CN112378421A - 用于测试电磁导航系统定位精度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于测试电磁导航系统定位精度的装置及方法，其中装置包括精度测试装置、定位装置、上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元，所述上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元构成了电磁导航系统；所述定位装置安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；其中所述精度测试装置和定位装置均与所述接口单元相连接，所述接口单元与所述控制单元相连接，所述磁场发生器也与所述控制单元相连接，所述控制单元与所述上位机相连接。上述用于测试电磁导航系统定位精度的装置结构简单，操作方便，易于实现，通过上述装置及方法能全面有效的检测电磁导航系统的定位精度。

Description

用于测试电磁导航系统定位精度的装置及方法

技术领域

本发明涉及电磁导航技术领域，尤其涉及一种用于测试电磁导航系统定位精度的装置及方法。

背景技术

电磁导航系统能够辅助医生完成手术，电磁导航系统的定位精度是确保手术安全、顺利完成的重要指标。其在实际应用上就是要确定一条手术路径，这条路径可以用一条空间直线来描述。这就对电磁导航系统的定位精度要求不仅仅是一个点的精度要求，而要同时兼顾入点和出点的精度要求。已有的测量系统只能测出电磁导航系统在空间内点的精度，不能测出从入点到出点的一条直线的精度，这样便不能全面有效的检测电磁导航系统的定位精度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种用于测试电磁导航系统定位精度的装置及方法，以便能全面有效的检测电磁导航系统的定位精度。

为了实现上述目的，本申请的一方面提出了一种用于测试电磁导航系统定位精度的装置，包括精度测试装置、定位装置、上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元，所述上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元构成了电磁导航系统；所述定位装置安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；其中所述精度测试装置和定位装置均与所述接口单元相连接，所述接口单元与所述控制单元相连接，所述磁场发生器也与所述控制单元相连接，所述控制单元与所述上位机相连接；所述精度测试装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪精度测试装置的位置信息，其还用于为定位装置提供定位用结构；所述定位装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪定位装置的位置信息，定位装置跟随着电磁导航机器人执行电磁导航系统下发的定位指令。

在一些实施例中，所述精度测试装置包括主体，在所述主体上设有至少三个配准标记凹槽，所述配准标记凹槽用于放置尺寸与该配准标记凹槽相匹配的不锈钢球；在所述主体上还设有至少三个高度不同的支柱，每个支柱上连接有定位球，各个定位球的直径相同，所述定位球即为所述定位用结构；在所述主体上还安装第一位置读取装置，所述第一位置读取装置与所述接口单元相连接，所述第一位置读取装置用于与电磁导航系统配合使用，读取所述精度测试装置的位置信息。

在一些实施例中，所述定位球的直径为3mm～4mm。

在一些实施例中，所述第一位置读取装置安装在所述主体上开设的安装槽内，在所述安装槽内设有与所述第一位置读取装置配合使用的安装柱，在所述安装槽的周围设有防止第一位置读取装置移动的若干限位凸台，在其中一个限位凸台上设有螺纹孔，通过压紧旋钮与所述螺纹孔的配合将所述第一位置读取装置固定在所述主体上。

在一些实施例中，所述定位装置包括装置本体，在所述装置本体上安装有定位针，所述装置本体上还安装有第二位置读取装置，所述第二位置读取装置与所述接口单元相连接，用于与电磁导航系统配合使用，读取所述定位装置的位置信息，所述装置本体上还设有机械臂连接装置，通过所述机械臂连接装置将所述定位装置连接到电磁导航机器人的机械臂上。

在一些实施例中，所述第一位置读取装置和第二位置读取装置的结构相同，包括底座和底座盖，所述底座和底座盖连接在一起，在所述底座中设有两个不在同一水平面的线圈槽，所述两个线圈槽之间的夹角为10～80°，每个线圈槽内均安装有电磁线圈，在底座中还设有缠绕柱，从电磁线圈引出的线圈电线在缠绕柱上进行缠绕，从设置在所述底座上的出线孔引出，所述线圈电线与插头相连接，所述插头用于连接到接口单元。

在一些实施例中，在所述底座上设有用于连接医疗器械的底座连接孔，在所述底座盖的相应位置处设有与所述底座连接孔配合使用的底座盖连接孔，当所述底座和底座盖连接在一起时，各个底座连接孔和各个底座盖连接孔一一对应，用于连接医疗器械。

