CN101881800B - 一种基于电磁定位系统的检测电磁干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁定位系统的检测电磁干扰的方法，包括以下步骤：(1)在被检测的空间放置配准架；(2)再将至少四个所述定位传感器分别放置在对应数量的已知结构数据且无电磁干扰的配准件中；(3)得出距离机械值及夹角机械值；(4)算出距离测量值及夹角测量值；(5)将距离的测量值与机械值一一对应比较、夹角的测量值与机械值一一对应比较，如果每一差值属于电磁定位系统固有的测量误差，那么认为周围环境不存在电磁干扰；否则认为存在。本发明操作简单、迅速。

Description

一种基于电磁定位系统的检测电磁干扰的方法

技术领域

本发明涉及一种检测电磁干扰的方法，特别涉及一种基于电磁定位系统的检测电磁干扰的方法。

背景技术

目前，在做外科手术时，医生经常用到手术导航系统来帮助完成手术。手术导航系统的功能就是在已经获取的CT图像中，实时显示手术器械的位置；在手术导航中，一个关键的环节就是将手术导航系统坐标系转换成图像坐标系(电磁定位系统坐标系和图像坐标系这两个坐标系的原点位置、轴向方向都不一致)；该环节主要解决手术器械在手术导航系统坐标系的位置转换到图像坐标系的位置，从而实现实时显示手术器械在已经获取CT图像的位置，在引导医生进行手术。

其中有一种手术导航系统，其对手术器械在手术导航系统坐标系定位的实现是基于电磁定位系统(如NDI公司的Aurora系统)的，称为电磁定位手术导航系统；在这种导航系统中，上述手术导航系统坐标系就是指电磁定位系统坐标系。

电磁定位系统包括磁场发射器和用于感应磁场发射器产生的电磁场的多个定位传感器，每个定位传感器的结构是一圆柱型卷绕线圈，电磁定位系统可以测量该线圈的中心位置的坐标及轴向，轴向是一矢量，轴向和中心定义的直线称为定位传感器的配准直线。

电磁定位系统在手术导航系统的运用是，将磁场发射器置放在进行手术的位置(亦称为病灶空间)的附近，让电磁定位系统的特定测量范围覆盖病灶空间，将定位传感器植入手术器械的尖端，当该手术器械在上述特定测量范围内时，电磁定位系统就会自动获取手术器械的尖端在电磁定位系统坐标系的坐标，手术导航系统再将电磁定位系统坐标系的坐标转化成图像坐标系的坐标，就可显示手术器械在已经获取CT图像的位置。

由以上的描述可知，电磁定位系统是否正常工作，是整个手术成功的关键因素；而影响电磁定位系统正常使用的最大问题是电磁干扰，环境中的各种金属物、电磁波都会产生电磁干扰，从而影响电磁定位系统的定位精度，进而导致手术的失败；因此，在使用基于电磁定位系统的手术导航系统之前，必须知道将要进行手术的位置(亦称为病灶空间)是否存在电磁干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测电磁干扰的方法，能够检测出被检测空间是否存在电磁干扰。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于电磁定位系统的检测电磁干扰的方法，所述电磁定位系统包括定位传感器，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在被检测的空间放置已知结构数据且无电磁干扰的配准架；

(2)再将至少四个所述定位传感器分别放置在对应数量的已知结构数据且无电磁干扰的配准件中，每一所述配准件上设有一标记点及穿过所述标记点的轴线，所述定位传感器的配准直线与所述轴线重叠，所述标记点与定位传感器的中心之间的距离为L；

(3)将装有定位传感器的配准件放置在所述配准架预先设计好的位置上，使所有所述标记点不在同一个平面上，所述标记点的连线围成的空间位于被检测的空间，所有所述定位传感器的轴向不朝向同一方向；

(4)直接由配准架、配准件和定位传感器的结构数据算出每两个标记点之间的距离机械值及每两个定位传感器轴向之间的夹角机械值；

(5)由所述电磁定位系统得出的定位传感器中心坐标及距离L算出每个标记点的坐标，进而得出每两个标记点之间的距离测量值；由所述电磁定位系统得出的定位传感器轴向，进而算出每两个定位传感器轴向之间的夹角测量值；

(6)将距离的测量值与机械值一一对应比较、夹角的测量值与机械值一一对应比较，如果每一差值属于电磁定位系统固有的测量误差，那么认为周围环境不存在电磁干扰；否则认为存在。

所述配准件设有放置定位传感器的圆柱形腔道，所述轴线为圆柱形腔道的轴线。

所述配准架包括上面板、下面板及连接杆，所述上面板和所述下面板连于所述连接杆的同一侧，成半“工”字形，所述上面板和所述下面板均设有放置配准件的卡槽，所述卡槽的总数量至少四个。

