預(yù)測(cè)模型，用方程表示為：
[0047] /)(Α')。(灰'-l)u'(A' -1)
[004引其中，參從)為Ξ維列向量，表示屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P在k時(shí)刻的Ξ維空間坐標(biāo)預(yù)測(cè)值； Q化-1)是3 X 8維的模型設(shè)計(jì)矩陣，可表示為：
[0049] Q(k-l) = [p化-4) P化-3) P化-2) P化-1) hi化-1) h2化-1) h3化-1) 1]
[0050] 其中，P化-4)，p化-3)，p化-2)，p化-1)是屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P在k之前的4個(gè)歷史測(cè)量 值山化-1)山化-l)，h3化-1)山化-1)是4個(gè)輔助點(diǎn)在k-1時(shí)刻的ii量值;W化-1)是k-1時(shí)刻 的模型參數(shù)，是由8個(gè)權(quán)值系數(shù)組成的列向量。
[0化1 ] S1.2、初始化GLM模型:令k= 1，對(duì)k= 1時(shí)刻之前的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P和輔助點(diǎn)測(cè)量 值、模型參數(shù)及其方差矩陣進(jìn)行初始化：
[0化2] p(-3)=p(-2)=p(-l)=p(0)=0
[0化3] hi(0) =h2(0) =h3(0) =0
[0化4] w(0)=0
[0055] V(0) = 1000018X8
[0化6] 其中，l8x康示8X8維的單位矩陣。
[0057] S2、判斷k時(shí)刻屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P是否測(cè)量成功，若測(cè)量系統(tǒng)提供測(cè)量值，則測(cè)量成 功，獲得該時(shí)刻屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P化），然后執(zhí)行步驟S3;反之測(cè)量失敗，則執(zhí)行步 驟S4。
[0化引 S3、更新GLM模型參數(shù)
[0059] 基于迭代最小二乘濾波(RLS)原理，利用當(dāng)前獲取的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P 化），更新模型參數(shù)W化)及其方差矩陣Wk)，具體包括如下步驟：
[0060] S3.1、計(jì)算模型當(dāng)前的預(yù)測(cè)誤差和計(jì)算增益矩陣：
[0061 ] 預(yù)測(cè)誤差：6 =八^')-知又')
[006^ 增益矩陣:K = Wk-l)QT(k-l)[Al3x3+Q(k-l)Wk-l)QT(k-l)]
[0063] 其中遺忘因子λ = 〇. 98,13X3表示3X3維的單位矩陣；
[0064] S3.2、利用預(yù)測(cè)誤差和增益矩陣更新模型參數(shù)及其方差矩陣 [00化]模型參數(shù):W化）=w化-1)+Κ · e
[0066]方差矩陣:V化）=λ-?ν化-1 )-λ-?Κ9 化-1 )Wk-l)
[0067]待模型參數(shù)更新完畢，執(zhí)行步驟S5。
[006引S4、基于當(dāng)前GLM模型獲得屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的預(yù)測(cè)值，具體如下：
[0069] /WA) = y(A -i)W' -I)
[0070] 用預(yù)測(cè)值代替測(cè)量值，即令抑&)=參(^，然后執(zhí)行步驟S5。
[0071] S5、更新GLM模型設(shè)計(jì)矩陣
[0072] 利用當(dāng)前時(shí)刻的屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P化)和4個(gè)輔助點(diǎn)測(cè)量值hi化），h2化）， h3化），h4化)更新模型設(shè)計(jì)矩陣，得到
[0073] Q(k) = [p化-3) P化-2) P化-1) p(k) hi化）h2化）h3化）1]
[0074] 然后執(zhí)行步驟S6。
[00對(duì) S6、將當(dāng)前時(shí)刻值k加1，即：k = k+l，再返回步驟S2,進(jìn)入下一時(shí)刻k+1的處理流程。
[0076] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)和輔助點(diǎn)的位置示意圖。
[0077] 在本實(shí)施例中，測(cè)量系統(tǒng)采用基于立體內(nèi)窺鏡的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)屯、臟表面1個(gè)目 標(biāo)點(diǎn)和周圍3個(gè)輔助點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，3個(gè)輔助點(diǎn)選取了特征較明顯的像素點(diǎn)，相較目標(biāo)點(diǎn)更容 易測(cè)量。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于輔助點(diǎn)也可W采用完全相同的預(yù)測(cè)方法(此時(shí)，原目標(biāo)點(diǎn)和其它2 個(gè)輔助點(diǎn)則變?yōu)檩o助點(diǎn)）。運(yùn)種處理可W確保當(dāng)輔助點(diǎn)在某一時(shí)刻無(wú)測(cè)量時(shí)，由其預(yù)測(cè)值替 代，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的GLM預(yù)測(cè)模型進(jìn)行有效更新。
