题目：手术导航系统中特征点的自动定位与注册

随着医学和计算机科学的迅速发展，图像引导手术导航系统已成为外科手术的研究热点。它能够帮助医生选择最佳手术路径和减小手术损伤，提高手术效率和质量。
快速、准确的图像空间与病人空间注册是手术导航系统的关键所在。目前手术导航系统中用于空间注册的特征主要有两种：一种是标记点，一般称这种注册方法为点匹配；另一种是面部表面，一般称这种注册方法为面匹配。
点匹配是手术导航系统临床最常用的空间注册方法，现有导航系统需要医生手动选取人工标记点在图像空间中的位置。这个过程一方面耗时较长，另一方面识别精度受医生的经验影响很大。面匹配的方法虽然不需要医生手动选择标记点，但精度不是很理想，已有的手术导航系统很少采用这种方法。
针对这些问题， 本文对手术导航系统中特征点的自动定位和空间自动注册技术展开了研究，主要研究内容如下：
1. 针对点匹配方法中，人工标记点需要医生手动、顺序选取的问题，研究并实现了人工标记物的自动定位和注册。在图像空间中，提出了一种基于多尺度特征的人工标记物自动定位方法。在病人实体空间，设计了一种十字结构的人工标记物，并基于角点检测和立体视觉原理自动识别和获取人工标记物中心点坐标。最后使用随机抽样一致（RANSAC）方法得到两空间中人工标记物的对应关系，基于单位四元数的参数估计方法计算出空间变换矩阵，完成图像空间和病人空间的注册，注册误差约为0.7mm，满足手术导航的精度要求。
2. 研究并实现了一种基于人脸生理特征的面匹配空间注册技术。针对人脸表面光滑，纹理单一的特点，搭建了主动式结构光立体视觉系统，进行人脸面部点云的获取。提出并实现了一种基于人脸生理特征的面部点云粗略配准方法，在二维图像空间通过基于统计信息的主动形状模型（ASM）方法识别鼻尖与眼睛；在三维空间通过对局部邻域进行主成分分析识别出对应的鼻尖与眼睛，从而自动获得两个点云的初始配准矩阵。最后基于迭代最近点（ICP）算法，完成点云的精确配准，实现空间注册。
3. 手术导航系统原理样机的设计与实现。对以上两种关键技术进行了集成；设计并制作了基于光学定位的手术器械，并对手术器械进行了注册和实时跟踪，在此基础上将手术器械反应到图像引导空间，引导医生手术。最后，基于VTK完成手术器械尖端所指部位的冠状面、矢状面、水平面的实时绘制，扩大医生的手术视野，避免损伤其他组织。