CN114557780B - 一种辅助外科手术的三维定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助外科手术的三维定位系统及方法，包括电磁场发射组件、参考传感组件、定位传感组件及信号采集组件；所述电磁场发射组件包括至少三个空间位置不同的电磁场发射单元；所述参考传感组件及所述定位传感组件用于接收所述电磁场发射组件发射的原始电磁信号；所述信号采集组件分别与所述电磁场发射组件、所述参考传感组件及所述定位传感组件信号连接，用于根据所述原始电磁信号、所述参考传感组件接收到的参考电磁信号及所述定位传感组件接收到的定位电磁信号，确定所述定位传感组件相对于所述参考传感组件的空间位置信息。本发明提供的辅助外科手术的三维定位系统结构简单，安装便捷，定位时间短、精度高，电磁场信号不怕被遮挡。
Description
技术领域
本发明涉及空间定位技术领域，特别是涉及一种辅助外科手术的三维定位系统及方法。
背景技术
现代社会生活节奏日益加快，恶性肿瘤的发病率也越来越高，多数病变部位不能直观地观察到，若采取传统的外科手术，医生操作时多为盲穿，只能凭借对病变部位掌握的临床经验和技巧进行手术，其风险巨大，同时也容易存在肿瘤切除不全、并发症多、术后创伤大、恢复期长等问题，对经验尚缺的年轻医生更是一大挑战。
为了寻求创伤更小、定位精准的治疗手段，影像引导下的有创技术已成为恶性肿瘤治疗的研究热点，而在该类有创手术中，手术导航技术得到了广泛关注。目前，光学定位为应用较为广泛的新一代定位手段，但是光学定位中定位红外定位光束易被遮挡，定位辅助器材多、复杂、体积大、重量大且在手术前安装需要耗费大量是时间，更严重的是部分体位无法安装，对患者十分不友好，严重影响、拖慢了手术进程。
因此，如何寻找一种不会被遮挡、结构简单且安装便捷的外科手术辅助定位系统，是本领域技术人员亟待解决的问题。
针对上述问题所以提出了三维电磁定位系统，其具有定位时间短、精度高、可定制化、范围广、不易被遮挡的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种辅助外科手术的三维定位系统及方法，以解决现有技术中定位系统易被遮挡失效、结构复杂且安装步骤繁琐的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种辅助外科手术的三维定位系统，包括电磁场发射组件、参考传感组件、定位传感组件及信号采集组件；
所述电磁场发射组件包括至少三个空间位置不同的电磁场发射单元，且所述电磁场发射组件用于在手术区域布满电磁场；
所述参考传感组件及所述定位传感组件用于接收所述电磁场发射组件发射的原始电磁信号，其中所述参考传感器与人体接触设置；
所述信号采集组件分别与所述电磁场发射组件、所述参考传感组件及所述定位传感组件信号连接，用于根据所述原始电磁信号、所述参考传感组件接收到的参考电磁信号及所述定位传感组件接收到的定位电磁信号，确定所述定位传感组件相对于所述参考传感组件的空间位置信息。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位系统中，所述定位传感组件包括棒状定位端及握持端。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位系统中，所述棒状定位端沿棒的延伸方向依次设置多个定位传感单元。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位系统中，所述棒状定位端的前端被硅胶套包裹。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位系统中，所述辅助外科手术的三维定位系统包括多个所述电磁场发射组件。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位系统中，多个所述电磁场发射组件通过安装卡扣互相连接。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位系统中，所述参考传感组件通过连接件固定于患者体表。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位系统中，所述参考传感组件从接触所述患者体表的表面向外依次包括硅胶层、隔热层及参考传感单元。
一种辅助外科手术的三维定位方法，所述辅助外科手术的三维定位方法通过如上述任一种所述的辅助外科手术的三维定位系统实现，包括：
分别从所述电磁场发射组件、所述参考传感组件及所述定位传感组件接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号；
根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差；
根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件到所述电磁场发射组件的距离及所述定位传感组件到所述电磁场发射组件的距离；
