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研究生： 黃德昌
De-Xang Huang
論文名稱： 影像處理與虛擬實境在醫學上的應用
指導教授： 黃俊仁
Jiun-ren Hwang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 88
語文別： 中文
論文頁數： 95
中文關鍵詞： 影像處理 、虛擬實境 、醫學 、復健 、打針 、光學式 、空間定位
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    • 本研究中的光學式打針模擬系統，可供療及護理人員進行靜脈注射的練習，減少醫護人員對於第一次注射的恐懼，及病人的不舒適感，因為本研究是利用光學式的定位方式，所以並不會對病人的生理及周邊的醫療器材造成影響。光學式復健系統則可以提供需要復健的病人一個不需要到醫院就可以自行在家中做練習的復健系統。減少了病人往返醫院的路程。
    綜合以上所述，本研究最終的目的是希望利用已知的影像處理方式，再配合相關的空間定位方式，發展出不會影響病人的定位系統。

    摘要 …………………………………………………………...………..I 誌謝 …………………………………………………………………….II 目錄 ……………………………………………………………………III 圖目錄 …………………………………………………………………VI 表目錄 ………………………………………………………………XII 第一章緒論 …………………………………………………………...1 1.1 研究動機與目標 ……………………………………………1 1.2 研究方法 ……………………………………………………2 1.3 論文架構 ……………………………………………………3 第二章相關理論研究及文獻回顧…………………………………….4 2.1 位置偵測 …………………………………………………..4 2.2 VRML 簡介 ………………………………………………11 2.2.1 VRML 的來源 ………………………………………….12 2.2.2 VRML 2.0的改進 ………………………………………13 2.3 靜脈注射簡介 ……………………………...…………….14 2.3.1 血管種類及分佈 ……………………………………….14 2.3.2 靜脈注射步驟 ………………………………………….19 2.4 國外的打針模擬系統 ……………………………………21 2.4.1 HT醫藥系統公司打針模擬器簡介 …………………….21 2.4.2 芝加哥西北大學醫學系打針模擬器簡介 …..…...…23 第三章影像處理及空間定位………………………………………..26 3.1攝影機影像擷取 …………………………………………..26 3.2 色彩轉換 ………………………………………………….26 3.3 圖形二值化 ……………………………………………….28 3.4 偵測影像邊緣 …………………………………………….31 3.5 平滑處理 ………………………………………………….33 3.6 影像區分 ………………………………………………….35 3.7 影像辨認 ………………………………………………….39 3.8 空間定位 ………………………………………………….40 3.8.1 利用兩台攝影機定位 …………………………………41 3.8.2 利用單一攝影機定位 …………………………………43 3.9 手部彎曲偵測 …………………………………………….46 第四章光學式打針系統……………………………………………..48 4.1 硬體配備 ………………………………………………...48 4.2 軟體需求及功能 ………………………………………...50 4.3 簡介 …………………………………….…..…………...51 4.4 水平定位 ………………………………………………….51 4.5 針筒座標的驗證 ………………….…………………….53 4.6 垂直角度變化 ……..………………….………………...57 4.7誤差的探討 ………………………..…….……………...…60 4.8亮度的影響 ………………………..…….……………...…61 4.9有色光線及陰影所造成的影響 …..…….……………...…62 4.10 光學式打針系統實際操作 ………….……………...…63 第五章光學式復健系統………………………………………......74 5.1 硬體配備及軟體功能 ……………………………...…74 5.2 空間定位 ………………………………………..……...74 5.2.1 水平角度的量測 …………………………...………...76 5.2.2 垂直方向移動的量測 …………………..….………...80 5.2.3 水平方向移動的量測 …………………..….……...…82 5.3 光學式復健系統實際操作 …………..…….………..…87 5.4 各種定位系統的比較 ………………..…….