備,在機器人與計算機的幫助下，輔助醫生進行術前診斷和手術規劃，在手術中提供可視化導引或監視服務功能，輔助醫生高質量地完成手術操作。它突破了傳統外科手術的界限，對於提高手術定位精度、減少手術損傷、縮短手術時間及提高手術成功率等具有十分重要的意義。增強現實(Augmented Reality,簡稱AR)是一種利用計算機產生的附加信息對使用者所看到的真實世界景象進行增強或擴張的技術，將其應用於精度要求較高的腦外科顱骨手術中，不但可以完成對顱骨部位原始數據的採集和三維重建，而且醫生可通過三維模型來進行術前規劃，對提聞手術的定位精度和成功率、減輕患者的痛苦，具有十分重要的意義。
對於應用於腦外科的增強現實的研究，是不能直接在對病人進行手術中做實驗的，因而研製一套功能完備的系統試驗平臺，對該領域研究工作的展開至關重要。

發明內容
本發明要解決的技術問題是研製一臺應用於機器人輔助手術導航的增強現實系統試驗平臺，採用雙目立體視覺攝像機對研究對像進行成像，並對所成圖像進行研究，提取其中的關鍵特徵，並對關鍵部位進行識別、定位與跟蹤等。
結合附圖，說明如下
—種基於投影儀的增強現實系統試驗平臺，包括支架主體I、水平工作檯2、投影儀3、雙目立體視覺攝像機4、輔助光源5、高度傳感器6以及設置在水平工作檯2上的並可延軸向轉動的頭模固定架，所述的支架主體I為長方體框架式結構，在支架主體I上部中央位置，設置一個橫梁式固定架，固定安裝一個向正下方投影的投影儀3，在投影儀3兩側，各對稱固定安裝一個雙目立體視覺攝像機4，且間距可以調整，拍攝角度可以手動微調；在框架上表面的四個角，各安裝一個角度和亮度可以調整的輔助光源5 ;在支架主體I的中部水平位置安裝一個能上下移動的水平工作檯2，高度傳感器6固定在支架主體I的側立柱上並和水平工作檯2連接，對其高度值進行測量。
所述的頭模固定架下半部分是一個絞接固定在水平工作檯2上的可繞軸線轉動豎直的支杆9 ;在支杆9的上端，絞接一個擺杆8用於調整頭模的府仰角並能鎖定；在擺杆 8上端，固定安裝一個頭模頸部固定環7，該環分內外兩層結構，內環用於固定頭模頸部，並可以在外環內部轉動，實現對頭模左、右側轉角的調整，外環與擺杆8固定連接。
所述的上下能移動的水平工作檯2可採用在框架的四柱部分安裝滑軌的方式、也可以採用在四個角安裝伸縮的機構實現。
所述的高度傳感器6可以採用光柵尺、磁柵尺或其它長度傳感器。
本發明的有益效果
I、通過調整工作檯的高度，可以調整頭模與攝像機鏡頭的間距，創造不同視距的實驗條件，以滿足增強現系統中的各種研究需要。
2、頭模與攝像機鏡頭的間距可以通過高度傳感器準確測量得出，為攝像機的標定以及圖像定位等提供依據。
3、調整雙目立體視覺攝像機鏡頭的間距和角度，可以實現不同目距下的雙目成像範圍，以滿足增強現系統中，改變目距及角度的研究需要。
4、投影儀可以在頭模上投影出設定的光柵條紋，如不同編碼的黑白條文、各級灰階條文、不同顏色模型下的彩色條紋等，既滿足增強現實系統的研究需要，也提高了光柵的精度、豐富了光柵的色彩，與直接在頭模上繪製網格線相比，不論在條紋精度、方式及試驗效率等方面均有顯著提高。
5、輔助光源可以設置在不同的視野高度，這對研究增強現實技術的適應性等方面也至關重要。
6、頭模方向及角度的調整，可實現研究對象的不同部位的研究及跟蹤模擬。


圖I為增強現實系統試驗平臺整體結構示意圖2為頭模固定架結構示意圖。
其中I、支架主體 2、水平工作檯 3、投影儀 4、雙目立體視覺攝像機 5、輔助光源 6、高度傳感器 7、頸部固定環 8、擺杆 9、支杆
具體實施例方式
整個試驗平臺包括支架主體I、水平工作檯2、投影儀3、雙目立體視覺攝像機4、輔助光源5、高度傳感器6等構成，如附圖I所示。
支架主體I採用長方體骨架結構，可以採用鋁合金或其它行材製作，其關鍵特徵在於四柱能夠垂直立於地平面上，其上、下及中間部分均呈水平狀態；
在支架主體I上部中央部分，設置一個橫梁式固定架，固定安裝一個投影儀3，其關鍵在於使投影儀的鏡頭位於上表面中央，且向正下方投影；
在投影儀3兩側，各固定安裝一個雙目立體視覺攝像機4，用於進行圖像採集，其關鍵在於兩個攝像機正對下面的水平工作檯進行拍攝，兩個攝像機對稱安裝，且間距可以調整，拍攝角度可以手動微調；
