CN112089491A - 电磁导航系统中磁场形变校准工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁导航系统中磁场形变校准工具及方法，包括以下步骤：首先，在数据训练阶段将磁场发生器放置在磁场所使用的工作环境下，在坐标采集板上等距网格位置采集磁场坐标；得到三维等距网格线上所有点的磁场坐标值，根据网格线定义的物理坐标与所采集对应的磁场坐标求得磁场坐标的形变量；在不同的磁场工作环境下求得的形变量组合形成磁场形变统计模型；在使用运行阶段，采集一次坐标采集板上的局部磁场坐标获取局部形变量，通过得到稀疏表达得到当前的磁场坐标全局的形变量数值。本发明具有快速、准确和通用的优势，通过磁场形变数据的统计模型的稀疏求解，快速解决电磁导航易受到环境因素干扰的问题，使导航系统更加准确。

Description

电磁导航系统中磁场形变校准工具及方法

技术领域

本发明涉及磁场形变校准技术领域，具体地，涉及一种电磁导航系统中磁场形变校准工具及方法。尤其地，涉及一种在医用手术导航系统下进行辅助准确定位的应用。

背景技术

随着科学技术的不断开发，微创精准介入定位手术越来越被人们重视，介入方法虽然好，但是定位难度十分大，因此，通过计算机辅助的方法能够帮助器械进行准确的空间定位。在实际中，辅助手术定位的方法主要有光学定位和电磁定位。光学定位的精度高，但是在实际使用的过程中容易受到环境中物体的遮挡影响，数据容易丢失，使得整个应用场景下的视野要求十分严格。而电磁定位通过电磁感应进行空间的方向和角度的定位，能够达到同级别的定位精度并且使用更加方便。

电磁定位由磁场发生器产生稳定的工作磁场，植入式的定位线圈能够在工作磁场范围能产生信号提供定位数据。然而在工作范围内的磁干扰物质能够产生感应涡流磁场，影响定位的精度。一般的电磁导航系统中往往会忽略掉磁场工作环境中的干扰物质对磁场稳定工作定位的影响，对于医疗手术导航系统这种需要高精度定位要求的使用场景来说，往往无法忽视这类干扰的影响。在手术室的环境中，磁场发生器支撑物，影像设备，比如CT床、C形臂等设备均可以引起磁场的干扰形变。

相关专利US973336中披露了一种对磁场形变补偿的方法，通过局部4个传感器进行小范围内修正，或通过光学定位的装置在磁场的范围内对线圈进行追踪，计算线圈在磁场范围之内的绝对误差量。此专利中的方法对局部或特定的磁场形变场景适用，不适用于广泛的磁场定位场景。实现一种在普遍电磁导航系统工作下的复杂电磁干扰手术环境的形变校准计算十分困难。

专利文献CN110544309A(申请号：201910688868.8)公开了一种基于大尺度网格模型的实时稀疏编辑方法，包括：构建由相同网格拓扑的模型组成的模型库；提取该模型的原始特征向量，将该原始特征向量转化为可以编码模型大尺度形变的第一特征向量，并形成该模型库的第一特征向量集合；对该第一特征向量集合进行全局稀疏优化，提取第二特征向量集合；确定目标模型上的控制顶点位置；以该目标模型的特征向量为该第二特征向量集合的一个线性组合向量，对该线性组合向量进行稀疏优化，得到编辑特征向量；根据该控制顶点位置和该编辑特征向量，得到该目标模型的形变模型。此专利披露了数字媒体技术领域和计算机图形学领域中用于网格模型库，通过局部控制点的形变生成符合模型库中变形特征的编辑后网格模型的方法。此技术面向的是形态网格点位置数据而非形变量数据，无法解决电磁导航系统中磁场形变量问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电磁导航系统中磁场形变校准工具及方法。

根据本发明提供的电磁导航系统中磁场形变校准工具，包括：坐标采集板和磁场发生器，所述坐标采集板上有等距坐标采集孔和磁场发生装置卡槽，所述磁场发生器上带有螺纹松紧卡口。