………....91 第六章結論與建議………………………………..………………92 6.1 結論 ………………………………..…………………...92 6.2 建議 ………………………………..……………...……93 參考文獻………………………………………..…………..………94 圖目錄 圖 1.1 實驗流程 ……………………………………………………..2 圖 2.1 利用磁力式感應裝置的手套 ………………………………..5 圖 2.2 超音波式頭盔 ………………………………………………..7 圖 2.3 機械式位置感測器 …………………………………………..9 圖 2.4 血管分佈圖 (a) …..…………………………………………15 圖 2.4 血管分佈圖 (b) …..…………………………………………16 圖 2.5 國外打針模擬器 …………….………………………………22 圖 2.6 國外打針模擬器場景 .………………………………………22 圖 2.7 空間定位系統 (a) …..………………………………………23 圖 2.7 空間定位系統 (b) …..………………………………………24 圖 3.1 三度空間色階分佈圖 ………….……………………………27 圖 3.2 色階分佈圖 ………….………………………………………29 圖 3.3 色階略過與崩垮現象(a) ……………………………………30 圖 3.3 色階略過與崩垮現象(b) ……………………………………30 圖 3.4 邊界尋找順序 ………………………………………………32 圖 3.5 邊界尋找過程 ………………………………………………32 圖 3.6 四連結法 ……………………………………………………33 圖 3.7 物體邊界與雜訊的關係圖 …………………………………33 圖 3.8 二值化後影像(a) ……………………………………………35 圖 3.8 二值化後影像(b) ……………………………………………35 圖 3.9 色階說明圖 …………………………………………………36 圖 3.10 色階雙峰圖 ……..…………………………………………37 圖 3.11 背景與物體不易分辨色階圖 …..…………………………38 圖 3.12 攝影機與物體間的關係圖 ……..…………………………41 圖 3.13 雙攝影機架設相關位置 ……..……………………………42 圖 3.14 復健系統活動空間 …….………………………………….43 圖 3.15 攝影機架設相關圖 ………..………………………………44 圖 3.16 光軸夾角示意圖 ………………………………………..…46 圖 3.17 彎曲感測器(a) ……..………………………………………47 圖 3.17 彎曲感測器(b) ……..………………………………………47 圖 4.1 光學式打針系統架構 ……………………………………….48 圖 4.2 硬體設備 …………….………………………………………48 圖 4.3 打針模擬器之灰階影像(a) …………………………………52 圖 4.3 打針模擬器之灰階影像(b) …………………………………52 圖 4.3 打針模擬器之灰階影像(c) …………………………………52 圖 4.3 打針模擬器之灰階影像(d) …………………………………52 圖 4.4 處理過的針筒圖形 …………………………………………53 圖 4.5 打針實際操作影像(a) ………………………………………54 圖 4.5 打針實際操作影像(b) ………………………………………54 圖 4.5 打針實際操作影像(c) ………………………………………54 圖 4.5 打針實際操作影像(d) ………………………………………54 圖 4.6 戴白手套操作影像(a) ………………………………………56 圖 4.6 戴白手套操作影像(b) ………………………………………56 圖 4.6 戴白手套操作影像(c) ………………………………………56 圖 4.6 戴白手套操作影像(d) ………………………………………56 圖 4.7 不圖角度下的情形(a) ………………………………………59 圖 4.7 不圖角度下的情形(b) ………………………………………59 圖 4.7 不圖角度下的情形(c) ………………………………………59 圖 4.7 不圖角度下的情形(d) ………………………………………59 圖 4.8 黃色光線所造成的影響(a) …………………………………63 圖 4.8 黃色光線所造成的影響(b) …………………………………63 圖 4.8 黃色光線所造成的影響(c) …………………………………63 圖 4.8 黃色光線所造成的影響(d) …………………………………63 圖 4.9 打針定位系統 ………….……………………………………64 圖 4.10 虛擬醫院 ……………….………………………………65 圖 4.11 注射部位選擇面版 (a) ….…………………………………66 圖 4.11 注射部位選擇面版 (b) ……………………………………66 圖 4.11 注射部位選擇面版 (c) ….