本申请的另一方面提出了一种用于测试电磁导航系统定位精度的方法，包括以下步骤：

步骤1、将精度测试装置和定位装置放置在磁场发生器的磁场范围内；

步骤2、在精度测试装置中的配准标记凹槽处安装不锈钢球，将扫描的安装有不锈钢球的精度测试装置的CT数据导入上位机；

步骤3、将所述CT数据进行三维图像重建，任意选取两个支柱上的定位球，将其中一个定位球的中心作为手术的入点，将该定位球记做a球，将另一个定位球的中心作为手术的出点，将该定位球记做b球，在三维图像上进行路径规划，使定位针能够沿着规划好的路径先移动到a球位置，之后再移动到b球位置；

步骤4、进行配准及注册：包括精度测试装置的配准和定位装置的注册，其中精度测试装置的配准：选择安装有不锈钢球的配准标记凹槽作为特征点，通过图像选点的方式对精度测试装置进行配准注册，配准完成后，精度测试装置的位置信息通过第一位置读取装置传送给上位机；定位装置的注册：通过标定算法，将第二位置读取装置和处于定位装置末端的定位针的相对位姿传送给上位机；

步骤5、通过上位机的控制，电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径进行移动，预期使定位针能够接触a球；当所述定位针能够接触a球时，则认定电磁导航系统的入点定位精度小于等于D/2，其中D为定位球的直径；当所述定位针没有接触a球时，则认定电磁导航系统的入点定位精度大于D/2，这就说明电磁导航系统的定位精度不合格；

步骤6、当所述定位针能够接触a球时，拆下a球，控制电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径继续进行移动，预期使定位针穿过a球的位置且能够接触b球；当所述定位针能够接触b球时，则认定电磁导航系统的出点定位精度小于等于D/2，此时认定电磁导航系统的定位精度小于等于D/2；当所述定位针没有接触b球时，则认定电磁导航系统的出点定位精度大于D/2，这就说明电磁导航系统的定位精度不合格；

步骤7、上位机控制机械臂回归原位，准备下次测试；

步骤8、重复步骤3、步骤5-7进行N次测试，其中N大于等于1，并且在每次测试时，将步骤3中的两个支柱进行更换，使得本次测试中的两个支柱的高度与上一次测试中两个支柱的高度不同，根据所选的支柱，在三维图像上重新进行路径的规划；当所有测试完成后，若有一次认定电磁导航系统定位精度不合格，则说明电磁导航系统定位精度就是不合格；当每次测试中，定位针均能沿规划的路径接触两个定位球，才说明电磁导航系统的定位精度合格。

本申请的该方案的有益效果在于上述用于测试电磁导航系统定位精度的装置结构简单，操作方便，易于实现，通过上述装置及方法能全面有效的检测电磁导航系统的定位精度。

附图说明

图1示出了实施例中用于测试电磁导航系统定位精度的装置的结构示意图。

图2示出了实施例中精度测试装置的结构示意图。

图3示出了实施例中精度测试装置的局部结构示意图。

图4示出了实施例中精度测试装置的局部结构示意图。

图5示出了实施例中位置读取装置的结构示意图。

图6示出了实施例中底座的结构示意图，其中(a)是一个角度的结构示意图，(b)是另一个角度的结构示意图。

图7示出了实施例中底座盖的结构示意图，其中(a)是一个角度的结构示意图，(b)是另一个角度的结构示意图。

附图标记：100-精度测试装置，200-定位装置，300-上位机，101-定位球，102-支柱，103-配准标记凹槽，104-限位凸台，105-安装槽，106-主体，107-压紧旋钮，108-第一位置读取装置，201-定位针，202-机械臂连接装置，301-磁场发生器，302-控制单元，303-接口单元，1-底座，2-底座盖，3-线圈电线，4-插头，11-识别槽，12-第一连接孔，13-第二连接孔，14-缠绕柱，15-连接凹槽，16-出线孔，17-线圈槽，18-电磁线圈，21-第三连接孔，22-第四连接孔，23-连接凸起。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。

