CN114159163B - 面向软镜的磁导航系统 - Google Patents

面向软镜的磁导航系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114159163B
CN114159163B CN202111514157.2A CN202111514157A CN114159163B CN 114159163 B CN114159163 B CN 114159163B CN 202111514157 A CN202111514157 A CN 202111514157A CN 114159163 B CN114159163 B CN 114159163B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic
positioning
soft lens
permanent magnet
rings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111514157.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114159163A (zh
Inventor
秦岩丁
韩建达
王鸿鹏
吕博文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nankai University
Original Assignee
Nankai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nankai University filed Critical Nankai University
Priority to CN202111514157.2A priority Critical patent/CN114159163B/zh
Publication of CN114159163A publication Critical patent/CN114159163A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114159163B publication Critical patent/CN114159163B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00002—Operational features of endoscopes
    • A61B1/00004—Operational features of endoscopes characterised by electronic signal processing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00002—Operational features of endoscopes
    • A61B1/00004—Operational features of endoscopes characterised by electronic signal processing
    • A61B1/00006—Operational features of endoscopes characterised by electronic signal processing of control signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00147—Holding or positioning arrangements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00147—Holding or positioning arrangements
    • A61B1/00158—Holding or positioning arrangements using magnetic field
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/005—Flexible endoscopes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/307—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor for the urinary organs, e.g. urethroscopes, cystoscopes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2068—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis using pointers, e.g. pointers having reference marks for determining coordinates of body points