优选的，通过调节螺纹松紧卡口，使磁场发生器在磁场发生装置卡槽上等距移动。

优选的，所述坐标采集板，使用的材料是非金属板，包括有机玻璃、PC板和ABS塑料。

根据本发明提供的电磁导航系统中磁场形变校准方法，包括：

步骤1：将磁场发生器放置在磁场中，在坐标采集板上等距网格位置采集磁场坐标；

步骤2：根据网格线定义的物理坐标与采集对应的磁场坐标求得磁场坐标的形变量；

步骤3：将不同磁场工作环境下求得的形变量组合形成磁场形变统计模型；

步骤4：在使用运行阶段，采集坐标采集板上的局部磁场坐标获取局部形变量，通过稀疏表示算法和磁场形变统计模型计算得到当前的磁场坐标全局的形变量数值，将磁场坐标数据与对应的形变量数值相加作为形变修正补偿，得到磁场坐标返回值进行磁场形变校准。

优选的，所述磁场形变统计模型中，磁场坐标值由插入锁定在坐标采集孔中依次等距移动采集，通过等距移动工装卡口得到等间隔三维物理坐标集合P，对应每个采集孔的磁场坐标集合M，磁场形变量为D＝P-M。

优选的，在电磁导航系统的工作环境下，改变磁场发生器的位置和周围存在的磁场烦扰物质，重复使用坐标采集板获得多组磁场形变量形成磁场形变统计模型S＝{D1，D2，...，Dn}，n表示采集的磁场形变量的组数。

优选的，所述磁场形变统计模型，采集到的磁场形变量是三维形变量，磁场形变统计模型中将所有采集到三维空间形变量拼接转为一维，多组空间形变量进行组合形成多维。

优选的，在使用运行阶段获取局部形变量的局部磁场为靠近电磁导航定位目标所处的感兴趣区域。

优选的，稀疏表示算法的公式为：

其中，d为运行使用阶段的局部形变量，s为形变统计模型中的对应形变量，w为稀疏表示系数，e为误差项，α和β分别为控制w和e的稀疏性正则化参数，使用同伦算法进行最优化求解得到稀疏表示系数w的最优值。

优选的，稀疏表示系数w为所有磁场形变统计模型S＝{D1，D2，...，Dn}中对应的线性组合系数，根据稀疏表示系数w与磁场形变统计模型相乘求得运行使用阶段的全局形变量T，计算公式为：T＝S*w。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明具有快速、准确和通用的优势，通过磁场形变数据的统计模型的稀疏求解，快速解决电磁导航易受到环境因素干扰的问题，使导航系统更加准确。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的一个实施例的磁场形变校准计算方法流程图；

图2为磁场采集板结构示意图；

图3为磁场发生器结构示意图；

图4为磁场形变校准工具结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

如图2-4，坐标采集板1具有等距坐标采集孔101，工装具有磁场发生装置卡槽102，通过调节磁场发生器的螺纹松紧卡口201，能使磁场发生器2在卡口102上等距移动。

本实施例使用NDIAurora磁场发生器，标准磁场有效范围为磁场发生器500*500*500mm的范围，电脑为Windows10，采用C++语言编程实现，坐标采集板使用有机玻璃材料按照符合NDIAurora磁场发生器规格的尺寸制作，坐标采集孔的间距为10mm，采集孔的数量为30*30。测试数据再不同的CT床边获得。

如图1，根据本发明提供的电磁导航系统中磁场形变校准方法，包括如下步骤：

测试阶段，将磁场发生器放置在磁场所使用的工作环境下，将坐标采集板放置在与磁场发生器卡槽150mm的位置，物理空间坐标原点为磁场发生器平面中心点为原点，采集板的水平方向为x轴，竖直方向为y轴，原理磁场发生器移动卡槽的方向为z轴。按照先横向后纵向的方式依次采集坐标，再将卡槽每次等距移动10mm采集一轮数据，得到总共为30*30*30维度的磁场坐标集合M和记录对应的物理空间坐标集合为P。将集合M和P中的(x,y,z)分量转为一维并依次拼接，形成81000*1维度的数据；

计算得到磁场形变量为D＝P-M；

改变磁场发生器的位置与朝向，在不同的CT床周围存，重复使用坐标采集板获得多组磁场形变量形成磁场形变统计模型S＝{D1,D2,...,Dn}；

使用运行阶段，距离在磁场发生器150mm至350mm的位置，200*200*200mm范围内的感兴趣区域随机抽样采集100个磁场坐标数据集合m和记录对应的物理坐标集合p，计算形变量数据d＝p-m；