…………………………………67 圖 4.12 打針系統手臂視角 (a) ….…………………………………68 圖 4.12 打針系統手臂視角 (b) .………………………………...…68 圖 4.12 打針系統手臂視角 (c) ….…………………………………69 圖 4.13 打針系統手背視角 (a) ….…………………………………69 圖 4.13 打針系統手背視角 (b) ...….………………………………70 圖 4.13 打針系統手背視角 (c) ….…………………………………70 圖 4.14 針筒選擇面版 …………...…………………………………71 圖 4.15 打針模擬器操作畫面 (a) ….………………………………72 圖 4.15 打針模擬器操作畫面 (b) …………………………………72 圖 4.16 綁止血帶情形 ……………...………………………………73 圖 5.1 復健系統架構圖 …………….………………………………74 圖 5.2 復健系統背景 ……………….………………………………75 圖 5.3 復健系統操作範圍背景 …….………………………………76 圖 5.4 復健系統待測物與背景圖 ….………………………………76 圖 5.5 角度量測影像 (a) …….…….………………………………77 圖 5.5 角度量測影像 (b) …….…….………………………………77 圖 5.5 角度量測影像 (c) …….…….………………………………78 圖 5.5 角度量測影像 (d) …….…….………………………………78 圖 5.5 角度量測影像 (e) …….…….………………………………78 圖 5.5 角度量測影像 (f) …….…….………………………………79 圖 5.5 角度量測影像 (g) …….…….………………………………79 圖 5.6 不同高度投影的影像 (a) …….…….………………………80 圖 5.6 不同高度投影的影像 (b) …….…….………………………80 圖 5.6 不同高度投影的影像 (c) …….…….………………………81 圖 5.6 不同高度投影的影像 (d) …….…….………………………81 圖 5.6 不同高度投影的影像 (e) …….…….………………………81 圖 5.7 固定X改變高度操作影像 (a) …….…….…………………83 圖 5.7 固定X改變高度操作影像 (b) …….…….…………………83 圖 5.7 固定X改變高度操作影像 (c) …….…….…………………83 圖 5.7 固定X改變高度操作影像 (d) …….…….…………………84 圖 5.7 固定X改變高度操作影像 (e) …….…….…………………84 圖 5.8 固定Y改變高度操作影像 (a) …….…….…………………85 圖 5.8 固定Y改變高度操作影像 (b) …….…….…………………85 圖 5.8 固定Y改變高度操作影像 (c) …….…….…………………85 圖 5.8 固定Y改變高度操作影像 (d) …….…….…………………86 圖 5.8 固定Y改變高度操作影像 (e) …….…….…………………86 圖 5.9 復健空間定位系統 ………………….….…………………...88 圖 5.10 實際操作畫面 ……………………….……………………..89 圖 5.11 復健系統手部抓取物件圖 ………….……………………..90 表目錄 表 2.1 ISOTRAK II規格表 ……………………………………………6 表 2.2 Head Tracker規格表 ……………………………………………7 表 2.3 PHANTON規格表 …………..…………………………………9 表 2.4 動脈與靜脈的差異 …..……..………………………..………17 表 2.5 常見注射部位 ………..……..………………………..………19 表 3.1 人眼對色階辨識力 …..……..………………………..………28 表 4.1 處理後資訊 ………....……..………………………..………..53 表 4.2 打針系統實際操作資料 …....………………………..………55 表 4.3 背景單一化後計算結果 …....………………………..………57 表 4.4 不同角度的相關點資料 …....………………………..………60 表 4.5 不同長度的誤差 …………….……………………………...61 表 4.6 不同光圈對定位造成的影響 ………………………………...61 表 5.1 實際角度與計算角度比較 …………………………..………79 表 5.2 不同高度資訊 ………..……..………………………..………82 表 5.3不同高度下X座標變化比較 ………………………..……….84 表 5.4不同高度下Y座標變化比較 ………………………..……….86 表 5.5不同定位方式的差異性 ……………………….……………..91

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