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明公开一种面向软镜的磁导航系统。该系统包括：可自由弯曲的软镜、嵌套在软镜末端的多个永磁环、体外磁定位传感器阵列、定位导航系统服务器、以及显示器；体外磁定位传感器阵列用于检测所述软镜末端的磁场信息；定位导航系统服务器与软镜、体外磁定位传感器阵列、以及显示器相连接；多个永磁环的尺寸满足：多个永磁环的内径略大于软镜的末端直径、且外径小于要应用到的人体腔道的直径。该系统还包括：定位模块和注册模块；其中，定位模块用于定位前的固件注册；注册模块用于实际定位。本发明的优点包括：1.嵌入软镜末端的为永磁环而非磁定位传感器，无需为其额外供电，节约了软镜空间；2.采用圆环形状的永磁环可直接嵌套在软镜末端，无需大范围改变软镜原有的设计，大大降低了集成成本；3.能简便地在软镜末端的不同位置加装永磁环，装配简单，可实现对软镜的不同区域进行位姿估算和形状重建。

Description

面向软镜的磁导航系统
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体地，涉及一种面向软镜的磁导航系统。
背景技术
目前，经自然腔道的软镜手术可实现无创地对患者进行诊疗，患者恢复快。在经自然腔道的手术中，需要依靠末端柔软的软镜来完成操作。软镜深入人体内部，操纵困难，医生学习曲线长。对灵活易弯曲的软镜末端进行安全，快速，准确的定位和重建是个重要问题。目前常用的定位跟踪方式是X光定位，超声定位和依据内镜图像定位，其中X光定位精度高但患者和医护人员会受到电离辐射，不利于健康；超声定位无辐射，但定位精度差、分辨率低；依据内镜图像定位也是无辐射的一种方案，但该方案三维立体定位难，严重依赖医生的经验和手法。
磁定位技术具有对人体安全无辐射，定位速度快，定位精度高等显著优势，且不受人体遮挡，可对体内医疗器械进行定位跟踪。其采用的技术路线是对套在软镜末端的几组永磁环进行定位跟踪，并根据定位结果重建出软镜末端位置、方向和形状信息。
基于磁场的定位跟踪技术利用一个或者多个磁源在空间中产生磁场，利用传感器等感应设备测量空间中特定位置的磁场强度来计算传感器与磁源之间的相对位置和方向关系。
磁源有静磁场和交变的电磁场两种模式。基于静磁场的定位技术利用永磁体作为磁源和跟踪的目标，在空间中利用磁传感器检测磁场强度，进而反算出永磁目标的位置和方向信息。其优势在于不需要为磁源提供额外的能量且实现简单，可以应用于跟踪小范围内无线目标，如用于检查人体肠胃道的无线胶囊内窥镜；缺点是易受周围环境中磁场的影响，定位范围小。基于电磁场的定位技术是利用交变的信号激励电磁线圈在空间中产生变化的磁场，利用磁传感器或者电磁线圈作为跟踪目标，感应变化的磁场，计算出目标相对于激励线圈的位置和方向参数。电磁定位技术通常使用单个或多个线圈作为信号源在空间中产生变化的磁场，使用两轴或者三轴正交线圈感应变化的磁场，输出相应的电压信号，进而计算出感应线圈的位置和方向参数。激励信号为周期变化的信号，多使用正弦信号，也可以使用脉冲信号完成定位。基于磁场的定位跟踪技术在人机交互、虚拟现实、微创无创手术等领域有着广泛的应用。
总结当前的技术手段，现有的一些电磁定位技术存在以下问题：
1)需要对软镜末端的磁传感器进行供电，需要多股电源线通过软镜内部，占用其非常有限的空间，如不通过软镜内部布局电源线，就需要将电源线和软镜并成一股，占用有限的腔道空间，造成腔内拥挤控制困难，难以满足实际应用的需求。
2)使用电磁定位系统定位软镜末端，就需要在软镜末端重新设计改造，即将磁传感器或电磁发射端嵌入到软镜末端，不利于产品快速推广和普及。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何实现软镜在体内的定位跟踪。考虑到上述因素，本发明提供一种面向软镜的磁导航系统。所述系统可在体内软镜发生形变的同时，实时给出软镜末端的位置和形状信息。
一种面向软镜(4)的磁导航系统，所述面向软镜(4)的磁导航系统包括：可自由弯曲的软镜(4)、嵌套在所述软镜(4)末端的多个永磁环(1,2,3)、体外磁定位传感器阵列(5)、定位导航系统服务器(6)、以及显示器(7)；
所述体外磁定位传感器阵列(5)用于检测所述软镜(4)末端的磁场信息；
所述定位导航系统服务器(6)与软镜(4)、体外磁定位传感器阵列(5)、以及显示器(7)相连接；
其中，所述多个永磁环(1,2,3)的尺寸满足条件：所述多个永磁环(1,2,3)的内径略大于软镜(4)的末端直径，并且所述多个永磁环(1,2,3)的外径小于要应用到的人体腔道的直径；
所述定位导航系统服务器(6)包括位姿解算模块、以及图像融合模块，其中：