如图1-4所示，本申请所涉及的用于测试电磁导航系统定位精度的装置包括精度测试装置100、定位装置200、上位机300、磁场发生器301、控制单元302以及接口单元303，所述上位机300、磁场发生器301、控制单元302以及接口单元303构成了电磁导航系统；所述定位装置200安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；其中所述精度测试装置100和定位装置200均与所述接口单元303相连接，所述接口单元303与所述控制单元302相连接，所述磁场发生器301也与所述控制单元302相连接，所述控制单元302与所述上位机300相连接。

具体的，所述精度测试装置100用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪精度测试装置100的位置信息，其还用于为定位装置200提供定位用结构。

所述定位装置200用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪定位装置200的位置信息，其安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端，定位装置200跟随着电磁导航机器人执行电磁导航系统下发的定位指令。

在本实施例中，所述精度测试装置100包括主体106，在所述主体106上设有至少三个配准标记凹槽103，所述配准标记凹槽103用于放置尺寸与该配准标记凹槽103相匹配的不锈钢球，所述不锈钢球用于配准，使得在医学图像中成像更加清晰，不锈钢球的直径为1.5至2.5毫米；在所述主体106上还设有至少三个高度不同的支柱102，每个支柱102上连接有定位球101，各个定位球101的直径相同，所述定位球101即为所述定位用结构，所述定位球101的直径D为3mm～4mm。

在所述主体106上还安装第一位置读取装置108，所述第一位置读取装置108与所述接口单元303相连接，所述第一位置读取装置108用于与电磁导航系统配合使用，读取所述精度测试装置100的位置信息，在本实施例中，所述第一位置读取装置108安装在所述主体106上开设的安装槽105内，在所述安装槽105内设有与所述第一位置读取装置108配合使用的安装柱，在所述安装槽105的周围设有防止第一位置读取装置108移动的若干限位凸台104，在其中一个限位凸台104上设有螺纹孔，通过压紧旋钮107与所述螺纹孔的配合将所述第一位置读取装置108充分的固定在所述主体106上。

所述定位装置200包括装置本体，在所述装置本体上安装有定位针201，所述装置本体上还安装有第二位置读取装置，所述第二位置读取装置与所述接口单元303相连接，用于与电磁导航系统配合使用，读取所述定位装置200的位置信息，所述装置本体上还设有机械臂连接装置202，通过所述机械臂连接装置202将所述定位装置200连接到电磁导航机器人的机械臂上。

本申请所涉及的第一位置读取装置108和第二位置读取装置的结构相同，如图5-7所示，包括底座1和底座盖2，所述底座1和底座盖2连接在一起，在本实施例中，所述底座1上设有连接凹槽15，在所述底座盖2上设有与所述连接凹槽15配合使用的连接凸起23，将所述连接凸起23和连接凹槽15通过医用胶连接，进而将所述底座1和底座盖2连接在一起。

在所述底座1中设有两个不在同一水平面的线圈槽17，所述两个线圈槽17之间的夹角为10～80°，每个线圈槽17内均安装有电磁线圈18，所述电磁线圈18可用医用胶进行固定，在底座1中还设有缠绕柱14，从电磁线圈18引出的线圈电线3在缠绕柱14上进行缠绕，从设置在所述底座1上的出线孔16引出，所述线圈电线3与插头4相连接，所述插头4用于连接到接口单元303。

在所述底座1上设有用于连接医疗器械的底座连接孔，在本实施例中，在所述底座1上设有两个用于连接医疗器械的底座连接孔，分别记作第一连接孔12和第二连接孔13，在所述底座盖2的相应位置处设有与所述底座连接孔配合使用的底座盖连接孔，在本实施例中，在所述底座盖2上设有第三连接孔21和第四连接孔22，当所述底座1和底座盖2连接在一起时，各个底座连接孔和各个底座盖连接孔一一对应，用于连接医疗器械。

在所述底座1的外表面上还设有识别槽11，所述识别槽11用于配合手术器械尖端使用，在本实施例中，所述识别槽11所处的位置区域对应着两个线圈槽17之间的区域。在使用时，将手术器械的尖端抵在所述识别槽11处，则手术器械的尖端位置信息会传送到电磁导航系统中。

本申请所涉及的用于测试电磁导航系统定位精度的方法包括以下步骤：

步骤1、将精度测试装置100和定位装置200放置在磁场发生器301的磁场范围内。

步骤2、在精度测试装置100中的配准标记凹槽103处安装不锈钢球，将扫描的安装有不锈钢球的精度测试装置100的CT数据导入上位机300。

步骤3、将所述CT数据进行三维图像重建，任意选取两个支柱102上的定位球101，将其中一个定位球101的中心作为手术的入点，将该定位球记做a球，将另一个定位球101的中心作为手术的出点，将该定位球记做b球，在三维图像上进行路径规划，使定位针201能够沿着规划好的路径先移动到a球位置，之后再移动到b球位置。