根据所述参考传感组件到所述电磁场发射组件的距离、所述定位传感组件到所述电磁场发射组件的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件相对于所述参考传感组件的空间位置信息。
可选地，在所述的辅助外科手术的三维定位方法中，所述第一相位差及所述第二相位差的确定方法包括：
将所述目标电磁表达式及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离，得到相移目标表达式/>及相移原始表达式/>；
通过下式确定所述目标电磁表达式对应的电磁信号与所述原始电磁信号之间的相位差/>：
；
其中，k为采样周期数，Ts为周期时长，为相移距离，函数/>及函数/>如下：
；
；
其中，为根据所述原始电磁信号确定原始电磁表达式；/>为根据所述定位电磁信号或所述参考电磁信号确定目标电磁表达式；/>及/>分别为将所述目标电磁表达式/>及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式及相移原始表达式。
本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统，包括电磁场发射组件、参考传感组件、定位传感组件及信号采集组件；所述电磁场发射组件包括至少三个空间位置不同的电磁场发射单元，且所述电磁场发射组件用于在手术区域布满电磁场；所述参考传感组件及所述定位传感组件用于接收所述电磁场发射组件发射的原始电磁信号，其中所述参考传感器与人体接触设置；所述信号采集组件分别与所述电磁场发射组件、所述参考传感组件及所述定位传感组件信号连接，用于根据所述原始电磁信号、所述参考传感组件接收到的参考电磁信号及所述定位传感组件接收到的定位电磁信号，确定所述定位传感组件相对于所述参考传感组件的空间位置信息。
本发明在空间中布满电磁场，再通过比较两个接收器（即所述参考传感组件及所述定位传感组件）分别与所述电磁场发射器的电磁信号的相位角，即可得知接收器分别到达所述电磁场发射器单独每一个电磁场发射单元的距离，进而可知两接收器相对所述电磁场发射器的空间位置信息，得到所述定位传感器相对于所述参考传感组件的空间位置信息，结合预先通过扫描得到的患者待诊查部位的三维图形数据，即可进行高精度的定位导航，本发明提供的辅助外科手术的三维定位系统结构简单，安装便捷，定位时间短、精度高，同时电磁场信号范围广且不怕被遮挡。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的辅助外科手术的三维定位方法。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统的一种具体实施方式中多个所述电磁场发射组件相互连接的示意图；
图3为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统的一种具体实施方式中定位传感组件的结构示意图；
图4、图5分别为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统的一种具体实施方式的参考传感组件的结构示意图；
图6a、图6b及图6c分别为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统的一种具体实施方式的参考传感组件的外观结构示意图；
图7为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统提供的多种参考传感组件与人体连接固定的结构示意图；
图8为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统的一种具体实施方式中所述参考传感组件与所述定位传感组件相对于人体的位置关系示意图；
图9为本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统的一种具体实施方式的工作流程图；
图10本发明所提供的辅助外科手术的三维定位方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图11本发明所提供的辅助外科手术的三维定位装置的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
本发明的核心是提供一种辅助外科手术的三维定位系统，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括电磁场发射组件10、参考传感组件20、定位传感组件30及信号采集组件40；
所述电磁场发射组件10包括至少三个空间位置不同的电磁场发射单元11，且所述电磁场发射组件10用于在手术区域布满电磁场；
所述参考传感组件20及所述定位传感组件30用于接收所述电磁场发射组件10发射的原始电磁信号，其中所述参考传感器与人体接触设置；
所述信号采集组件40分别与所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30信号连接，用于根据所述原始电磁信号、所述参考传感组件20接收到的参考电磁信号及所述定位传感组件30接收到的定位电磁信号，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。