所述位姿解算模块用于根据所述体外磁定位传感器阵列(5)检测软镜(4)末端的所述多个永磁环(1,2,3)产生的磁场信号，解算所述软镜(4)在人体腔道里的位姿；
所述图像融合模块用于融合由所述位姿解算模块得到的所述软镜(4)在人体腔道里的位姿和术前CT模型，将镜管部分的虚拟镜管图像和器官的三维模型融合，在显示器(7)上形成三维图像；
所述定位导航系统服务器(6)还包括软镜(4)末端形状重建模块，其中：
所述软镜(4)末端形状重建模块用于根据所述位姿解算模块得到的多个永磁环(1,2,3)的位姿，构建基于软镜(4)材质的曲率约束和基于所述多个永磁环(1,2,3)安装间距的距离约束的贝塞尔曲线，来拟合体内软镜(4)的形状信息。
可选地，该系统还包括以下模块：
注册模块：用于定位前的固件注册，具体包括：通过COMSOL仿真软件搭建定位系统，仿真出磁感应强度分布模型；其中，所述定位系统包括体外磁定位传感器阵列(5)和多个永磁环(1,2,3)；将所述多个永磁环(1,2,3)的位姿与其在所述位姿下的磁感应强度组成数据对，建立由大量数据对组成的数据集；基于所述数据集对神经网络进行训练、验证和测试，得到具有较高精度的磁定位网络；
定位模块，用于实际定位，具体包括：当所述体外磁定位传感器阵列(5)被固定以进行测量时，建立以所述体外磁定位传感器阵列(5)的中心为原点的定位坐标系；将所述体外磁定位传感器阵列(5)中不同位姿的磁定位传感器测得的磁场数据作为所述磁定位网络的输入，通过所述磁定位网络预估出所述多个永磁环(1,2,3)的位姿；建立基于磁偶极子的多个永磁环(1,2,3)的磁通量密度模型，构建目标误差方程；将预估出的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿作为最优化算法的初始解，通过最优化算法进一步迭代求解，使得目标误差方程趋近于最小值，从而得到最终的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿。
有益效果：
本发明的技术方案具有以下优点：
1.嵌入软镜末端的为永磁环而非磁定位传感器，无需为其额外供电，节约了软镜空间；
2.采用圆环形状的永磁环可直接嵌套在软镜末端，无需大范围改变软镜原有的设计，大大降低了集成成本；
3.能简便地在软镜末端的不同位置加装永磁环，装配简单，可实现对软镜的不同区域进行位姿估算和形状重建。
附图说明
图1为现有技术中具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统的结构图；
图2为本发明的面向软镜的磁导航系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对现有技术、以及本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
目前已知的，与本发明相近似的技术方案如以下专利所示：CN113367795A《一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统》。
图1为现有技术中一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统的结构图。如图1所示，该现有技术专利的技术方案为：一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统。输尿管软镜其特征在于，所述先端部(1)设置有第一磁定位传感器，所述第一磁定位传感器在磁场发生器所产生的交变磁场的作用下检测第一磁定位信号，并所述第一磁定位信号传输给导航系统服务器，使得所述导航系统服务器根据所述第一磁定位信号，定位所述第一磁场定位传感器在所述患者体内的位置；所述弯曲部(2)和所述插入部(3)的相接处设置有第二磁定位传感器，所述第二磁定位传感器用于在所述交变磁场的作用下检测第二磁定位信号，并所述第二磁定位信号传输给所述导航系统服务器；所述导航系统服务器用于根据所述第一磁定位信号和所述第二磁定位信号，并结合所述弯曲部的机械结构弯曲模型，所述弯曲部的当前形态，并在通过显示屏上和器官腔室三维模型以3D形式展现。
上述现有技术的方案通过由多个具有空心结构的磁定位传感器嵌入到软镜末端，一定程度上可以具有末端位姿估算和形状重建的功能。第二通道第一传感器轴线中心与第一通道摄像组件光轴中心距离约0.6mm，夹角10度。此时为配准最优，兼顾体积限制和系统坐标变换误差。在实际操作软镜弯曲时会带动软镜扭转，很难保证磁传感器和摄像组件之间的这种最优的相对距离和角度，从而造成定位不准，导航失败。
上述现有技术的方案通过由多个具有空心结构的磁定位传感器嵌入到软镜末端，一定程度上可以具有末端位姿估算和形状重建的功能。但存在以下问题：
(1)当第二通道第一传感器轴线中心与第一通道摄像组件光轴中心距离约0.6mm，夹角10度时，为配准最优(兼顾体积限制和系统坐标变换误差)。在实际操作软镜弯曲时会带动软镜扭转，很难维持磁传感器和摄像组件之间的这种最优的相对距离和角度，从而会造成定位不准，导航失败。