步骤4、进行配准及注册：包括精度测试装置100的配准和定位装置200的注册，其中精度测试装置100的配准：选择安装有不锈钢球的配准标记凹槽103作为特征点，通过图像选点的方式对精度测试装置100进行配准注册，配准完成后，精度测试装置100的位置信息通过第一位置读取装置108传送给上位机300；定位装置200的注册：通过标定算法，将第二位置读取装置和处于定位装置200末端的定位针201的相对位姿传送给上位机300。

步骤5、通过上位机300的控制，电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径进行移动，预期使定位针201能够接触a球；当所述定位针201能够接触a球时，则认定电磁导航系统的入点定位精度小于等于D/2，其中D为定位球的直径；当所述定位针201没有接触a球时，则认定电磁导航系统的入点定位精度大于D/2，这就说明电磁导航系统的定位精度不合格。

步骤6、当所述定位针201能够接触a球时，拆下a球，控制电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径继续进行移动，预期使定位针201穿过a球的位置且能够接触b球；当所述定位针201能够接触b球时，则认定电磁导航系统的出点定位精度小于等于D/2，此时认定电磁导航系统的定位精度小于等于D/2；当所述定位针201没有接触b球时，则认定电磁导航系统的出点定位精度大于D/2，这就说明电磁导航系统的定位精度不合格。

步骤7、上位机300控制机械臂回归原位，准备下次测试。

步骤8、重复步骤3、步骤5-7进行N次测试，其中N大于等于1，并且在每次测试时，将步骤3中的两个支柱102进行更换，使得本次测试中的两个支柱102的高度与上一次测试中两个支柱102的高度不同，根据所选的支柱，在三维图像上重新进行路径的规划；当所有测试完成后，若有一次认定电磁导航系统定位精度不合格，则说明电磁导航系统定位精度就是不合格；当每次测试中，定位针201均能沿规划的路径接触两个定位球，才说明电磁导航系统的定位精度合格。

本申请所涉及的用于测试电磁导航系统定位精度的装置结构简单，操作方便，易于实现，通过上述装置及方法能全面有效的检测电磁导航系统的定位精度。

Claims (8)

1.一种用于测试电磁导航系统定位精度的装置，其特征在于：包括精度测试装置、定位装置、上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元，所述上位机、磁场发生器、控制单元以及接口单元构成了电磁导航系统；所述定位装置安装于电磁导航系统控制的电磁导航机器人的机械臂末端；其中所述精度测试装置和定位装置均与所述接口单元相连接，所述接口单元与所述控制单元相连接，所述磁场发生器也与所述控制单元相连接，所述控制单元与所述上位机相连接；所述精度测试装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪精度测试装置的位置信息，其还用于为定位装置提供定位用结构；所述定位装置用于与电磁导航系统配合使用，使电磁导航系统能够实时跟踪定位装置的位置信息，定位装置跟随着电磁导航机器人执行电磁导航系统下发的定位指令。

2.根据权利要求1所述的用于测试电磁导航系统定位精度的装置，其特征在于：所述精度测试装置包括主体，在所述主体上设有至少三个配准标记凹槽，所述配准标记凹槽用于放置尺寸与该配准标记凹槽相匹配的不锈钢球；在所述主体上还设有至少三个高度不同的支柱，每个支柱上连接有定位球，各个定位球的直径相同，所述定位球即为所述定位用结构；在所述主体上还安装第一位置读取装置，所述第一位置读取装置与所述接口单元相连接，所述第一位置读取装置用于与电磁导航系统配合使用，读取所述精度测试装置的位置信息。

3.根据权利要求2所述的用于测试电磁导航系统定位精度的装置，其特征在于：所述定位球的直径为3mm～4mm。

4.根据权利要求2所述的用于测试电磁导航系统定位精度的装置，其特征在于：所述第一位置读取装置安装在所述主体上开设的安装槽内，在所述安装槽内设有与所述第一位置读取装置配合使用的安装柱，在所述安装槽的周围设有防止第一位置读取装置移动的若干限位凸台，在其中一个限位凸台上设有螺纹孔，通过压紧旋钮与所述螺纹孔的配合将所述第一位置读取装置固定在所述主体上。

