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dc.contributor.advisor 홍재성 -
dc.contributor.author Lee, Seongpung -
dc.date.accessioned 2020-08-06T06:15:44Z -
dc.date.available 2020-08-06T06:15:44Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000320510 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/12155 -
dc.description Augmented reality, hand–eye calibration, patient–image registration, endoscope, optical tracking system -
dc.description.abstract I proposed a one-step calibration method to simultaneously perform patient-to-image registration and hand-eye calibration that are necessary processes for implementing an augmented reality (AR) navigation using an optical tracking system in endoscopic surgeries. Until now, the registration and calibration processes have been separately performed, called the two-step calibration method here. The two-step method requires the different condition from the AR one for performing it. Although the optimal solutions from the two-step method are calculated under their conditions, they are not optimal for the AR condition due to multiplication errors as well as tracking errors. To alleviate the errors, a transformation from the coordinate system of the endoscope to that of the computed tomography images is accurately calculated and used in the one-step method. Because this transformation is free from the multiplication and tracking errors, it becomes an important factor to improve the AR accuracy. A series of experiments with synthetic and real data were performed. Considering the real characteristics of system errors, the synthetic data was generated. The effects of tracking noise, feature noise, the number of fiducial markers, and the number of poses were analyzed through the simulation. For experiments with real data, we used a phantom designed considering real sinus and skull-base surgeries, and the AR error of the one-step method was compared with that of the two-step method. The comparison results showed the significantly increased accuracy of the one-step method. -
dc.description.statementofresponsibility N -
dc.description.tableofcontents I. INTRODUCTION 1
1.1 Introduction to Augmented Reality 1
1.2 AR based Surgical Navigation 3
1.3 Challenges and Related Works 8
1.4 Thesis Contributions 9
Ⅱ. AR IMPLEMENTATIONS 10
2.1 Nomenclatures 11
2.2 AR Configuration 12
2.3 Camera Calibration 14
Ⅲ. TWO-STEP CALIBRATION METHOD 18
3.1 Patient–Image Registration 20
3.2 Hand–Eye Calibration 22
3.3 Accuracy Issue of Two-Step Calibration Method 25
Ⅳ. PROPOSED CALIBRATION METHOD 27
4.1 One-Step Calibration Method 28
4.1.1 Feature Extraction 30
4.1.2 Initial AR-Core Transformations 35
4.1.3 Fast Approach to find Correspondences 38
4.1.4 Refinement 41
4.1.5 Least-Square Method 42
4.2 Summary for Process of One-Step Method 43
4.3 Aspect of Convenience 43
V. EXPERIMENTS 46
5.1 Experiments with Synthetic Data 46
5.1.1 Initialization for Simulation 46
5.1.2 Noise Addition 49
5.2 Experiments with Real Data 50
5.2.1 Phantom Design 50
5.2.2 Experimental Setup 53
5.2.3 Evaluation 57
VI. RESULTS 61
6.1 Results with Synthetic Data 61
6.2 Results with Real Data 79
VII. DISCUSSION 95
VIII. CONCLUTION 99
-
dc.format.extent 118 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.title A study on the coordinate alignment method for medical augmented reality -
dc.title.alternative 의료용 증강현실을 위한 좌표 정렬 방법에 관한 연구 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.200000320510 -
dc.description.alternativeAbstract 본 논문에서는 내시경 수술에서 위치 추적 센서를 이용한 증강현실 기반 내비게이션을 구현하는 데 필요한 과정인 환자–영상 정합과 핸드–아이 캘리브레이션을 동시에 수행하는 원-스텝 방법을 제안한다. 기존 방법에서는 이러한 정합과 캘리브레이션 과정을 별도로 진행하였다. 본 논문에서는 이를 투-스텝 방법이라고 한다. 투-스텝 방법은 정합과 캘리브레이션을 위해 필요한 데이터를 취득하기 위해 수술 중 증강현실 구성과 다른 환경 구성이 필요했다. 투-스텝 방법으로부터 구해진 해는 투-스텝을 수행하기 위한 환경에서 최적화되지만, 증강현실 환경에서는 증강현실 구현에서 발생되는 계산 오차와 위치 추적 센서의 오차로 인해 최적화된 해가 아니다. 제안된 방법에서는 언급된 오차들의 영향을 완화하기 위해 증강현실 환경에서 내시경–오브젝트간 변환행렬을 계산하고, 이를 이용하여 환자–영상 및 핸드–아이 관계를 동시에 계산한다. 이 변환행렬은 계산 오차와 센서 오차로부터 자유롭기 때문에 증강현실 정확도를 향상시키는 중요한 요소가 된다. 시뮬레이션 및 실제 데이터를 이용한 일련의 실험을 수행하였다. 실제 환경적 특성들을 고려하여 시뮬레이션 데이터가 생성되었고, 이를 이용하여 데이터의 수, 피부 마커의 수 및 노이즈 수준이 원-스텝과 투-스텝에 미치는 영향을 분석하였다. 실제 데이터를 이용한 실험에서는 인체 내 중요 장기 및 구조물의 크기를 고려하여 제작된 팬텀을 사용하였다. 원-스텝 방법의 증강현실 오차를 계산하였고 투-스텝 방법의 오차와 비교하였다. 결과적으로 원-스텝 방법을 통해 증강현실의 정확도 (최대 70%)와 편리성이 현저하게 향상될 수 있음을 확인하였다. -
dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Department of Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Lee, Hyunki -
dc.date.awarded 2020/08 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.RM이54A 202008 -
dc.date.accepted 7/23/20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 로봇공학전공 -
dc.embargo.liftdate 8/31/21 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Seongpung -
dc.contributor.affiliatedAuthor Hong, Jaesung -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Hyunki -
dc.contributor.alternativeName 이성풍 -
dc.contributor.alternativeName Hong, Jaesung -
dc.contributor.alternativeName 이현기 -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Ph.D.

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