[0078] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中屯、臟表面目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量失敗時(shí)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果示意圖。
[0079] 在本實(shí)施例中，目標(biāo)點(diǎn)在第908帖~987帖，即k = 908~k = 987期間，因手術(shù)器械的 遮擋，無(wú)法獲得測(cè)量值，而3個(gè)輔助點(diǎn)未受遮擋，仍可正常測(cè)量。圖3中顯示了測(cè)量系統(tǒng)獲得 的目標(biāo)點(diǎn)和輔助點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線，并在目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線中顯示了其在第908帖~987帖受遮擋 期間，利用本發(fā)明方法得到的預(yù)測(cè)值的曲線。在本實(shí)施例中，根據(jù)圖1中的處理流程：
[0080] 在第908帖，測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法提供目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值時(shí)，經(jīng)步驟S2判斷后，執(zhí)行步驟S4,基 于當(dāng)前GLM模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得目標(biāo)點(diǎn)預(yù)測(cè)值，具體方程為：
[0081 ] 扔撕轉(zhuǎn)二試907)1<9的）
[0082] 其中，Q(907)和w(907)是在第907帖正常更新后的模型設(shè)計(jì)矩陣和模型參數(shù)。接下 來(lái)，在執(zhí)行步驟S5時(shí)，由于第908帖無(wú)測(cè)量值，故令=風(fēng)9()8)，利用目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值和 輔助點(diǎn)的測(cè)量值111(908)，}12(908)，}13(908)，}14(908)更新設(shè)計(jì)矩陣，得到：
[0083] Q(908) = [p(905) p(906) p(907) p(908) hi(908) h2(908) hsOOS) 1]
[0084] 而模型參數(shù)未更新，仍為前一帖的值，即：w(908)=w(907)，其方差矩陣仍有：V (908) =V(907)。
[0085] 在第909帖，與第908帖一樣，在步驟4,目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)GLM模型方程預(yù)測(cè)得 i>(9〇9# ρ (9齡）（，利用預(yù)測(cè)值(令p(9〇9) =對(duì)9〇9))和輔助點(diǎn)測(cè)量值hi(909)山(909)，h3 (909) ，h4(909)對(duì)模型參數(shù)矩陣更新，得到Q(909)，而模型參數(shù)仍未更新，有w(909)=w (908)和 V(909)=V(908)。
[0086] 直到，第987帖，測(cè)量系統(tǒng)恢復(fù)，重新獲得目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值p(987)，此時(shí)，在步驟S3中， 恢復(fù)對(duì)模型參數(shù)矩陣的正常更新。
[0087] 盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，W便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù) 人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，運(yùn)些 變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于時(shí)空相關(guān)性的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 、建立并初始化線性預(yù)測(cè)模型GLM (1.1) 、建立GLM模型：利用心臟表面目標(biāo)點(diǎn)p的N個(gè)歷史測(cè)量值和Μ個(gè)輔助點(diǎn)建立L=M+N +1階的GLM模型，用方程表示為：其中，/^)為三維列向量，表示心臟表面目標(biāo)點(diǎn)P在k時(shí)刻的三維空間坐標(biāo)預(yù)測(cè)值;Q(k-1)是3 X L維的模型設(shè)計(jì)矩陣，可表示為：它是由心臟表面目標(biāo)點(diǎn)P在k時(shí)刻之前的N個(gè)歷史測(cè)量值:p(k-N)，p(k-N+l)，. . .