其中，所述电磁场发射组件10由微型控制器控制信号的发生和分布式电磁场发射器的发射。采用高频、精密函数信号发生器产生正弦波信号。
作为一种具体实施方式，所述电磁场发射组件10产生的信号可能不能满足大范围内定位的要求，因此需要设计功率放大模块对信号发生器模块进行合理放大，包括前级放大和功率放大。前级放大采用低噪声精密仪表放大器，要求其具有高共模抑制比、低噪声、低失调电压和低失调电压漂移、带宽较大、性能稳定等特点。功率放大选用高性能的功率放大器。
所述信号采集组件40接收到的所述参考电磁信号及所述定位电磁信号十分微弱，需要先对接收信号进行放大，再进行A/D转换后由FPGA进行数据预处理后分别将发射信号和接收信号存储至不同的数据块，再发送至上位机或本地处理器进行数据处理。
所述空间位置信息可进一步结合预先为患者进行CT扫描或其他探伤方式建立的生理结构模型，获得所述定位传感组件30在所述生理结构模型中的精确位置信息，具体地，由于所述参考传感器与人体接触设置，也就是说，所述参考传感器可作为人体的生理结构模型外表面上的一个参考点（也即原点），可依据具体情况确定原点位置，方便所述定位传感组件30的坐标表达，减少计算量。
还有，所述辅助外科手术的三维定位系统包括多个所述电磁场发射组件10。增加复数个所述电磁场发射组件10，可综合每个电磁场发射组件10的测量结果进一步对最终的位置信息进行修正，提升效率。另外，多个所述电磁场发射组件10通过安装卡扣12互相连接，如图2所示。安装卡扣12设置方便，连接便捷，可快速在任意位置将任意数量的所述电磁场发射组件10进行连接，当然，也可采用其他方式将相邻的所述电磁场发射组件10互相连接，本发明在此不做限定。所述电磁场发射组件10可为正六边形组件，针对不同手术场景、手术范围、手术部位进行合理安装拆卸。发射组件内部使用三组互相平行且一致的螺旋线圈（也即所述电磁场发射单元11），三组线圈分时向空间中辐射电磁场信号。
作为一种优选实施方式，所述定位传感组件30包括棒状定位端31及握持端32。本发明提供的三维定位系统最终得到的是所述定位传感组件30的三维坐标，因此在本优选实施方式中为所述定位传感组件30设计握持端32及棒状定位部，可更方便握持，并在人体组织中进行定位，所述定位传感组件30在测量范围内以任意形式运动，它可以检测出发射端产生的磁场强度在空间中的改变量，通过电磁之间的转换关系实现电磁信号的转换。
另外，所述棒状定位端31沿棒的延伸方向依次设置多个定位传感单元34。如在所述棒状定位端31的顶端及尾部各设置一个所述定位传感单元34，进而实现在获得定位数据的同时，也获得所述棒状定位端31的姿态数据，辅助医护人员更高效定位，同时避开人体中的脆弱区域，进一步提升手术安全。
更近一步地，所述棒状定位端31的前端被硅胶套33包裹，避免坚硬的前端损伤人体组织，提升手术的安全性，当然，也可采用其他对人体无毒的柔性材质对所述前端进行包裹，更近一步地，还可对所述棒状定位端31的前端做圆角处理，进一步提升安全性，包括所述硅胶套33及多个所述定位传感单元34的所述定位传感组件30如图3所示。
作为一种具体实施方式，所述参考传感组件20从接触所述患者体表的表面向外依次包括硅胶层24、隔热层23及参考传感单元21，如图4所示，针对额头、脖颈、后脑等位置定制符合人体工学的传感器；更近一步地，所述参考传感单元21为柔性单元。通过所述硅胶层24将所述参考传感单元21黏连于患者身体的任意位置，可大大降低安装的复杂性，同时，使所述参考传感组件20与人体的相对位置固定，令最终得到的所述定位传感组件30的空间位置信息更精准。
当然，所述参考传感组件20还可为其他形式的组件，如采用硬质塑料22包裹的所述参考传感单元21，如图5所示，同时，单个所述参考传感组件20内还可包括多个所述参考传感单元21。
此外，所述参考传感组件20通过连接件固定于患者体表，所述连接件可以为夹具或粘性贴，不同形状的所述参考传感组件20的结构示意图如图6a、图6b及图6c所示。图7为图6的三种参考传感组件20与人体连接固定的结构示意图，图8为所述参考传感组件20与所述定位传感组件30相对于人体的位置关系示意图。
下面给出一种定位算法的具体实施方式，步骤A信号采集，步骤B相位差估算，步骤C坐标计算。
所述步骤A信号采集包括以下步骤：
步骤A1，电磁场发射组件10线圈一向空间辐射电磁信号；
步骤A2，参考传感组件20和定位传感组件30同时进行电磁信号接收，信号采集模块通道1、2、3分别采集发射模块线圈一、参考传感组件20、定位传感组件30的信号并将其存储至相应的数据块再发送至上位机；
步骤A3，步骤A2完成后，电磁场发射组件10线圈二向空间辐射电磁信号；
步骤A4，重复进行步骤A2，采集发射模块线圈二、参考传感组件20、定位传感组件30的信号并将其存储至相应的数据块再发送至上位机；
步骤A5，步骤A4完成后，重复步骤A1，电磁场发射模块线圈三向空间辐射电磁信号；
步骤A6，重复进行步骤A2，采集发射组件线圈三、参考传感组件20、定位传感组件30的信号并将其存储至相应的数据块再发送至上位机；
所述步骤B相位差估算，对采集到的离散信号依次执行相位差估算算法，得到三组近似的相位差。
