CN108240824A - 一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法，通过在发射天线周围空间有限几个测点处的交流磁场测量数据，基于接收天线的已知坐标数据和姿态数据，采用全局最优化搜索算法对接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数进行全局搜索，间接得到接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数，从而实现医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取。该获取方法具有测试过程简单，参数获取精度高的优点。

Description

一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别是涉及一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法。

背景技术

随着计算机技术和现代医学技术的飞速发展，越来越多的手术操作采用了辅助医学手术导航系统，不仅为医生手术提供了参考操作手段，还为病人减轻了手术的痛苦，有效地避免了许多手术中因“盲区”带来的医疗风险。医疗手术导航在神经外科、脊柱外科、心内科、腹腔镜疗法、内窥镜疗法等方面正得到越来越广泛的应用。

医疗手术导航是指将病人术前或术中的医学影像数据和病人生理结构准确对应，实时跟踪病人体内医疗器械的位置并在医学影像上三维直观显示。传统的手术导航采用X射线成像方式，该方式只能提供介入器械的二维位置信息，对手术医生的经验要求很高，且长时间使用会给人体带来很大的辐射伤害，正逐渐被淘汰。

相比之下，电磁跟踪技术具有精度高、可5/6自由度跟踪、无视线遮挡问题、对人体无辐射伤害等优势，已成为医疗手术导航领域定位跟踪技术的主流技术。系统的超小型定位线圈可与多种介入工具结合，在体内提供实时定位和引导，如心导管、活检穿刺针、粒子放疗针、消融针等工具的引导。随着计算机辅助手术和治疗技术在临床的进一步推广，电磁定位技术的应用前景非常广阔，可在遮挡的情况下进行精确实时的空间三维测量。

电磁定位跟踪器基于接收天线测得的不同频率的交流电压信号的幅值、接收天线的灵敏度参数和发射天线的激励参数解算位置和姿态信息，其工作示意图如图1所示。接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数的准确性直接影响了电磁定位跟踪器的位置和姿态解算精度，但接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数很难直接精确测量。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明提出了一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法，采用间接方法得到接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数，从而实现医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法，包括如下步骤：

步骤1：确定电磁定位跟踪器发射天线的基准安装位置；

步骤2：确定电磁定位跟踪器接收天线在发射天线附近的有限个测试点坐标，并在所述测试点上确定有限个测试姿态；

步骤3：逐一采集接收天线在每个测试点的每个测试姿态下的交流电压输出值；采集时，保持接收天线固定不动；

步骤4：对步骤3中的每一组交流电压测试数据，运用快速傅里叶变换提取交流电压的幅值数据；

步骤5：计算发射天线的激励参数初始值和接收天线的灵敏度参数初始值；

步骤6：采用全局优化搜索算法进行最优化搜索，得到接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数的真实值。

进一步地，所述发射天线为3组3轴正交的发射天线T1、T2和T3，共有9个发射天线T1X、T1Y、T1Z、T2X、T2Y、T2Z、T3X、T3Y和T3Z；9个发射天线的激励频率分别为10KHz、10.5KHz、11KHz、11.5KHz、12KHz、12.5KHz、13KHz、13.5KHz、14KHz；所述3组发射天线T1、T2和T3的基准安装位置应满足便于确定接收天线相对于发射天线的坐标位置。

进一步地，所述接收天线在发射天线附近至少包括不共面的4个测点；所述4个测点为正方体中相邻的4个顶点；

在每个测点处，调整接收天线的指向，至少需要在调整2个航向角以及2个俯仰角；所述2个航向角分别取为+45°和-45°，所述2个俯仰角取向分别为+45°和-45°，位置和接收天线共存在16种组合，产生16种测试姿态序列。

进一步地，步骤3中所述采集的时间为8ms，接收天线输出信号的采样频率为128000Hz，所得每一组采样信号的点数为1024点，共得到16组信号采集数据。

进一步地，对步骤4中的16组信号采集数据进行1024点的快速傅里叶变换，得到16组信号幅值数据；所述16组信号幅值数据构成1个16×9的矩阵，计为V_svy。

进一步地，所述9个发射天线的激励电流幅值为0.9A。

进一步地，所述全局优化搜索算法包括以下步骤：

a)发射天线激励参数和接收天线灵敏度参数构成一个矩阵，计为X；

b)基于步骤5中得到的发射天线激励参数的计算值和接收天线灵敏度参数的计算值，构成X的搜索初值X_init；

c)采用全局优化搜索算法对X进行全局搜索；

c)根据X的当前搜索值，计算步骤2中16种位置和姿态组合下接收天线的交流电压输出幅值，计算结果计为V_cal；

d)当基于最优化搜索得到的结果达到搜索终止条件，结束参数搜索流程，搜索所得接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数即认为分别是接收天线灵敏度参数的真实值和发射天线激励参数的真实值。