(2)需要对软镜末端的磁传感器进行供电，需要多股电源线通过软镜内部，占用其非常有限的空间；如不通过软镜内部布局电源线，就需要将电源线和软镜并成一股，占用人体有限的腔道空间，造成腔内拥挤，医生控制困难，难以满足实际应用的需求。
(3)使用电磁定位定位软镜末端，需要在软镜末端重新设计改造，即将磁传感器或电磁发射端嵌入到软镜末端，不利于产品快速推广和普及。
上述现有技术的方案与本发明技术方案的相似之处在于：两者都提出了基于磁场的定位跟踪技术，利用一个或者多个磁源在空间中产生磁场，利用传感器等感应设备测量空间中特定位置的磁场强度来计算传感器与磁源之间的相对位置和方向关系来实现对软镜末端。
但两者要追踪的磁源不同以及定位方式完全不同。在上述现有技术的方案中，将铷铁硼永磁环嵌在软镜末端，利用体外的磁定位传感器检测体内磁场信号。本发明的创新点在于提出的使用体外磁定位传感器来检测体内套有永磁环的软镜。
由此，本发明的目的在于提供一种面向软镜的磁导航系统，使该软镜具有较大的工作空间和更多的灵活性。本发明的关键点如下：
①本发明将多个永磁环嵌套在软镜的末端，通过体外的磁传感器阵列采集磁场信号，经由导航系统服务器对多个永磁环的位姿进行解算，并显示出由手术前CT和磁定位结果共同生成的3D图像。
②多个永磁环嵌套在软镜的末端和弯曲部分：永磁环固定在软镜上之后，在手术过程中便不在改变其与软镜的相对位姿。由位姿解算模块得到的永磁环中心看作是贯穿该永磁环的软镜部分的中心。
③对永磁环进行位姿结算：首先仿真磁定位系统，组建由永磁环的位姿与磁感应强度分布组成的数据集，并在该数据集上构建定位网络。将定位网络的预估得到的永磁环的位姿结果作为最优化算法的初始解来求解目标误差方程。最优化算法采用迭代求解的方式逐步缩小误差方程的值，将取值最小且趋于稳定下的解算结果作为永磁环的位姿的最终预估结果输出。
④体外磁感应装置：采用多磁定位传感器组成阵列的方式从多个方向感知软镜处的磁场信号。
本发明的核心创新点在于：1.使用体外磁定位传感器来检测体内套有永磁环的软镜；2.新型的基于神经网络与最优算法相结合的磁定位。
相比现有技术的方案，本发明的优点在于：
1.嵌入软镜末端的为永磁环而非磁定位传感器，无需为其额外供电，节约了软镜空间。
2.采用圆环形状的永磁体(永磁环)可直接嵌套在软镜末端，无需大范围改变软镜原有的设计，装配简单，大大降低了集成成本。
3.能简便地在软镜末端的不同位置加装永磁环，装配简单，可实现对软镜的不同区域进行位姿估算和形状重建。
本发明提供一种面向软镜的磁导航系统。
图2为本发明的一种面向软镜(4)的磁导航系统的结构图。如图2所示：所述面向软镜(4)的磁导航系统包括：可自由弯曲的软镜(4)、嵌套在所述软镜(4)末端的多个永磁环(1,2,3)、体外磁定位传感器阵列(5)、定位导航系统服务器(6)、以及显示器(7)；其中，所述多个永磁环(1,2,3)的尺寸与要应用到的具体人体部位相关，即：所述多个永磁环(1,2,3)的内径略大于软镜(4)的末端直径，所述多个永磁环(1,2,3)的外径小于要应用到的人体具体腔道的直径；所述体外磁定位传感器阵列(5)用于检测所述软镜(4)末端的磁场信息。
所述定位导航系统服务器(6)与软镜(4)、体外磁定位传感器阵列(5)、以及显示器(7)相连接；所述定位导航系统服务器(6)包括位姿解算模块、以及图像融合模块，其中：
所述位姿解算模块用于根据所述体外磁定位传感器阵列(5)检测软镜(4)末端的所述多个永磁环(1,2,3)产生的磁场信号，解算所述软镜(4)在人体腔道里的位姿；
所述图像融合模块用于融合由所述位姿解算模块得到的所述软镜(4)在人体腔道里的位姿和术前CT模型，将镜管部分的虚拟镜管图像和器官的三维模型融合，在显示器(7)上形成三维图像。
进一步地，所述定位导航系统服务器(6)还包括软镜(4)末端形状重建模块，所述软镜(4)末端形状重建模块用于根据位姿解算模块得到的多个永磁环(1,2,3)的位姿，构建基于软镜(4)材质的曲率约束和基于所述多个永磁环(1,2,3)安装间距的距离约束的贝塞尔曲线，来拟合体内软镜(4)的形状信息。
如图2所示：本发明的实施例提供一种面向软镜(4)的磁导航系统，需要将待追踪的多个永磁环(1,2,3)与软镜(4)结合。在该示例性实施例中，所述软镜(4)的镜管安装有3个永磁环(1,2,3)。当镜管装有3个永磁环PM时，其中有第一永磁环PM1(1)安装于软镜(4)末端处，第二永磁环PM2(2)安装于软镜(4)的弯曲部末端，第三永磁环PM3(3)安装于第二永磁环PM2(2)后方处，远离末端处。记0<n<N，PMn为第n个永磁环。当n>2时，PMn传感器在间隔前一个传感器4-6cm处安装在软镜(4)上。设所述体外磁定位传感器阵列(5)的中心为原点，建立定位坐标系，可以获得第n永磁环的空间绝对坐标PMn(x,y,z)、以及永磁环朝向信息PMOn(m,n,p)。软镜(4)末端中心在定位坐标系中相对于第一永磁环PM1(1)的空间坐标，记为TIPtoPM1(x,y,z)；软镜末端顶点中心坐标记为TIP＝PM1+TIPtoPM1(x,y,z)。