所述步骤C坐标计算，根据步骤B中的三组相位差即可通过相位测距原理得到发射组件与定位传感组件30和定制化参考传感组件20的距离关系，在通过数学推到计算得出定位传感组件30和参考传感组件20在以电磁场发射组件10为空间坐标原点下的空间坐标，即可实现空间定位。
而对于所述参考传感组件20中的任一参考传感单元21或所述定位传感组件30中的任一定位传感单元34的位置信息的确定，均可利用如下算式得出，也即所述第一相位差及所述第二相位差的确定方法包括：
将所述目标电磁表达式及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离，得到相移目标表达式/>及相移原始表达式/>；
通过下式确定所述目标电磁表达式对应的电磁信号与所述原始电磁信号之间的相位差/>：
；（1）
其中，k为采样周期数，Ts为周期时长，为相移距离，函数/>及函数/>如下：
；（2）
；（3）
其中，为根据所述原始电磁信号确定的原始电磁表达式；/>为根据所述定位电磁信号或所述参考电磁信号确定的目标电磁表达式；/>及/>分别为将所述目标电磁表达式/>及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式及相移原始表达式。
其推导过程具体为：
所述定位传感组件30及所述参考传感组件20接收到的电磁信号的目标电磁表达式及所述原始电磁表达式分别为：
；（4）
；（5）
其中，：信号调制角频率；/>、/>：发射信号、接收信号相位；/>、/>：噪声；S1、S2为信号幅度。
对（4）式和（5）式进行距离为的相移，得到式（6）、式（7）：
；（6）
；（7）
将式（4）（5）（6）（7）带入人为定义的函数及函数/>中，得到：
+/>；（8）
；（9）
而在经过了k个时长Ts的周期后，得到了式（8）、式（9）的离散表示形式：
；（10）
；（11）
当且/>为正整数时，式（10）、式（11）得到下式（12）、（13）：
；（12）
；（13）
在高信噪比的情况下，噪声忽略，相位差具体为：
；（14）
令，其中/>为采样频率，/>为发生信号调制频率；根据式（12）、式（13）/>，/>。
分析误差后根据p、q、r得出改进的相位差式（15）：
；（15）
化简后即可得式（1）。
由式（15）算得多组相位差后可得多组相位距离，根据海伦公式即可得到所述定位传感组件30或参考传感组件20的空间位置坐标点。
再根据所述空间位置坐标点计算得出的坐标点形成点阵，通过上位机或本地处理器实时显示在显示屏上，根据医学影像和定位传感组件30即可实现病灶的导航，图9即为所述辅助外科手术的三维定位系统的工作流程图，其中所述发射端数据块指处理所述原始电磁信号的模块，所述接收端数据块指处理所述参考电磁信号及所述定位电磁信号的模块。
本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统，包括电磁场发射组件10、参考传感组件20、定位传感组件30及信号采集组件40；所述电磁场发射组件10包括至少三个空间位置不同的电磁场发射单元11，且所述电磁场发射组件10用于在手术区域布满电磁场；所述参考传感组件20及所述定位传感组件30用于接收所述电磁场发射组件10发射的原始电磁信号，其中所述参考传感器与人体接触设置；所述信号采集组件40分别与所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30信号连接，用于根据所述原始电磁信号、所述参考传感组件20接收到的参考电磁信号及所述定位传感组件30接收到的定位电磁信号，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。本发明在空间中布满电磁场，再通过比较两个接收器（即所述参考传感组件20及所述定位传感组件30）分别与所述电磁场发射器的电磁信号的相位角，即可得知接收器分别到达所述电磁场发射器单独每一个电磁场发射单元11的距离，进而可知两接收器相对所述电磁场发射器的空间位置信息，得到所述定位传感器相对于所述参考传感组件20的空间位置信息，结合预先通过扫描得到的患者待诊查部位的三维图形数据，即可进行高精度的定位导航，本发明提供的辅助外科手术的三维定位系统结构简单，安装便捷，定位时间短、精度高，同时电磁场信号范围广且不怕被遮挡。
本发明还提供了一种辅助外科手术的三维定位方法，其一种具体实施方式的流程示意图如图10所示，所述辅助外科手术的三维定位方法通过上述任一种所述的辅助外科手术的三维定位系统实现，包括：
S101：分别从所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号。
S102：根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差。
S103：根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离及所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离。
S104：根据所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离、所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。
