CN111175746A - 一种穿刺针定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿刺针定位系统及方法，该系统包括：射频消融针、雷达和主控器；其中，所述射频消融针用于对人体模型特定部分进行穿刺；所述雷达用于确定表示所述射频消融针位置的反射数据；所述反射数据为所述雷达发射的发射信号与所述射频消融针的反射信号相干混频后的数据；所述主控器用于接收所述反射数据，并根据所述反射数据确定所述射频消融针在所述人体模型中的位置。本发明中只设置了射频消融针、雷达和主控器，结构简单；此外利用主控器控制雷达进行射频消融针定位的定位方法，定位精度高。
Description
技术领域
本发明涉及穿刺针技术领域，特别是涉及一种穿刺针定位系统及方法。
背景技术
随着医学规范化培训的推行，临床培训工作中对于高度仿真的培训器械要求越来越高，目前各个三级甲等医院或有医学培训任务的地市级医院均有此需求。在临床上，超声引导穿刺活体检查/消融治疗手术是一种基本但是难以掌握的技术。该手术首先在超声图像引导下找到可疑的病变部位，再用穿刺针取得该部位的组织，以用作不同的化验，或者进行消融治疗。这种手术要求医生对超声图像有很好的阅读能力和人体解剖结构的深入认识，并且需要对穿刺针熟练运用。医生必需要通过大量的训练和长时间的练习，才能掌握获取相应的技术。
目前，实习医生大多在主治医生的指导下，通过临床实习进行训练，接触的病例受到限制，而且让病人承担很大的风险。目前医院和培训机构采用的穿刺培训系统一般为腔内置入颜料水囊的硅胶解剖模型，其不仅结构复杂而且精度很低。因此，如何设置一种结构简单并且精度高的穿刺针定位系统，是当前面临的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种穿刺针定位系统及方法，结构简单并且精度高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种穿刺针定位系统，包括：射频消融针、雷达和主控器；其中，
所述射频消融针用于对人体模型特定部分进行穿刺；
所述雷达用于确定表示所述射频消融针位置的反射数据；所述反射数据为所述雷达发射的发射信号与所述射频消融针的反射信号相干混频后的数据；
所述主控器用于接收所述反射数据，并根据所述反射数据确定所述射频消融针在所述人体模型中的位置。
可选的，所述雷达设有两个发射天线、四个接收天线以及一个微处理器；
所述微处理器用于接收所述接收天线采集的所述射频消融针的反射信号和所述发射天线发射的发射信号，并将所述发射信号与所述反射信号进行相干混频，得到反射数据。
可选的，所述雷达为高精度毫米波雷达。
可选的，所述高精度毫米波雷达为工作在60GHz-64GHz的线性调频连续波雷达。
可选的，所述雷达的工作参数为线性调频带宽、调制周期、最大分辨距离、最大探测距离和最大探测速度。
可选的，所述线性调频带宽为4GHz；所述调制周期为250ms，所述周期内含有32个子周期，每个所述子周期含有一个连续调频波；所述最大分辨距离为0.044m；所述最大探测距离为9.8m；所述最大探测速度为0.13m/s。
本发明还提供了一种穿刺针定位方法，方法包括：
获取反射数据；所述反射数据为所述雷达发射的发射信号与所述射频消融针的反射信号相干混频后的数据；
对所述反射数据进行处理，得到一个表征反射数据的反射矩阵；
将所述反射矩阵的每一行和每一列分别进行快速傅里叶变换，得到热力图矩阵；
将预存的雷达参数中的最大探测角度按照所述热力图矩阵的行数进行离散化；
将预存的雷达参数中的最大探测距离按照所述热力图矩阵的列数进行离散化；
根据离散化后的最大探测角度和离散化后的最大探测探测距离建立直角坐标系；
将所述热力图矩阵中的元素映射到所述直角坐标系，得到雷达二维热力图；
对所述雷达二维热力图进行峰值检索，得到所述射频消融针相对于雷达的位置信息；
根据所述射频消融针相对于雷达的位置信息、预存的人体模型坐标系以及雷达在所述人体模型坐标系中的位置信息，确定所述射频消融针在所述人体模型中的位置。
可选的，所述对所述反射数据进行处理，得到一个表征反射数据的反射矩阵，具体包括：
将所述反射数据用复数表示；所述反射数据包含N个天线数据；N为所述雷达接收天线个数与所述雷达发射天线个数的乘积；
根据所述复数建立二维矩阵；所述二维矩阵的行数为所述复数的虚部个数和实部个数的和，所述二维矩阵的列数为所述雷达调制周期内的子周期个数；
将所述二维矩阵用零填充，得到所述表征反射数据的反射矩阵。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种穿刺针定位系统及方法，该系统包括：射频消融针、雷达和主控器；其中，所述射频消融针用于对人体模型特定部分进行穿刺；所述雷达用于确定表示所述射频消融针位置的反射数据；所述反射数据为所述雷达发射的发射信号与所述射频消融针的反射信号相干混频后的数据；所述主控器用于接收所述反射数据，并根据所述反射数据确定所述射频消融针在所述人体模型中的位置。本发明中只设置了射频消融针、雷达和主控器，结构简单；外利用主控器控制雷达进行射频消融针定位的定位方法，定位精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种穿刺针定位系统的工作环境图；