5.根据权利要求2所述的用于测试电磁导航系统定位精度的装置，其特征在于：所述定位装置包括装置本体，在所述装置本体上安装有定位针，所述装置本体上还安装有第二位置读取装置，所述第二位置读取装置与所述接口单元相连接，用于与电磁导航系统配合使用，读取所述定位装置的位置信息，所述装置本体上还设有机械臂连接装置，通过所述机械臂连接装置将所述定位装置连接到电磁导航机器人的机械臂上。

6.根据权利要求5所述的用于测试电磁导航系统定位精度的装置，其特征在于：所述第一位置读取装置和第二位置读取装置的结构相同，包括底座和底座盖，所述底座和底座盖连接在一起，在所述底座中设有两个不在同一水平面的线圈槽，所述两个线圈槽之间的夹角为10～80°，每个线圈槽内均安装有电磁线圈，在底座中还设有缠绕柱，从电磁线圈引出的线圈电线在缠绕柱上进行缠绕，从设置在所述底座上的出线孔引出，所述线圈电线与插头相连接，所述插头用于连接到接口单元。

7.根据权利要求6所述的用于测试电磁导航系统定位精度的装置，其特征在于：在所述底座上设有用于连接医疗器械的底座连接孔，在所述底座盖的相应位置处设有与所述底座连接孔配合使用的底座盖连接孔，当所述底座和底座盖连接在一起时，各个底座连接孔和各个底座盖连接孔一一对应，用于连接医疗器械。

8.一种基于权利要求5所述的用于测试电磁导航系统定位精度的装置的用于测试电磁导航系统定位精度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将精度测试装置和定位装置放置在磁场发生器的磁场范围内；

步骤2、在精度测试装置中的配准标记凹槽处安装不锈钢球，将扫描的安装有不锈钢球的精度测试装置的CT数据导入上位机；

步骤3、将所述CT数据进行三维图像重建，任意选取两个支柱上的定位球，将其中一个定位球的中心作为手术的入点，将该定位球记做a球，将另一个定位球的中心作为手术的出点，将该定位球记做b球，在三维图像上进行路径规划，使定位针能够沿着规划好的路径先移动到a球位置，之后再移动到b球位置；

步骤4、进行配准及注册：包括精度测试装置的配准和定位装置的注册，其中精度测试装置的配准：选择安装有不锈钢球的配准标记凹槽作为特征点，通过图像选点的方式对精度测试装置进行配准注册，配准完成后，精度测试装置的位置信息通过第一位置读取装置传送给上位机；定位装置的注册：通过标定算法，将第二位置读取装置和处于定位装置末端的定位针的相对位姿传送给上位机；

步骤5、通过上位机的控制，电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径进行移动，预期使定位针能够接触a球；当所述定位针能够接触a球时，则认定电磁导航系统的入点定位精度小于等于D/2，其中D为定位球的直径；当所述定位针没有接触a球时，则认定电磁导航系统的入点定位精度大于D/2，这就说明电磁导航系统的定位精度不合格；

步骤6、当所述定位针能够接触a球时，拆下a球，控制电磁导航机器人的机械臂按照预先规划的路径继续进行移动，预期使定位针穿过a球的位置且能够接触b球；当所述定位针能够接触b球时，则认定电磁导航系统的出点定位精度小于等于D/2，此时认定电磁导航系统的定位精度小于等于D/2；当所述定位针没有接触b球时，则认定电磁导航系统的出点定位精度大于D/2，这就说明电磁导航系统的定位精度不合格；

步骤7、上位机控制机械臂回归原位，准备下次测试；

步骤8、重复步骤3、步骤5-7进行N次测试，其中N大于等于1，并且在每次测试时，将步骤3中的两个支柱进行更换，使得本次测试中的两个支柱的高度与上一次测试中两个支柱的高度不同，根据所选的支柱，在三维图像上重新进行路径的规划；当所有测试完成后，若有一次认定电磁导航系统定位精度不合格，则说明电磁导航系统定位精度就是不合格；当每次测试中，定位针均能沿规划的路径接触两个定位球，才说明电磁导航系统的定位精度合格。

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