，p(k-1)和Μ個(gè)輔助點(diǎn)點(diǎn)在k-1時(shí)刻的測(cè)量值111仏-1)，112仏-1)，...，1?仏-1)，以及一個(gè)元素全為1 的三維列向量組成;w (k-1)是k-1時(shí)刻的模型參數(shù)，是由L個(gè)權(quán)值系數(shù)組成的列向量； (1.2) 、初始化GLM模型:令k = 1，將k = 1之前的N個(gè)歷史測(cè)量值和0時(shí)刻的Μ個(gè)輔助點(diǎn)測(cè) 量值都初始化為〇向量，即： ρ(卜 Ν)=ρ(2_Ν) =…= ρ(0)=0 hi(0) =h2(0) = ??? = hM(0) = 0 并將〇時(shí)刻的模型參數(shù)初始化為〇向量，即w(0)=0,將方差矩陣初始化為V(0) = 1000 OIlxl，其中Ilxl表示L X L維的單位矩陣； (2) 、判斷k時(shí)刻心臟表面目標(biāo)點(diǎn)p是否測(cè)量成功，若測(cè)量系統(tǒng)提供測(cè)量值，則測(cè)量成功， 獲得該時(shí)刻心臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P(k)，然后執(zhí)行步驟(3);反之測(cè)量失敗，則執(zhí)行步驟 (4)； (3) 、更新GLM模型參數(shù) 基于迭代最小二乘濾波(RLS)原理，利用當(dāng)前獲取的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)p的測(cè)量值p(k)， 更新模型參數(shù)w(k)及其方差矩陣V(k)，待更新完畢后，跳入步驟(5); (4) 、基于當(dāng)前GLM模型獲得心臟表面目標(biāo)點(diǎn)p的預(yù)測(cè)值，具體如下：用預(yù)測(cè)值代替測(cè)量值，即令P(k)=p(k)，然后執(zhí)行步驟(5); (5) 、更新GLM模型設(shè)計(jì)矩陣 利用當(dāng)前時(shí)刻的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)P的測(cè)量值P (k)和Μ個(gè)輔助點(diǎn)的測(cè)量值111仏-1)，112仏-1)，. . .，hM(k-l)更新模型設(shè)計(jì)矩陣，得到(6) 、當(dāng)前時(shí)刻值k加1，即：k = k+l，再返回步驟(2)，進(jìn)入下一時(shí)刻k+Ι的處理流程。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)空相關(guān)性的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，其特征在 于，所述的步驟(2)中，更新模型參數(shù)w(k)及其方差矩陣V(k)的具體方法為： (2.1 )、計(jì)算模型當(dāng)前的預(yù)測(cè)誤差和計(jì)算增益矩陣： 預(yù)測(cè)誤差：=- ##) 增益矩陣:K = V(k~l)QT(k~l) [Al3x3+Q(k~l)V(k-l)QT(k-l)] 其中，λ為遺忘因子，I3X3代表3 X 3維的單位矩陣； (2.2)、利用預(yù)測(cè)誤差和增益矩陣更新模型參數(shù)及其方差矩陣 模型參數(shù):w(k)=w(k_l)+K · e 方差矩陣:ν(?〇=λ-^(k-D-A-kQU-DvU-i)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于時(shí)空相關(guān)性的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，利用心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間自相關(guān)性，以及與周圍輔助點(diǎn)之間的空間相關(guān)性，建立預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的線性模型GLM，再基于當(dāng)前GLM模型下獲得預(yù)測(cè)值，從而解決了長(zhǎng)時(shí)間跨度預(yù)測(cè)時(shí)，由于時(shí)間自相關(guān)性減弱導(dǎo)致的預(yù)測(cè)誤差急劇增大的問(wèn)題。
【IPC分類】G06T7/20, G06T7/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105631864
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510979738
【發(fā)明人】楊波, 鄭文鋒, 劉珊, 謝建軍
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2015年12月23日