本发明中提供的辅助外科手术的三维定位方法与前文中的辅助外科手术的三维定位互相对应，请参照前文中的说明，在此不再赘述。
作为一种优选实施方式，所述第一相位差及所述第二相位差的确定方法包括：
将所述目标电磁表达式及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式/>及相移原始表达式/>；
通过下式确定所述目标电磁表达式对应的电磁信号与所述原始电磁信号之间的相位差/>：
；
其中，k为采样周期数，Ts为周期时长，为相移距离，函数/>及函数/>如下式：
；
；
其中，为根据所述原始电磁信号确定的原始电磁表达式；/>为根据所述定位电磁信号或所述参考电磁信号确定的目标电磁表达式；/>及/>分别为将所述目标电磁表达式/>及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式及相移原始表达式。
本发明所提供的辅助外科手术的三维定位方法，通过分别从所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号；根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差；根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离及所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离；根据所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离、所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。本发明在空间中布满电磁场，再通过比较两个接收器（即所述参考传感组件20及所述定位传感组件30）分别与所述电磁场发射器的电磁信号的相位角，即可得知接收器分别到达所述电磁场发射器单独每一个电磁场发射单元11的距离，进而可知两接收器相对所述电磁场发射器的空间位置信息，得到所述定位传感器相对于所述参考传感组件20的空间位置信息，结合预先通过扫描得到的患者待诊查部位的三维图形数据，即可进行高精度的定位导航，本发明提供的辅助外科手术的三维定位系统结构简单，安装便捷，定位时间短、精度高，同时电磁场信号范围广且不怕被遮挡。
下面对本发明实施例提供的辅助外科手术的三维定位装置进行介绍，下文描述的辅助外科手术的三维定位装置与上文描述的辅助外科手术的三维定位方法可相互对应参照。
图11为本发明实施例提供的辅助外科手术的三维定位装置的结构框图，参照图11辅助外科手术的三维定位装置可以包括：
接收模块100，用于分别从所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号；
相位差模块200，用于根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差；
距离模块300，用于根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离及所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离；
位置信息模块400，用于根据所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离、所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。
作为一种优选实施方式，所述相位差模块200包括：
简化计算单元，用于将所述目标电磁表达式及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式/>及相移原始表达式/>；
通过下式确定所述目标电磁表达式对应的电磁信号与所述原始电磁信号之间的相位差/>：
；
其中，k为采样周期数，Ts为周期时长，为相移距离，函数/>及函数/>如下：
；
；
其中，为根据所述原始电磁信号确定的原始电磁表达式；/>为根据所述定位电磁信号或所述参考电磁信号确定的目标电磁表达式；/>及/>分别为将所述目标电磁表达式/>及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式及相移原始表达式。