进一步地，采用的全局优化搜索算法为模拟退火算法，发射天线激励参数的搜索范围为[初始值-0.2，初始值-0.2]，接收天线灵敏度参数的搜索范围为[初始值-0.005，初始值+0.005]。

进一步地，所述搜索终止条件为：mean(abs(V_svy-V_cal))≤0.1。。

进一步地，所述搜索终止条件为模拟退火的温度T＜1℃。

本发明有益效果如下：

本发明提出了一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法，该获取方法通过在发射天线周围空间有限几个测点处的交流磁场测量数据，采用全局优化搜索算法对接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数进行全局搜索，间接得到接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数，从而实现医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取。该获取方法具有测试过程简单，参数获取精度高的优点。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是医疗导航电磁定位跟踪器工作示意图。

图2是医疗导航电磁定位跟踪器参数获取流程图。

图3是接收天线测试点分布示意图。

图4是接收天线姿态航向调整示意图。

图5是接收天线姿态俯仰调整示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：确定电磁定位跟踪器发射天线的基准安装位置，并安装发射天线；

a)发射天线的基准安装位置没有特殊的要求，便于确定接收天线测点相对于发射天线的坐标位置即可。

b)本实例中，采用3组3轴正交的发射天线，3组天线的序号分别表示为T1、T2、T3。T1的坐标为(-65，-35，35)mm，T2的坐标为(65，-35，35)mm，T3的坐标为(0，-165，35)mm。

c)本实例中，由于采用3组3轴正交的发射天线，因此共有9个发射天线，分别表示为T1X、T1Y、T1Z、T2X、T2Y、T2Z、T3X、T3Y、T3Z。9个发射天线的激励频率分别为10KHz、10.5KHz、11KHz、11.5KHz、12KHz、12.5KHz、13KHz、13.5KHz、14KHz；每个发射天线的激励电流幅值大约为0.9A。

步骤2：确定电磁定位跟踪器接收天线在发射天线附近的有限个测试点坐标和有限个测试姿态序列；

a)为提高参数获取的准确性，至少需要4个测点，且4个测点不能共面。本实例中，4个测点为边长为30cm的正方体中相邻的4个顶点，测试点的空间分布示意图见图3所示。

b)在每个测点处，调整接收天线的指向，至少需要在调整2个航向角以及调整2个俯仰角。本实例中，接收天线的航向角取向分别取为+45°和-45°，俯仰角取向分别为+45°和-45°，接收天线的指向角度调整示意图见图4和图5所示，位置和接收天线共存在16种组合。

步骤3：接收天线在每一个测试点处和每一个测试姿态下，保持接收天线固定不动，采集一段时间接收天线在该测试点和该测试姿态下的交流电压输出值；

a)步骤3中，至少需要不共面的4个测点；每个测点处至少需要调整4个接收天线指向，位置和接收天线共存在16种组合。

b)确定16种待测的位置和姿态组合后，在每一个位置和姿态组合下采集一段接收天线的交流电压输出信号。本实例中，接收天线输出信号的采样频率为128000Hz，采样时间为8ms，所得每一组采样信号的点数为1024点，共得到16组信号采集数据。

步骤4：对步骤3中的每一组交流电压测试数据，运用快速傅里叶变换提取交流电压的幅值数据；

a)对步骤3种的16组信号采集数据进行1024点的快速傅里叶变换，得到16组信号幅值数据；

b)16组信号幅值数据构成1个16×9的矩阵，计为V_svy。

步骤5：根据发射天线激励电流和发射天线有效发射面积，计算发射天线的激励参数的初始值；

本实例中，9个发射天线的激励电流幅值约为0.9A。T1X、T2X、T3X3个天线的有效面积大约为0.8257m²，因此上述3个天线的激励参数预估值为均0.7345Am²；T1Y、T2Y、T3Y 3个天线的有效面积大约为0.8183m²，因此上述3个天线的激励参数预估值均为0.7431Am²；T1Z、T2Z、T3Z 3个天线的有效面积大约为0.7980m²，因此上述3个天线的激励参数预估值均为0.7182Am²；

步骤6：根据接收天线有效面积和接收天线放大电路的设计参数，计算接收天线的灵敏度参数初始值。

本实例中，根据接收天线以及后续放大电路的设计参数，接收天线的灵敏度参数初始值预估为S＝0.02mV/nT。

步骤7：以步骤5和步骤6中得到的发射天线激励参数初始值和接收天线灵敏度参数初始值作为搜索初值，采用全局优化搜索算法对接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数进行最优化搜索。

a)发射天线激励参数和接收天线灵敏度参数构成一个10×1的矩阵，计为X。

b)基于步骤5和步骤6中得到的发射天线激励参数预估值和接收天线灵敏度参数预估值，构建X的搜索初值X_init。

本实例中，

X_init＝(0.7345,0.7431,0.7980,0.7345,0.7431,0.7980,0.7345,0.7431,0.7980,0.02)。

c)采用全局优化搜索算法对X进行全局搜索。本实例中采用的全局优化搜索算法为模拟退火算法，发射天线激励参数的搜索范围为[初始值-0.2，初始值-0.2]，接收天线灵敏度参数的搜索范围为[初始值-0.005，初始值+0.005]。

c)根据X的当前搜索值X_C，计算步骤2中16种位置和姿态组合下接收天线的交流电压输出幅值，计算结果为一个1个16×9的矩阵，计为V_cal。

d)当基于最优化搜索得到的接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数计算得到的结果和步骤4中得到的测量结果之差小于某一阈值，或达到搜索终止条件，结束参数搜索流程，搜索所得接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数即认为分别是接收天线灵敏度参数的真实值和发射天线激励参数的真实值。