由上述方案可知，本发明将预先设计好的配准架放置被检测空间，在配准架上放置装有定位传感器的配准件，由距离L及由电磁定位系统测量的中心坐标和轴向算出距离测量值及夹角测量值，再与预先知道的距离机械值及夹角机械值作比较，就可以快速检测出被检测空间是否存在电磁干扰。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的配准件的结构图；

图3为本发明的配准架的结构图；

图4为本发明的配准架的剖视图；

图5为本发明的测量设备的结构图；。

具体实施方式

如图1所示，为了检测病灶空间是否存在电磁干扰，通过以下步骤完成：

1)首先在被检测的空间放置已知结构数据且无电磁干扰的配准架，配准架上设有六个点来放置已知结构数据且无电磁干扰的配准件；被检测的空间被电磁定位系统的磁场发射器产生的电磁场覆盖；

如图2所示，配准件的结构如下：

配准件为一塑料件，配准件设有一标记点O和一圆柱形腔道1，标记点O位于圆柱形腔道1的轴线H上，标记点O到圆柱形腔道1的距离为F。

如图3和图4所示，配准架的结构如下：

配准架包括上面板3、下面板4及连接杆5，上面板3和下面板4连于连接杆5的同一侧，成半“工”字形，上面板3和下面板4均设有放置配准件的卡槽6，卡槽6的总数量至少六个。

2)将定位传感器固定在配准件的圆柱形腔道1上，定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠，定位传感器的中心P与标记点O有固定距离L，六个配准件上的距离L之间是独立的；因此，定位传感器的配准直线穿过标记点O；

3)将六个分别装有定位传感器的配准件放置在配准架上，六个标记点O不在同一平面上，六个标记点O连线围成的空间位于被检测的空间，六个定位传感器的的轴向不朝向同一方向；

4)由于配准架和配准件是预先设计好的，每两个标记点之间距离及每两轴线H之间夹角都可以预先知道，这些值称为机械值；

5)得出每两个标记点P之间距离的测量值及每两个定位传感器的轴向之间夹角的测量值：六个定位传感器的中心在电磁定位系统中的坐标及轴向(轴向是一矢量)由电磁定位系统自动获取，由于标记点O与对应的定位传感器的中心的距离为L，并且位于同一配准直线上，可得出标记点O在电磁定位系统中的坐标；因此，在已知两向量和两点坐标情况下结合现有算法可算出任意两定位传感器轴向之间的夹角和每两个标记点O之间距离，这些值称为测量值；

6)判断方法：

将距离的测量值与机械值一一对应比较，如果每一差值属于电磁定位系统固有的测量误差，那么认为周围环境不存在电磁干扰来影响电磁定位系统测量中心位置坐标；否则认为存在。

将夹角的测量值与机械值一一对应比较，如果每一差值属于电磁定位系统固有的测量误差，那么认为周围环境不存在电磁干扰来影响电磁定位系统测量轴向；否则认为存在。

由于工艺的原因，电磁定位系统测量定位传感器的中心并不是线圈的几何中心，且在将定位传感器安装配准件上时，也无法保证，每次都可以把定位传感器安装到同一个位置，定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠，每个配准件上的定位传感器的中心P与标记点O的固定距离L之间都相同；因此，上述定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠及定位传感器的中心P与标记点O的固定距离L需要特别调整和测定。

本申请中，采取以下测量设备和方法来获取(也可由其他已知方法来获取)：

如图5所示，首先，在这介绍测量设备的具体结构，测量设备包括一平板2，平板2上设有八个放置配准件的卡槽B1、B2...B8，八个卡槽B1、B2...B8均匀地分布在以D为圆心的、半径为R的圆周Y上，当某一配准件放置分别在卡槽B1、B2...B8时，圆柱形腔道的轴线H所在的直线都穿过圆心D，配准件的标记点O位于圆周Y上。圆周Y的半径K是根据定位传感器的尺寸及测量精度来取，这由本领域技术人员根据测量精度及经验可做出判断。在本实施例中，定位传感器是一个外直径0.8mm、长8mm的圆柱型卷绕线圈，配准件是按照圆柱形腔道位于圆周Y外侧的方向放置，距离F为4mm，圆周Y的半径为R设为25mm。

根据测量原理及经验，并根据线圈的尺寸、配准件的机械尺寸、测量设备的机械尺寸，我们认为一个正确安装定位传感器的配准件，在正确测量的情况下，定位传感器的中心P与标记点O的距离应在5至10mm之间，即连有定位传感器的配准件放在卡槽时，定位传感器的中心P与圆心D的距离应在30至35mm之间。

下面，来介绍怎么调整定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠和测定定位传感器的中心P与标记点O的固定距离L：