本发明所提供的辅助外科手术的三维定位装置，包括接收模块100，用于分别从所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号；相位差模块200，用于根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差；距离模块300，用于根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离及所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离；位置信息模块400，用于根据所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离、所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。本发明在空间中布满电磁场，再通过比较两个接收器（即所述参考传感组件20及所述定位传感组件30）分别与所述电磁场发射器的电磁信号的相位角，即可得知接收器分别到达所述电磁场发射器单独每一个电磁场发射单元11的距离，进而可知两接收器相对所述电磁场发射器的空间位置信息，得到所述定位传感器相对于所述参考传感组件20的空间位置信息，结合预先通过扫描得到的患者待诊查部位的三维图形数据，即可进行高精度的定位导航，本发明提供的辅助外科手术的三维定位系统结构简单，安装便捷，定位时间短、精度高，同时电磁场信号范围广且不怕被遮挡。
本实施例的辅助外科手术的三维定位装置用于实现前述的辅助外科手术的三维定位方法，因此辅助外科手术的三维定位装置中的具体实施方式可见前文中的辅助外科手术的三维定位方法的实施例部分，例如，接收模块100，相位差模块200，距离模块300，位置信息模块400，分别用于实现上述辅助外科手术的三维定位方法中步骤S101，S102，S103和S104，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本发明还提供了一种辅助外科手术的三维定位设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一种辅助外科手术的三维定位方法的步骤。本发明所提供的辅助外科手术的三维定位方法，通过分别从所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号；根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差；根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离及所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离；根据所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离、所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。本发明在空间中布满电磁场，再通过比较两个接收器（即所述参考传感组件20及所述定位传感组件30）分别与所述电磁场发射器的电磁信号的相位角，即可得知接收器分别到达所述电磁场发射器单独每一个电磁场发射单元11的距离，进而可知两接收器相对所述电磁场发射器的空间位置信息，得到所述定位传感器相对于所述参考传感组件20的空间位置信息，结合预先通过扫描得到的患者待诊查部位的三维图形数据，即可进行高精度的定位导航，本发明提供的辅助外科手术的三维定位系统结构简单，安装便捷，定位时间短、精度高，同时电磁场信号范围广且不怕被遮挡。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的辅助外科手术的三维定位方法的步骤。本发明所提供的辅助外科手术的三维定位方法，通过分别从所述电磁场发射组件10、所述参考传感组件20及所述定位传感组件30接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号；根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差；根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离及所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离；根据所述参考传感组件20到所述电磁场发射组件10的距离、所述定位传感组件30到所述电磁场发射组件10的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件30相对于所述参考传感组件20的空间位置信息。本发明在空间中布满电磁场，再通过比较两个接收器（即所述参考传感组件20及所述定位传感组件30）分别与所述电磁场发射器的电磁信号的相位角，即可得知接收器分别到达所述电磁场发射器单独每一个电磁场发射单元11的距离，进而可知两接收器相对所述电磁场发射器的空间位置信息，得到所述定位传感器相对于所述参考传感组件20的空间位置信息，结合预先通过扫描得到的患者待诊查部位的三维图形数据，即可进行高精度的定位导航，本发明提供的辅助外科手术的三维定位系统结构简单，安装便捷，定位时间短、精度高，同时电磁场信号范围广且不怕被遮挡。
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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，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。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的辅助外科手术的三维定位系统、方法、装置、设备及计算机可读存储介质进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，包括电磁场发射组件、参考传感组件、定位传感组件及信号采集组件；