本发明提供的所述面向软镜的磁导航系统还包括：注册模块，以及定位模块。具体地：
所述注册模块用于定位前的固件注册，具体包括：通过COMSOL仿真软件搭建定位系统，仿真出磁感应强度分布模型；其中，所述定位系统包括体外磁定位传感器阵列(5)和多个永磁环(1,2,3)；将所述多个永磁环(1,2,3)的位姿与其在该位姿下的磁感应强度组成数据对，建立由大量数据对组成的数据集；基于所述数据集对神经网络进行训练、验证和测试，得到具有较高精度的磁定位网络；
所述定位模块用于实际定位，具体包括：当所述体外磁定位传感器阵列(5)被固定以进行测量时，建立以所述体外磁定位传感器阵列(5)的中心为原点的定位坐标系；将所述体外磁定位传感器阵列(5)中不同位姿的磁定位传感器测得的磁场数据作为所述磁定位网络的输入，通过所述磁定位网络预估出所述多个永磁环(1,2,3)的位姿；建立基于磁偶极子的永磁环(1,2,3)的磁通量密度模型，构建目标误差方程；将预估出的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿作为最优化算法的初始解，通过最优化算法进行进一步迭代求解使得目标误差方程趋近于最小值，从而得到最终的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种面向软镜(4)的磁导航系统，其特征在于，所述面向软镜(4)的磁导航系统包括：可自由弯曲的软镜(4)、嵌套在所述软镜(4)末端的多个永磁环(1,2,3)、体外磁定位传感器阵列(5)、定位导航系统服务器(6)、显示器(7)、注册模块、以及定位模块；
所述体外磁定位传感器阵列(5)用于检测所述软镜(4)末端的磁场信息；
所述定位导航系统服务器(6)与软镜(4)、体外磁定位传感器阵列(5)、以及显示器(7)相连接；
其中，所述多个永磁环(1,2,3)的尺寸满足条件：所述多个永磁环(1,2,3)的内径略大于软镜(4)的末端直径，并且所述多个永磁环(1,2,3)的外径小于要应用到的人体腔道的直径；
记0<n<N，PMn为第n个永磁环；
当n>2时，PMn传感器在间隔前一个传感器4-6cm处安装在软镜(4)上；设所述体外磁定位传感器阵列(5)的中心为原点，建立定位坐标系，可以获得第n个永磁环的空间绝对坐标PMn(x,y,z)、以及该永磁环的朝向信息PMOn(m,n,p)；软镜(4)末端中心在定位坐标系中相对于第一永磁环PM1的空间坐标记为TIPtoPM1(x,y,z)；则软镜(4)末端顶点中心坐标为：
TIP＝PM1+TIPtoPM1(x,y,z)；
所述定位导航系统服务器(6)包括多个永磁环(1,2,3)的位姿解算模块、以及图像融合模块，其中：
所述多个永磁环(1,2,3)的位姿解算模块用于根据所述体外磁定位传感器阵列(5)检测软镜(4)末端的所述多个永磁环(1,2,3)产生的磁场信号，解算所述软镜(4)在人体腔道里的位姿；
所述图像融合模块用于融合由所述多个永磁环(1,2,3)的位姿解算模块得到的所述软镜(4)在人体腔道里的位姿和术前CT模型，将镜管部分的虚拟镜管图像和器官的三维模型融合，在显示器(7)上形成三维图像；
所述定位导航系统服务器(6)还包括软镜(4)末端形状重建模块，其中：
所述软镜(4)末端形状重建模块用于根据所述多个永磁环(1,2,3)的位姿解算模块得到的多个永磁环(1,2,3)的位姿，构建基于软镜(4)材质的曲率约束和基于所述多个永磁环(1,2,3)安装间距的距离约束的贝塞尔曲线，来拟合体内软镜(4)的形状信息；
所述注册模块用于定位前的固件注册，具体包括：通过COMSOL仿真软件搭建定位系统，仿真出多个永磁环(1,2,3)的磁感应强度分布模型；其中，所述定位系统包括体外磁定位传感器阵列(5)和多个永磁环(1,2,3)；将所述多个永磁环(1,2,3)的位姿与其在所述位姿下的磁感应强度组成数据对，建立由大量数据对组成的数据集；基于所述数据集对神经网络进行训练、验证和测试，得到具有较高精度的磁定位网络；
所述定位模块用于实际定位，具体包括：当所述体外磁定位传感器阵列(5)被固定以进行测量时，建立以所述体外磁定位传感器阵列(5)的中心为原点的定位坐标系；将所述体外磁定位传感器阵列(5)中不同位姿的磁定位传感器测得的磁场数据作为所述磁定位网络的输入，通过所述磁定位网络预估出所述多个永磁环(1,2,3)的位姿；建立基于磁偶极子的多个永磁环(1,2,3)的磁通量密度模型，构建目标误差方程；将预估出的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿作为最优化算法的初始解，通过最优化算法进一步迭代求解，使得目标误差方程趋近于最小值，从而得到最终的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿。