(1)将某一连有定位传感器的配准组件按逆时针顺序依次卡入八个卡槽B1、B2...B8，然后记录该定位传感器的中心P在每个位置的坐标值P_i(x，y，z)，i＝1，2，3，...，8，该定位传感器的轴向在每个位置的向量值i＝1，2，3，...，8；

(2)测定方向偏差平均值：当定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H不重叠时，位置相对的两个位置P_i和P_i+4(i＝1，2，3，4)两点连线组成的向量有 与 与的夹角不为零；

设夹角θ_i为与夹角，ω_i为与夹角，则方向偏差平均值如果认为方向偏差在合理范围；否则，重新测量，若重新测量仍然不通过，说明定位传感器不合格或者需重新调整定位传感器在配准组件的位置。

(3)测定方向偏差标准差α_SD：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{SD}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\θ}}_i)}^2+\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ω}}_i)}^2}{8}};$

如果α_SD＜1°，认为方向偏差标准差在合理范围；否则，处理方法如步骤(2)。

如果同时满足上述步骤(2)和(3)，则认为定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠。

(4)各测量位置到圆心D的距离平均值

先通过计算公式为：(将P_i的x、y、z分量分别求和并计算平均得出三个数值，分别作为S的x、y、z分量)求出S作为圆心D坐标，然后计算每个测量点到D的距离d_i＝|P_i-S|，i＝1，2，3...8，及距离的平均值若则通过初步评估；否则，处理方法如步骤(2)。

(5)各测量位置到圆心D的距离标准差：如果在某位置定位传感器中心P到圆心D的距离为29mm，在另外一个位置(与某位置关于圆心D对称)该距离为37mm，二者平均为33mm，会通过(4)的评估，为了解决这个问题，需要进行距离标准差的评估，以评价各距离值偏离平均值的大小。

距离标准差计算公式： $d_{\mathrm{SD}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{d}-d_i)}^2}{8};}$

d_SD是经验值，可由本领域技术人员结合多次试验的结果和设备的性能来定，在本实施例中，我们认为，d_SD应小于1.5mm；若测试不通过，处理方法如步骤(2)。

如果定位传感器测量同时满足(2)、(3)、(4)、(5)，则认为在此配准件中，定位传感器的安装符合要求，此配准件可用以辅助检测是否存在电磁干扰；在此配准件中，定位传感器的中心P与标记点O的固定距离如果，配准件是按照圆柱形腔道位于圆周Y内侧的方向放置，则定位传感器的中心P与标记点O的固定距离

以上测量设备中的卡槽数量可以为等于大于六的偶数个。

本发明不局限于上述实施例；例如，定位传感器的数量不限于六个，但要求至少四个定位传感器，将装有定位传感器的配准件放置在配准架上时，全部定位传感器的中心不在同一平面上且全部定位传感器的轴向不朝向同一方向；配准架上的卡槽的总数量等于大于配准件的数量；因此，基于上述实施例的、未做出创造性劳动的简单替换，应当属于本发明揭露的范围。

Claims (3)

1.一种基于电磁定位系统的检测电磁干扰的方法，所述电磁定位系统包括定位传感器，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在被检测的空间放置已知结构数据且无电磁干扰的配准架；

(2)再将至少四个所述定位传感器分别放置在对应数量的已知结构数据且无电磁干扰的配准件中,每一所述配准件上设有一标记点及穿过所述标记点的轴线，所述定位传感器的配准直线与所述轴线重叠，所述标记点与定位传感器的中心之间的距离为L；

(3)将装有定位传感器的配准件放置在所述配准架预先设计好的位置上，使所有所述标记点不在同一个平面上，所述标记点的连线围成的空间位于被检测的空间，所有所述定位传感器的轴向不朝向同一方向；

(4)直接由配准架、配准件和定位传感器的结构数据算出每两个标记点之间的距离及每两个定位传感器轴向之间的夹角，该距离的值称为距离机械值，该夹角的值称为夹角机械值；

(5)由所述电磁定位系统得出的定位传感器中心坐标及距离L算出每个标记点的坐标，进而得出每两个标记点之间的距离测量值；由所述电磁定位系统得出的定位传感器轴向，进而算出每两个定位传感器轴向之间的夹角测量值；

(6)将距离的测量值与机械值一一对应比较、夹角的测量值与机械值一一对应比较，如果每一差值属于电磁定位系统固有的测量误差，那么认为周围环境不存在电磁干扰；否则认为存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配准件设有放置定位传感器的圆柱形腔道，所述轴线为圆柱形腔道的轴线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配准架包括上面板、下面板及连接杆，所述上面板和所述下面板连于所述连接杆的同一侧，成半“工”字形，所述上面板和所述下面板均设有放置配准件的卡槽，所述卡槽的总数量至少四个。