将对应物理坐标集合p的坐标值在磁场形变统计模型S中得到对应的局部磁场形变量集合s＝{d1,d2,...,dn}；

使用稀疏表达方法，运用以下公式计算：

其中，d为运行使用阶段的局部形变量，s为形变统计模型中的对应形变量，w为稀疏表示系数，e为误差项，α和β分别为控制w和e的稀疏性正则化参数，优选地，使用α＝5和β＝0.2，使用同伦(Hotomopy)算法进行最优化求解得到稀疏组合系数w的最优值；

稀疏系数w为所有磁场形变统计模型S＝{D1,D2,...,Dn}中对应的线性组合系数，根据求得w可求得运行使用阶段的全局形变量T，计算公式为：

T＝S*w。

在获取到全局的磁场形变量后，使用运行阶段通，在定位采集到磁场坐标数据后，将坐标数据与对应的形变类相加作为形变修正补偿，可以获取准确的磁场坐标返回值。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种电磁导航系统中磁场形变校准工具，其特征在于，包括：坐标采集板和磁场发生器，所述坐标采集板上有等距坐标采集孔和磁场发生装置卡槽，所述磁场发生器上带有螺纹松紧卡口。

2.根据权利要求1所述的电磁导航系统中磁场形变校准工具，其特征在于，通过调节螺纹松紧卡口，使磁场发生器在磁场发生装置卡槽上等距移动。

3.根据权利要求1所述的电磁导航系统中磁场形变校准工具，其特征在于，所述坐标采集板，使用的材料是非金属板，包括有机玻璃、PC板和ABS塑料。

4.一种电磁导航系统中磁场形变校准方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一种或任多种所述的电磁导航系统中磁场形变校准工具，包括：

步骤1：将磁场发生器放置在磁场中，在坐标采集板上等距网格位置采集磁场坐标；

步骤2：根据网格线定义的物理坐标与采集对应的磁场坐标求得磁场坐标的形变量；

步骤3：将不同磁场工作环境下求得的形变量组合形成磁场形变统计模型；

步骤4：在使用运行阶段，采集坐标采集板上的局部磁场坐标获取局部形变量，通过稀疏表示算法和磁场形变统计模型计算得到当前的磁场坐标全局的形变量数值，将磁场坐标数据与对应的形变量数值相加作为形变修正补偿，得到磁场坐标返回值进行磁场形变校准。

5.根据权利要求4所述的电磁导航系统中磁场形变校准方法，其特征在于，所述磁场形变统计模型中，磁场坐标值由插入锁定在坐标采集孔中依次等距移动采集，通过等距移动工装卡口得到等间隔三维物理坐标集合P，对应每个采集孔的磁场坐标集合M，磁场形变量为D＝P-M。

6.根据权利要求5所述的电磁导航系统中磁场形变校准方法，其特征在于，在电磁导航系统的工作环境下，改变磁场发生器的位置和周围存在的磁场烦扰物质，重复使用坐标采集板获得多组磁场形变量形成磁场形变统计模型S＝{D1，D2，...，Dn}，n表示采集的磁场形变量的组数。

7.根据权利要求5所述的电磁导航系统中磁场形变校准方法，其特征在于，所述磁场形变统计模型，采集到的磁场形变量是三维形变量，磁场形变统计模型中将所有采集到三维空间形变量拼接转为一维，多组空间形变量进行组合形成多维。

8.根据权利要求4所述的电磁导航系统中磁场形变校准方法，其特征在于，在使用运行阶段获取局部形变量的局部磁场为靠近电磁导航定位目标所处的感兴趣区域。

9.根据权利要求6所述的电磁导航系统中磁场形变校准方法，其特征在于，稀疏表示算法的公式为：

其中，d为运行使用阶段的局部形变量，s为形变统计模型中的对应形变量，w为稀疏表示系数，e为误差项，α和β分别为控制w和e的稀疏性正则化参数，使用同伦算法进行最优化求解得到稀疏表示系数w的最优值。

10.根据权利要求9所述的电磁导航系统中磁场形变校准方法，其特征在于，稀疏表示系数w为所有磁场形变统计模型S＝{D1，D2，...，Dn}中对应的线性组合系数，根据稀疏表示系数w与磁场形变统计模型相乘求得运行使用阶段的全局形变量T，计算公式为：T＝S*w。

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