專利名稱：基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動(dòng)態(tài)同步顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多傳感器跟蹤定位領(lǐng)域，尤其適合內(nèi)窺鏡探頭等微小區(qū)域的方位探測(cè)。
背景技術(shù)：
在醫(yī)療上，醫(yī)生一般通過(guò)內(nèi)窺鏡采集到的圖像，依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)病變位置進(jìn)行判斷，具有較大誤差。而在一些特殊場(chǎng)合下，醫(yī)生需要結(jié)合內(nèi)窺鏡得到的病變位置信息，配合手術(shù)等措施進(jìn)行綜合治療，因此對(duì)病變位置的方位精度要求較高。在日本、美國(guó)一些發(fā)達(dá)國(guó)家，膠囊內(nèi)窺鏡應(yīng)用逐漸普遍，對(duì)其定位和控制也是目前的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外采用的內(nèi)窺鏡定位技術(shù)，多為采用以磁場(chǎng)分布為核心的測(cè)算方法，分為體內(nèi)置磁場(chǎng)傳感器，體外多點(diǎn)磁場(chǎng)源，或者體內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)射源，體外數(shù)十個(gè)探測(cè)器陣列兩種。第一種方式上，現(xiàn)有的一些專利技術(shù)提出了利用加速度傳感器結(jié)合地磁傳感器進(jìn)行姿態(tài)解算，將內(nèi)窺鏡姿態(tài)和位置定位分別處理的方法，但由于歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣算法的“奇異性”以及地磁場(chǎng)的晃動(dòng)問(wèn)題，姿態(tài)解算的精度有限，連續(xù)性和魯棒性不好。而且在內(nèi)窺鏡的位置定位上，采 用三線圈平放，以線圈軸線的磁場(chǎng)分布代替全空間分布，缺乏科學(xué)性，定位范圍狹小。采用第二種方式，通過(guò)數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)來(lái)彌補(bǔ)磁場(chǎng)空間的分布復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，成本較高而且精度一般，算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。而目前的多傳感器的姿態(tài)定位算法，其核心思想是利用陀螺儀的姿態(tài)累積保證姿態(tài)跟蹤的連續(xù)性，以輔助傳感器結(jié)合卡爾曼濾波方法，來(lái)修正陀螺儀的累積誤差，從而保證姿態(tài)跟蹤的精確性，這種方法適合于姿態(tài)變化緩慢的大型載體的定位，并不適用于內(nèi)窺鏡這種姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較大，實(shí)時(shí)性需求較高的場(chǎng)合。同時(shí)，在內(nèi)窺鏡的絕對(duì)位置定位上，現(xiàn)有技術(shù)有利用機(jī)械特性進(jìn)行定位，精度較低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有對(duì)磁場(chǎng)源進(jìn)行全空間建模太過(guò)于復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，而且全空間建模一般磁場(chǎng)源要求為點(diǎn)源，在遠(yuǎn)場(chǎng)下對(duì)磁場(chǎng)傳感器的探測(cè)精度要求過(guò)高。數(shù)字人技術(shù)，目前主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像還原，人體結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域，大多數(shù)是應(yīng)用在靜態(tài)的病理分析上，在同步跟蹤方面的應(yīng)用較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決磁場(chǎng)定位系統(tǒng)體積大，成本高，算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，將多傳感技術(shù)引入內(nèi)窺鏡定位中，提供一種基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動(dòng)態(tài)同步顯示方法，以提高內(nèi)窺鏡鏡頭姿態(tài)的定位連續(xù)性和魯棒性，增加內(nèi)窺鏡位置定位的科學(xué)性和定位范圍，通過(guò)與數(shù)字人技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了定位信息的動(dòng)態(tài)顯示，使內(nèi)窺鏡的定位跟蹤結(jié)果更加直觀。本發(fā)明方法將多傳感器模組微縮到內(nèi)窺鏡探頭前端，探頭作為載體在發(fā)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)傳感信息的解算，可以得到大地坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣的具體表達(dá)，以大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換矩陣就對(duì)應(yīng)了當(dāng)前載體的姿態(tài)。在完成姿態(tài)解算的同時(shí)，間歇通電人體附近的多個(gè)勵(lì)磁線圈，利用線圈磁場(chǎng)的特殊分布，并結(jié)合當(dāng)前具體姿態(tài)，綜合得到載體所在的空間位置。之后，由OPEN GL的建模技術(shù)，將接受觀測(cè)的人體的體重和身高輸入，在MFC界面仿真得到一個(gè)包括器官模型在內(nèi)的透視的數(shù)字人模型，并將姿態(tài)和位置信息傳輸給PC，在數(shù)字人內(nèi)，以合適比例建立動(dòng)態(tài)的內(nèi)窺鏡模型，從而完成姿態(tài)和位置的定位，實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡在人體內(nèi)移動(dòng)過(guò)程的同步再現(xiàn)。本發(fā)明提供的基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動(dòng)態(tài)同步顯示方法主要包含姿態(tài)定位，位置定位，以及數(shù)字人同步顯示三個(gè)主要部分，在一個(gè)定位周期內(nèi)完成。首先以陀螺儀為核心，配合加速度計(jì)和磁場(chǎng)傳感器收斂輔助，完成姿態(tài)定位與收斂，然后結(jié)合人體附近至少三個(gè)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生外部磁場(chǎng)完成位置定位，在得到姿態(tài)和位置定位結(jié)果后，對(duì)定位結(jié)果顯示與更新。本發(fā)明所采用的方法，主要包含以下步驟第1、多傳感器系統(tǒng)位于內(nèi)窺鏡載體上，多傳感器系統(tǒng)包括三軸加速度傳感器,三軸磁場(chǎng)傳感器以及三軸陀螺儀，這三個(gè)傳感器各自的X，Y, Z軸均與所在載體的X，Y, Z軸平行；首先將內(nèi)窺鏡載體水平放置，此時(shí)的坐標(biāo)系定義為初始坐標(biāo)系N，記錄下三軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器分別于坐標(biāo)系N下的測(cè)量值SO=