在框架上表面的四個角，各安裝一個輔助光源5，用於調節拍攝區的亮度，其關鍵在於四個燈的角度和亮度可以調整；
在框架中部水平安裝一個水平工作檯2。其關鍵特徵在於該工作檯在保持水平狀態下，可以精確調整其所處的高度，並通過高度傳感器6對其高度值進行測量。水平工作檯 2在上、下移動時需保持水平狀態，可以採用在框架的四柱部分安裝滑軌的方式，也可以採用在四個角安裝伸縮的機構實現，高度傳感器可以採用光柵尺、磁柵尺或其它長度傳感器， 能測量出水平工作檯的當前高度即可。
頭模固定架安裝在水平工作檯上，如附圖2所示。
工作時，藉助頭模固定架將頭模固定在水平工作檯2上，頭模固定架的下半部分是一個豎直的支杆9，通過絞接方式固定在水平工作檯2上。其關鍵特徵在於支杆9可以繞自己的軸線轉動，進而實現頭模在水平面內的方向角調整；
在支杆的上端，絞接一個擺杆8用於調整頭模的府仰角，其關鍵特徵在於調整庥仰角後能鎖定；
在擺杆8上端，固定安裝一個頭模頸部固定環7，其關鍵特徵在於該環分內外兩層結構，內環用於固定頭模頸部，並可以在外環內部轉動，實現對頭模左、右側轉角的調整。
工作時，先將頭模固定在水平工作檯上，並調整到研究需要的方向或角度，然後調整工作檯的高度，使頭模進入到雙目立體視覺攝像機的視野中，再用投影儀在頭模上投射光柵，通過雙目立體攝像機進行圖像採集並進行後續處理。
權利要求
1.一種基於投影儀的增強現實系統試驗平臺，包括支架主體(I)、水平工作檯(2)、投影儀(3)、雙目立體視覺攝像機(4)、輔助光源(5)、高度傳感器￠)以及設置在水平工作檯(2)上的並可延軸向轉動的頭模固定架，其特徵在於所述的支架主體(I)為長方體框架式結構，在支架主體(I)上部中央位置，設置一個橫梁式固定架，固定安裝一個向正下方投影的投影儀(3)，在投影儀(3)兩側，各對稱安裝一個雙目立體視覺攝像機(4)，且間距可以調整，拍攝角度可以手動微調；在框架上表面的四個角，各安裝一個角度和亮度可以調整的輔助光源(5);在支架主體(I)的中部水平位置安裝一個能上下移動的水平工作檯(2)，高度傳感器￠)固定在支架主體(I)的側立柱上並和水平工作檯(2)連接，對其高度值進行測量。
2.根據權利要求I所述的一種基於投影儀的增強現實系統試驗平臺，其特徵在於所述的頭模固定架下半部分是一個絞接固定在水平工作檯(2)上的可繞軸線轉動的豎直支杆(9);在支杆(9)的上端，絞接一個擺杆(8)用於調整頭模的府仰角並能鎖定；在擺杆(8)上端，固定安裝一個頭模頸部固定環(7)，該環分內外兩層結構，內環用於固定頭模頸部，並可以在外環內部轉動，實現對頭模左、右側轉角的調整，外環與擺杆(8)固定連接。
3.根據權利要求I所述的一種基於投影儀的增強現實系統試驗平臺，其特徵在於所述的上下能移動的水平工作檯(2)可採用在框架的四柱部分安裝滑軌的方式、也可以採用在四個角安裝伸縮的機構實現。
4.根據權利要求I所述的一種基於投影儀的增強現實系統試驗平臺，其特徵在於所述的高度傳感器(6)可以採用光柵尺、磁柵尺或其它長度傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種應用於機器人輔助手術導航的增強現實系統試驗平臺。包括支架主體(1)、水平工作檯(2)、投影儀(3)、雙目立體視覺攝像機(4)、輔助光源(5)、高度傳感器(6)以及設置在水平工作檯(2)上的並可延軸向轉動的頭模固定架，所述的支架主體(1)為長方體框架式結構，在支架主體(1)上部中央位置，固定安裝一個向正下方投影的投影儀(3)，在投影儀(3)兩側，對稱固定安裝一個攝像機(4)，且間距可以調整，在框架上表面的四個角，各安裝一個角度和亮度可以調整的輔助光源(5)；在支架主體(1)的中部水平位置安裝一個能上下移動的水平工作檯(2)，高度傳感器(6)固定在支架主體(1)的側立柱上並和水平工作檯(2)連接，對其高度值進行測量。
文檔編號A61B19/00GK102920513SQ20121045385
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者盧韶芳, 隋振, 王勳龍, 李鴻鵬 申請人:吉林大學