本实例中，接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数计算得到的结果与步骤4中得到的测量结果之差的计算方法以及阈值为

mean(abs(V_svy-V_cal))≤0.1

本实例中，搜索终止条件为模拟退火的温度T＜1℃。

根据上述具体实施方式介绍可见，本发明提出了一种医疗导航电磁定位的参数获取方法。该获取方法通过在发射天线周围空间有限几个测点处的交流磁场测量数据，基于接收天线的已知坐标数据和姿态数据，采用全局最优化搜索算法对接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数进行全局搜索，间接得到接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数，从而实现医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取。

上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的技术方案，并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在上述技术方案的基础上进行任何简单的修改和替换而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种医疗导航电磁定位跟踪器的参数获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定电磁定位跟踪器发射天线的基准安装位置；

步骤2：确定电磁定位跟踪器接收天线在发射天线附近的有限个测试点坐标，并在所述测试点上确定有限个测试姿态；

步骤3：逐一采集接收天线在每个测试点的每个测试姿态下的交流电压输出值；采集时，保持接收天线固定不动；

步骤4：对步骤3中的每一组交流电压测试数据，运用快速傅里叶变换提取交流电压的幅值数据；

步骤5：计算发射天线的激励参数初始值和接收天线的灵敏度参数初始值；

步骤6：采用全局优化搜索算法进行最优化搜索，得到接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数的真实值。

2.根据权利要求1所述的参数获取方法，其特征在于，所述发射天线为3组3轴正交的发射天线T1、T2和T3，共有9个发射天线T1X、T1Y、T1Z、T2X、T2Y、T2Z、T3X、T3Y和T3Z。

3.根据权利要求2所述的参数获取方法，其特征在于，所述9个发射天线的激励频率分别为10KHz、10.5KHz、11KHz、11.5KHz、12KHz、12.5KHz、13KHz、13.5KHz、14KHz；激励电流幅值为0.9A。

4.根据权利要求1所述的参数获取方法，其特征在于，

所述接收天线在发射天线附近至少包括不共面的4个测点；所述4个测点为正方体中相邻的4个顶点；

在每个测点处，调整接收天线的指向，至少需要在调整2个航向角以及2个俯仰角；所述2个航向角分别取为+45°和-45°，所述2个俯仰角取向分别为+45°和-45°，位置和接收天线共存在16种组合，产生16种测试姿态序列。

5.根据权利要求4所述的参数获取方法，其特征在于，步骤3中所述采集的时间为8ms，接收天线输出信号的采样频率为128000Hz，所得每一组采样信号的点数为1024点，共得到16组信号采集数据。

6.根据权利要求5所述的参数获取方法，其特征在于，

对步骤4中的16组信号采集数据进行1024点的快速傅里叶变换，得到16组信号幅值数据；所述16组信号幅值数据构成1个16×9的矩阵，计为V_svy。

7.根据权利要求1或6所述的参数获取方法，其特征在于，所述全局优化搜索算法包括以下步骤：

a)发射天线激励参数和接收天线灵敏度参数构成一个矩阵，计为X；

b)基于步骤5中得到的发射天线激励参数的计算值和接收天线灵敏度参数的计算值，构成X的搜索初值X_init；

c)采用全局优化搜索算法对X进行全局搜索；

c)根据X的当前搜索值，计算步骤2中16种位置和姿态组合下接收天线的交流电压输出幅值，计算结果计为V_cal；

d)当基于最优化搜索得到的结果达到搜索终止条件，结束参数搜索流程，搜索所得接收天线灵敏度参数和发射天线激励参数即认为分别是接收天线灵敏度参数的真实值和发射天线激励参数的真实值。

8.根据权利要求7所述的参数获取方法，其特征在于，

采用的全局优化搜索算法为模拟退火算法，发射天线激励参数的搜索范围为[初始值-0.2，初始值-0.2]，接收天线灵敏度参数的搜索范围为[初始值-0.005，初始值+0.005]。

9.根据权利要求8所述的参数获取方法，其特征在于，所述搜索终止条件为：mean(abs(V_svy-V_cal))≤0.1。

10.根据权利要求8所述的参数获取方法，其特征在于，所述搜索终止条件为模拟退火的温度T＜1℃。