，H0=[x0, y0, z0]，作為姿態(tài)定位的初始信息；第2、通過(guò)三軸陀螺儀測(cè)量載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的X，Y，Z軸的實(shí)時(shí)角速度，記載體在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)坐標(biāo)系 為B，結(jié)合四元數(shù)姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)積分得到坐標(biāo)系N到坐標(biāo)系B的轉(zhuǎn)換矩陣C，通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣C計(jì)算出B相對(duì)N的三軸旋轉(zhuǎn)角α、β、Υ，同真實(shí)的三軸旋轉(zhuǎn)角相比，誤差分別為Δ α、Δ β、Δ Y ；第3、不斷重復(fù)第2步的過(guò)程，由于三軸陀螺儀的隨機(jī)漂移效應(yīng)，第2步的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角誤差會(huì)隨著時(shí)間逐漸增大，待其總誤差絕對(duì)值
權(quán)利要求
1.基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動(dòng)態(tài)同步顯示方法，其特征在于該方法的步驟是第1、多傳感器系統(tǒng)位于內(nèi)窺鏡載體上，多傳感器系統(tǒng)包括三軸加速度傳感器，三軸磁場(chǎng)傳感器以及三軸陀螺儀，這三個(gè)傳感器各自的X，Y, Z軸均與所在載體的X，Y，Z軸平行；首先將內(nèi)窺鏡載體水平放置，此時(shí)的坐標(biāo)系定義為初始坐標(biāo)系N，記錄下三軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器分別于坐標(biāo)系N下的測(cè)量值SO=
，H0=[x0, y0, z0]，作為姿態(tài)定位的初始信息；第2、通過(guò)三軸陀螺儀測(cè)量載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的X，Y，Z軸的實(shí)時(shí)角速度，記載體在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)坐標(biāo)系為B，結(jié)合四元數(shù)姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)積分得到坐標(biāo)系N到坐標(biāo)系B的轉(zhuǎn)換矩陣C，通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣C計(jì)算出B相對(duì)N的三軸旋轉(zhuǎn)角α、β、γ，同真實(shí)的三軸旋轉(zhuǎn)角相比，誤差分別為Δ α、Δ β、Δ Y ；第3、不斷重復(fù)第2步的過(guò)程，由于三軸陀螺儀的隨機(jī)漂移效應(yīng)，第2步的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角誤差會(huì)隨著時(shí)間逐漸增大，待其總誤差絕對(duì)值
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第4步采用的姿態(tài)收斂方法，考慮到三軸磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量過(guò)程容易受干擾，且傳感器精度不高，利用逐次收斂方式，將三軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器所收斂的誤差區(qū)域分開(kāi)來(lái)，先利用加速度傳感器來(lái)對(duì)姿態(tài)的大部分誤差進(jìn)行收斂，而最后的微小自轉(zhuǎn)角則通過(guò)磁場(chǎng)傳感器來(lái)收斂，目的是為了提高收斂的精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第5步采用的位置定位方法，需要循環(huán)通電一組至少三個(gè)勵(lì)磁線圈，在同一時(shí)刻，空間中僅有一個(gè)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)，在計(jì)算磁場(chǎng)分布M2時(shí)，需要將當(dāng)前測(cè)量值減去通電前的地磁場(chǎng)的分量，從而得到僅通過(guò)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)，進(jìn)而通過(guò)旋轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算法平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第6步采用的數(shù)字人動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建主要分為以下幾個(gè)步驟1)通過(guò)人體的斷層圖，重建人體及內(nèi)部器官的三維輪廓模型；2)將三維輪廓模型制作為OBJ類型的顯示列表，方便VC下的調(diào)用；3)以3D的輪廓圖作為背景，制作微小的內(nèi)窺鏡動(dòng)態(tài)模型，在內(nèi)窺鏡模型中導(dǎo)入姿態(tài)和位置定位信息，模擬內(nèi)窺鏡在人體內(nèi)的朝向和位置顯示；4)利用OPENGL在MFC下的顯示，刷新功能，來(lái)對(duì)該動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行更新。
全文摘要
基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動(dòng)態(tài)同步顯示方法。本發(fā)明以三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)和三軸磁場(chǎng)傳感器組成的多傳感器系統(tǒng)為核心，通過(guò)陀螺儀的四元數(shù)跟蹤得到初始姿態(tài)，并通過(guò)加速度計(jì)和磁場(chǎng)傳感器的逐步收斂，將陀螺儀的全空間發(fā)散誤差進(jìn)行周期修正，從而達(dá)到旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的精確跟蹤。將該系統(tǒng)與人體附近數(shù)個(gè)勵(lì)磁線圈相結(jié)合，利用勵(lì)磁線圈的中心對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感載體的實(shí)時(shí)位置確定。在醫(yī)學(xué)上為了便于醫(yī)生進(jìn)行觀察對(duì)比，本發(fā)明結(jié)合數(shù)字人技術(shù)將姿態(tài)和位置信息導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)鏡在人體內(nèi)姿態(tài)和方位的模型跟蹤和透視觀察。
文檔編號(hào)A61B5/05GK103027657SQ201210543208
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者陳曉冬, 王森, 歐陽(yáng)孜孜, 汪毅, 郁道銀 申請(qǐng)人:天津大學(xué)