图2为本发明实施例提供的人体模型的剖面图；
图3为本发明实施例提供的雷达的工作原理图；
图4为本发明实施例提供的雷达与主控器的工作流程图；
图5为本发明实施例提供的雷达二维热力图；
图6为本发明实施例提供的一种穿刺针定位方法的流程图。
符号说明：
1-射频消融针，2-雷达，3-人体模型，4-射频消融针穿刺点，5-雷达在直角坐标系中的投影中心点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种穿刺针定位系统及方法，结构简单并且精度高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例:
图1为本发明实施例提供的一种穿刺针定位系统的工作环境图，如图1所示，本实施例提供的一种穿刺针定位系统包括射频消融针1和雷达2。其中射频消融针1用于对人体模型3特定部分进行穿刺，人体模型3为医学教学训练用的上本身胸腔模型。雷达2为工作在60GHz-64GHz的高精度毫米波雷达，具有四个接收天线、两个发射天线和一个微处理器。其中微处理器设置有混频器、滤波器、数模转换器和数字信号处理器，具有很小的延迟。雷达2的线性调频带宽为4GHz，调制周期为250ms，调制周期内含有32个子周期，每个子周期含有一个连续调频波，最大分辨距离为0.044m，最大探测距离为9.8m，最大探测速度为0.13m/s。在二维平面内，雷达2的距离分辨率能够达到4cm，角度分辨率能够达到15°。
本实施例提供的一种穿刺针定位系统还设置有主控器，主控器用于接收反射数据，并根据反射数据确定射频消融针1在所述人体模型3中的位置。
系统在工作时主控器首先获取雷达2相对人体模型3的位置信息。图2为本发明实施例提供的人体模型的剖面图，如图2所示，在人体模型3的剖面图上建立直角坐标系，直角坐标系以胸腔剖面的中心为坐标原点，x轴正方向为后背方向，y轴正方向为人体的右手侧方向。射频消融针1从位于直角坐标系的第四象限的胸腔外以不超过1m/s的速度和可选角度缓慢刺入位于直角坐标系第四象限的射频消融针穿刺点4，刺入的最大深度为7cm。雷达2在直角坐标系上的投影与x轴的夹角为45度，雷达在直角坐标系中的投影中心点5的x轴坐标为7cm，y轴坐标为14cm。
图3为本发明实施例提供的雷达的工作原理图，如图3所示，雷达2工作时，由雷达2内部的信号产生源发出信号控制发射天线发射信号，发射信号触碰到射频消融针1后发生反射，反射天线接收反射信号。雷达2中的微处理器的混频器将发射信号和反射信号进行相干混频，得到中频信号。滤波器对中频信号进行带通滤波后经数模转换器转换，再经数字信号处理器处理获得反射数据。
图4为本发明实施例提供的雷达与主控器的工作流程图，如图4所示：
首先雷达2开始工作确定反射数据，反射数据为雷达2发射的发射信号与射频消融针1的反射信号相干混频后的数据。反射数据为8(雷达发射天线个数与接收天线个数的乘积)个天线数据。
主控器根据反射数据建立反射矩阵。本实施例中，主控器根据反射数据建立反射矩阵具体过程如下：
将反射数据用复数表示，由于反射数据为8组天线数据，因此可获得8组反射数据的虚部和实部。
根据8组反射数据的虚部和实部，以及雷达2调制周期内的子周期个数建立二维矩阵，矩阵的行数为16，矩阵的列数为32。
用零填充二维矩阵，得到一个表征反射数据的反射矩阵。反射矩阵的行数为64，列数为256。
根据反射矩阵获得雷达二维热力图。本实施例中，根据反射矩阵获得雷达二维热力图具体过程如下：
将反射矩阵的每一行和每一列分别进行快速傅里叶变换，得到热力图矩阵。
将雷达2参数中的最大探测角度按照热力图矩阵的行数进行离散化。
将雷达2参数中的最大探测距离按照热力图矩阵的列数进行离散化。
根据离散化后的最大探测角度和离散化后的最大探测探测距离建立直角坐标系。
再将热力图矩阵中的元素映射到直角坐标系，得到雷达二维热力图。图5为本发明实施例提供的雷达二维热力图。
将雷达二维热力图进行峰值检索即可获取射频消融针1相对于雷达2的位置坐标。
本实施例中，将雷达二维热力图进行峰值检索获取射频消融针1相对于雷达2的位置坐标具体过程如下：
读取雷达二维热力图，热度较高的地方即为探测到的物体，获得其坐标，即雷达2探测到的射频消融针1相对于雷达2的坐标。
根据雷达2探测到的射频消融针1相对于雷达2的坐标和系统刚开始获得的雷达2相对人体模型3的位置信息，最终确定射频消融针1在人体模型3中的位置。
图6为本发明实施例提供的一种穿刺针定位方法的流程图。如图6所示，穿刺针定位方法如下：
步骤101：获取反射数据。反射数据为雷达发射的发射信号与射频消融针的反射信号相干混频后的数据。
