基于卡尔曼滤波的手术阵列快速鲁棒定位

手术器械的术中追踪是计算机辅助手术中一项不可避免的任务。光学追踪系统常由于采集噪声和测量方差而无法精确重建手术工具的动态位置和姿态。将卡尔曼滤波（KF）或其任一扩展（如扩展和无迹卡尔曼滤波）与光学追踪器嵌入，可通过减小估计方差和正则化时间行为来解决此问题。然而，当前的刚体 KF 实现计算负担沉重，因此执行时间长，阻碍了实时手术追踪。本文介绍了一种快速且计算高效的线性 KF 实现，以高时间分辨率改善光学追踪系统的测量精度。我们的 KF 框架不使用整个手术工具，而是利用牛顿模型追踪安装在其上的每个单独基准点。除仿真数据集外，我们针对从高帧率商用光学追踪系统获取的真实数据验证了我们的技术。所提出的 KF 框架在我们所有实验中大幅稳定了追踪行为，并将均方误差（MSE）从 $10^{-2}$ $mm^{2}$ 量级降至 $10^{-4}$ $mm^{2}$ 量级。