CN202111514157.2A 2021-12-13 2021-12-13 面向软镜的磁导航系统 Active CN114159163B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111514157.2A CN114159163B (zh) 2021-12-13 2021-12-13 面向软镜的磁导航系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111514157.2A CN114159163B (zh) 2021-12-13 2021-12-13 面向软镜的磁导航系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114159163A CN114159163A (zh) 2022-03-11
CN114159163B true CN114159163B (zh) 2022-09-16

Family

ID=80485799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111514157.2A Active CN114159163B (zh) 2021-12-13 2021-12-13 面向软镜的磁导航系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114159163B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117883192B (zh) * 2024-03-18 2024-06-11 华中科技大学同济医学院附属协和医院 一种基于磁标记的电磁定位系统和定位方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109805882A (zh) * 2019-02-02 2019-05-28 佛山职业技术学院 一种胶囊内窥镜定位系统及其定位方法
CN211262112U (zh) * 2019-12-20 2020-08-14 浙江大学宁波理工学院 基于磁定位的矩阵式运动路径检测系统
CN111658134A (zh) * 2020-07-10 2020-09-15 四川锦江电子科技有限公司 一种心脏脉冲电场消融导管
CN112472295A (zh) * 2019-09-12 2021-03-12 伯恩森斯韦伯斯特(以色列)有限责任公司 具有线圈的非常窄的探头
CN112493970A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 元化智能科技(深圳)有限公司 无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统
CN112842226A (zh) * 2019-11-27 2021-05-28 深圳硅基智控科技有限公司 胶囊内窥镜的磁定位系统
CN113367795A (zh) * 2021-05-31 2021-09-10 浙江大学 一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59107344D1 (de) * 1990-11-26 1996-03-14 Truppe Michael Verfahren zur Darstellung beweglicher Körper
WO2008028149A2 (en) * 2006-09-01 2008-03-06 Voyage Medical, Inc. Electrophysiology mapping and visualization system
CN108175502B (zh) * 2017-11-29 2021-08-17 苏州朗开医疗技术有限公司 一种支气管镜电磁导航系统
CN108324373B (zh) * 2018-03-19 2020-11-27 南开大学 一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法
CN109620408B (zh) * 2018-12-10 2020-06-19 华南理工大学 一种基于电磁定位的增强现实手术导航系统标定方法
CN110537982A (zh) * 2019-09-25 2019-12-06 重庆博仕康科技有限公司 软硬镜手术导航系统
CN110584781B (zh) * 2019-09-25 2021-02-19 重庆博仕康科技有限公司 光磁一体椎间孔镜导航平台
CN111528782B (zh) * 2020-05-26 2023-05-23 郑州大学第一附属医院 一种消化内镜微创诊疗导航系统