所述电磁场发射组件包括至少三个空间位置不同的电磁场发射单元，且所述电磁场发射组件用于在手术区域布满电磁场；
所述参考传感组件及所述定位传感组件用于接收所述电磁场发射组件发射的原始电磁信号，其中所述参考传感组件与人体接触设置；
所述信号采集组件分别与所述电磁场发射组件、所述参考传感组件及所述定位传感组件信号连接，用于根据所述原始电磁信号、所述参考传感组件接收到的参考电磁信号及所述定位传感组件接收到的定位电磁信号，确定所述定位传感组件相对于所述参考传感组件的空间位置信息；
所述辅助外科手术的三维定位系统能够用于以下方法，包括：
分别从所述电磁场发射组件、所述参考传感组件及所述定位传感组件接收所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号；
根据所述原始电磁信号、所述参考电磁信号及所述定位电磁信号，分别确定所述参考电磁信号与所述原始电磁信号之间的第一相位差及所述定位电磁信号与所述原始电磁信号之间的第二相位差；
根据所述第一相位差及所述第二相位差，确定所述参考传感组件到所述电磁场发射组件的距离及所述定位传感组件到所述电磁场发射组件的距离；
根据所述参考传感组件到所述电磁场发射组件的距离、所述定位传感组件到所述电磁场发射组件的距离及预存储的患者身体扫描数据，确定所述定位传感组件相对于所述参考传感组件的空间位置信息；
所述第一相位差及所述第二相位差的确定方法包括：
将目标电磁表达式及原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式/>及相移原始表达式/>；
通过下式（1）确定所述目标电磁表达式对应的电磁信号与所述原始电磁信号之间的相位差/>：
；（1）
其中，k为采样周期数，Ts为周期时长，为相移距离，函数/>及函数/>如下式（2）、式（3）所示：
；（2）
；（3）
其中，为根据所述原始电磁信号确定的原始电磁表达式；/>为根据所述定位电磁信号或所述参考电磁信号确定的目标电磁表达式；/>及/>分别为将所述目标电磁表达式/>及所述原始电磁表达式/>做相移处理，相移距离/>，得到相移目标表达式及相移原始表达式；
对应的推导过程具体为：
所述定位传感组件及所述参考传感组件接收到的电磁信号的目标电磁表达式及所述原始电磁表达式分别为：
；（4）
；（5）
其中，：信号调制角频率；/>、/>：发射信号、接收信号相位；/>、/>：噪声；S1、S2为信号幅度；
对（4）式和（5）式进行距离为的相移，得到式（6）、式（7）：
；（6）
；（7）
将式（4）（5）（6）（7）带入人为定义的函数及函数/>中，得到：
；（8）
；（9）
而在经过了k个时长Ts的周期后，得到了式（8）、式（9）的离散表示形式：
；（10）
；（11）
当且/>为正整数时，式（10）、式（11）得到下式（12）、（13）：
；（12）
；（13）
在高信噪比的情况下，噪声忽略，相位差具体为：
；（14）
令，其中/>为采样频率，/>为发生信号调制频率；根据式（12）、式（13）/>，/>；
分析误差后根据p、q、r得出改进的相位差式（15）：
；（15）
化简后即可得式（1）。
2.如权利要求1所述的辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，所述定位传感组件包括棒状定位端及握持端。
3.如权利要求2所述的辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，所述棒状定位端沿棒的延伸方向依次设置多个定位传感单元。
4.如权利要求2所述的辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，所述棒状定位端的前端被硅胶套包裹。
5.如权利要求1所述的辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，所述辅助外科手术的三维定位系统包括多个所述电磁场发射组件。
6.如权利要求5所述的辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，多个所述电磁场发射组件通过安装卡扣互相连接。
7.如权利要求1所述的辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，所述参考传感组件通过连接件固定于患者体表。
8.如权利要求7所述的辅助外科手术的三维定位系统，其特征在于，所述参考传感组件从接触所述患者体表的表面向外依次包括硅胶层、隔热层及参考传感单元。
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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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