步骤102：对反射数据进行处理，得到一个表征反射数据的反射矩阵。具体过程为：将反射数据用复数表示，其中反射数据包含N个天线数据，N为雷达接收天线个数与雷达发射天线个数的乘积。再根据复数建立二维矩阵，其中二维矩阵的行数为复数的虚部个数和实部个数的和，二维矩阵的列数为雷达调制周期内的子周期个数。最后将二维矩阵用零填充，得到所述表征反射数据的反射矩阵。
步骤103：将反射矩阵的每一行和每一列分别进行快速傅里叶变换，得到热力图矩阵。
步骤104：将预存的雷达参数中的最大探测角度按照热力图矩阵的行数进行离散化。
步骤105：将预存的雷达参数中的最大探测距离按照热力图矩阵的列数进行离散化。
步骤106：根据离散化后的最大探测角度和离散化后的最大探测探测距离建立直角坐标系。
步骤107：将热力图矩阵中的元素映射到直角坐标系，得到雷达二维热力图。
步骤108：对雷达二维热力图进行峰值检索，得到射频消融针相对于雷达的位置信息。
步骤109：根据射频消融针相对于雷达的位置信息、预存的人体模型坐标系以及雷达在人体模型坐标系中的位置信息，确定射频消融针在人体模型中的位置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的穿刺针定位系统，只设置了射频消融针、雷达和主控器，结构简单。并且使用的雷达为毫米波雷达，首次在医学穿刺教学中的使用，定位精度高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种穿刺针定位系统，其特征在于，包括：射频消融针、雷达和主控器；其中，
所述射频消融针用于对人体模型特定部分进行穿刺；
所述雷达用于确定表示所述射频消融针位置的反射数据；所述反射数据为所述雷达发射的发射信号与所述射频消融针的反射信号相干混频后的数据；
所述主控器用于接收所述反射数据，并根据所述反射数据确定所述射频消融针在所述人体模型中的位置。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述雷达设有两个发射天线、四个接收天线以及一个微处理器；
所述微处理器用于接收所述接收天线采集的所述射频消融针的反射信号和所述发射天线发射的发射信号，并将所述发射信号与所述反射信号进行相干混频，得到反射数据。
3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述雷达为高精度毫米波雷达。
4.根据权利要求3所述的定位系统，其特征在于，所述高精度毫米波雷达为工作在60GHz-64GHz的线性调频连续波雷达。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述雷达的工作参数为线性调频带宽、调制周期、最大分辨距离、最大探测距离和最大探测速度。
6.根据权利要求5所述的定位系统，其特征在于，所述线性调频带宽为4GHz；所述调制周期为250ms，所述周期内含有32个子周期，每个所述子周期含有一个连续调频波；所述最大分辨距离为0.044m；所述最大探测距离为9.8m；所述最大探测速度为0.13m/s。
7.一种穿刺针定位方法，其特征在于，所述穿刺针定位方法应用权利要求1所述的一种穿刺针定位系统，包括：
获取反射数据；所述反射数据为所述雷达发射的发射信号与所述射频消融针的反射信号相干混频后的数据；
对所述反射数据进行处理，得到一个表征反射数据的反射矩阵；
将所述反射矩阵的每一行和每一列分别进行快速傅里叶变换，得到热力图矩阵；
将预存的雷达参数中的最大探测角度按照所述热力图矩阵的行数进行离散化；
将预存的雷达参数中的最大探测距离按照所述热力图矩阵的列数进行离散化；
根据离散化后的最大探测角度和离散化后的最大探测探测距离建立直角坐标系；
将所述热力图矩阵中的元素映射到所述直角坐标系，得到雷达二维热力图；
对所述雷达二维热力图进行峰值检索，得到所述射频消融针相对于雷达的位置信息；
根据所述射频消融针相对于雷达的位置信息、预存的人体模型坐标系以及雷达在所述人体模型坐标系中的位置信息，确定所述射频消融针在所述人体模型中的位置。
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述对所述反射数据进行处理，得到一个表征反射数据的反射矩阵，具体包括：
将所述反射数据用复数表示；所述反射数据包含N个天线数据；N为所述雷达接收天线个数与所述雷达发射天线个数的乘积；
根据所述复数建立二维矩阵；所述二维矩阵的行数为所述复数的虚部个数和实部个数的和，所述二维矩阵的列数为所述雷达调制周期内的子周期个数；
将所述二维矩阵用零填充，得到所述表征反射数据的反射矩阵。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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