CN113655415B (zh) * 2021-08-16 2023-01-17 东北大学 一种磁场分布的增强现实在线可视化方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109805882A (zh) * 2019-02-02 2019-05-28 佛山职业技术学院 一种胶囊内窥镜定位系统及其定位方法
CN112472295A (zh) * 2019-09-12 2021-03-12 伯恩森斯韦伯斯特(以色列)有限责任公司 具有线圈的非常窄的探头
CN112842226A (zh) * 2019-11-27 2021-05-28 深圳硅基智控科技有限公司 胶囊内窥镜的磁定位系统
CN211262112U (zh) * 2019-12-20 2020-08-14 浙江大学宁波理工学院 基于磁定位的矩阵式运动路径检测系统
CN111658134A (zh) * 2020-07-10 2020-09-15 四川锦江电子科技有限公司 一种心脏脉冲电场消融导管
CN112493970A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 元化智能科技(深圳)有限公司 无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统
CN113367795A (zh) * 2021-05-31 2021-09-10 浙江大学 一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN114159163A (zh) 2022-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11712309B2 (en) Magnetic flexible catheter tracking system and method using digital magnetometers
CN107920861B (zh) 用于确定运动关系的装置
US20180116732A1 (en) Real-time Three Dimensional Display of Flexible Needles Using Augmented Reality
EP2637593B1 (en) Visualization of anatomical data by augmented reality
CN108601628B (zh) 将操作器械定位在患者身体内的导航、跟踪和引导系统
CN105934215B (zh) 具有光学形状感测的成像设备的机器人控制
CN1853576B (zh) 使用超声轮廓重建的三维心脏成像
CN1853571B (zh) 使用超声轮廓重建进行三维心脏成像的软件产品
US9345441B2 (en) Apparatus and method for nuclear imaging
JP6282415B2 (ja) 単軸センサのための位置及び向きアルゴリズム
JP2014510608A (ja) 心臓置換弁の超音波誘導による位置決め
JP5666091B2 (ja) イメージングシステム用磁気トラッキングシステム
JP5865361B2 (ja) リアルタイム内視鏡較正に関するシステム及び方法
CN108430373A (zh) 用于在患者体内跟踪内窥镜的位置的装置和方法
US20160157887A1 (en) Apparatus For Generating Needle Insertion Path For Interventional Robot
JP2010503439A (ja) ナビゲーション脳刺激時に提示された対象を表示するために用いられる座標系の相互表示における誤差を補正するための方法及び機器
CN103735312A (zh) 多模影像超声引导手术导航系统
JP2012528604A (ja) 距離ベースの位置追跡方法及びシステム
JP2010519635A (ja) 医学的画像形成のためのポインティングデバイス
JP2010125326A (ja) 物体を追跡するシステム
JP7214390B2 (ja) ダミーデバイス及び物理３ｄモデルを使用して患者の器官内の医療デバイスのナビゲーションを可視化すること
CN114159163B (zh) 面向软镜的磁导航系统
Nakada et al. A rapid method for magnetic tracker calibration using a magneto-optic hybrid tracker
CN112107365A (zh) 多臂探针呈现
Wang et al. 3-D electromagnetic position estimation system using high-magnetic-permeability metal for continuum medical robots

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant