CN114732521A - 一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁场定位技术领域，特别是涉及一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，系统包括磁场驱动模块、信号采集模块、定位求解模块和磁场发生器，磁场驱动模块驱动磁场发生器产生磁场，信号采集模块获取磁场中被测目标物的磁感应电压信号，定位求解模块根据磁感应电压信号计算出被测目标物的位置和角度，还包括测量装置和精度评估模块，测量装置上放置了多个磁感应器，磁感应器在磁场中能生成磁感应信号，并且多个磁感应器的相对位置和角度已知；精度评估模块将定位求解模块计算出测量装置上磁感应器的位置和角度，分别与已知的磁感应器的相对位置和角度做比较，得出偏差值以及偏差值对应的磁场空间范围。

Description

一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统

技术领域

本发明属于磁场定位技术领域，特别是涉及一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统。

背景技术

现代医疗技术中，可以通过导管、鞘管等耗材介入生物体，对生物体组织进行治疗。但是在术中，需要对导管、导丝、导引器(鞘管)、探针等目标物进行精准的定位和跟踪。在不同的生物体组织进行介入治疗时，对定位的精度需求不同，通常是精度越高越好，定位越准确越好。

由于导管等目标物通常通过血管、消化道等介入生物体内，本身尺寸会被设计得较小，如果再额外添加一定尺寸的定位设备，会使得尺寸上不满足介入体内的要求。另外，尽管也可以通过例如X光、磁共振成像等图像的方式来观察到目标物的位置，但这样的位置通常不能满足手术级别的定位精度要求。

因此，在医疗应用中，特别是介入类手术中，为了能够在不过多占用目标物尺寸的情况下，尽量保证定位的精度，可能会采用磁场目标定位技术。

在运用磁场目标定位技术时，采用毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)列方程组求解目标物的位置和方向，磁场目标定位系统图如图1所示，磁场目标定位系统包括磁场生成控制模块、信号采集模块、定位计算模块、磁场发生装置。磁场生成控制模块驱动磁场发生装置中的磁场生成器产生磁场。磁传感器(也就是目标物)置于磁场中，信号采集模块采集磁传感器上的感应电压信号，解调出各磁场生成器作用到磁传感器上的感应电压分量后，根据毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)列方程组，就能求解出磁传感器的位置和方向，计算磁传感器的位置和方向的原理示意图如图2所示。

理想的状态，只要磁感应器处于磁场中，就能解算出位置和方向，然而由于生成磁场的多个磁场生成器按照一定的空间位置关系布设的，因此，磁场中各点的磁场强度并不是一样的，随着磁场生成器的分布而有的地方强有的地方弱，相应的，通过磁场计算出来的磁感应器位置和方向有一定误差。在实际使用磁场目标定位系统的时候，需要明确能够容忍磁场目标定位系统定位精度误差以及误差对应的磁场空间范围，在定位精度能够容忍的误差范围内，采用该系统才是可靠的。

发明内容

针对现有的磁场目标定位系统无法确定定位误差以及定位误差对应的磁场空间范围的问题，本发明提出了一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，能检测出磁定位系统在定位计算中产生的偏差，以及明确各偏差值对应的磁场空间范围。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，包括磁场驱动模块、信号采集模块、定位求解模块和磁场发生器，磁场驱动模块驱动磁场发生器产生磁场，信号采集模块获取磁场中被测目标物的磁感应信号，定位求解模块根据磁感应信号计算出被测目标物的位置和角度，还包括测量装置和精度评估模块，

所述测量装置上放置了多个磁感应器，所述磁感应器在磁场中能生成磁感应信号，并且多个磁感应器的相对位置和角度已知；

所述精度评估模块将所述定位求解模块计算出测量装置上磁感应器的位置和角度分别与已知的磁感应器的相对位置和角度做比较，得出偏差值以及所述偏差值对应的磁场空间范围。

作为本发明的优选方案，所述测量装置包括立方体结构的方体测量装置、线性结构的线型测量装置以及三棱锥结构的正交测量装置。

作为本发明的优选方案，所述立方体结构的方体测量装置的角上放置了磁传感器，构成立方体结构的面上放置了磁传感器，磁传感器电连接到位于立方体结构中心的测量装置连接线上，通过测量装置连接线将磁感应信号传输到定位求解模块。

作为本发明的优选方案，所述线型测量装置的线性结构上放置了磁传感器，测量装置连接线贯穿于线性结构中，并与磁传感器电性连接，通过测量装置连接线将磁感应信号传输到定位求解模块。

作为本发明的优选方案，所述三棱锥结构的正交测量装置中有三个边两两相互垂直，两两相互垂直的三个边上放置了多个磁传感器，测量装置连接线从两两相互垂直的三个边的交点引出，并与磁传感器电性连接。

作为本发明的优选方案，所述精度评估模块的定位精度评估包括定位精度静态评估和定位精度动态评估，

所述定位精度静态评估是将测量装置放置在磁场中，比较计算出的磁传感器之间距离和夹角和已知的磁感应器的相对位置和角度的偏差；

所述定位精度动态评估是在不同运动速度下，比较计算出的磁传感器之间距离和夹角和已知的磁感应器的相对位置和角度的偏差。

作为本发明的优选方案，所述精度评估模块还根据偏差值得到偏差指数，偏差指数通过色块进行显示，从而得到偏差值与偏差值对应的磁场空间范围之间的关系。

作为本发明的优选方案，所述精度评估模块计算偏差值的计算公式为：

err_dis(i，j)＝|dis(i，j)-real_dis(i，j)|

err_ang(i，j)＝|ang(i，j)-rral_ang(i，j)|

其中，dis(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间距离；ang(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间夹角，err_dis(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间距离与已知距离偏差；err_ang(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间夹角与已知夹角偏差。

作为本发明的优选方案，磁传感器i与磁传感器j之间距离计算公式为：

磁传感器i与磁传感器j之间夹角计算公式为：

其中，(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)表示磁传感器i与磁传感器j的三维坐标，v_i是传感器i的方向向量，v_j是传感器j的方向向量。

作为本发明的优选方案，偏差值与偏差值对应的磁场空间范围之间的关系包括：

距离偏差0.5mm内的范围是-135＜x＜150，-160＜y＜130；距离偏差1mm内的范围是-150＜x＜170，-170＜y＜150；距离偏差1.5mm内的范围是-175＜x＜215，-180＜y＜180；

夹角偏差0.5°内的范围是-130＜x＜150，-160＜y＜130；夹角偏差1°内的范围是-150＜x＜170，-170＜y＜145；夹角偏差1.5°内的范围是-175＜x215，-185＜y＜170。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过本发明的系统可以测试出磁场定位系统的定位偏差值，以及各偏差值对应的磁场空间范围，使得用户在选用磁场定位系统的时候，能够明确偏差的大小是否与应用场景相匹配。

附图说明

图1是本发明背景技术中磁场目标定位系统图；

图2是本发明背景技术中的计算磁传感器的位置和方向的原理示意图；

图3是本发明实施例1中一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统；

图4是本发明实施例1中磁定位装置跟踪定位精度评估系统中的测量装置示意图；

图5A是本发明实施例1中测量任意两个传感器之间的位置偏差和角度偏差灰度色块显示图；

图5B是本发明实施例1中未解出第14传感器位置和指向信息的灰度色块显示图；

图5C是本发明实施例1中线性测量装置302沿平行于XOY平面，在Z高度多次测量数据整合分析结果图；

图5D是本发明实施例1中不同Z高度线性测量装置多次测量结果整合分析结果；

图6是本发明实施例1中不同运动速度下间距偏差和角度偏差的曲线示意图。

附图标记：101-磁场驱动模块、102-信号采集模块、103-定位求解模块、104-精度评估模块、105-磁场发生器、106-磁场生成器、107-测量装置、108-磁传感器、109-显示器、200-计算磁传感器的位置和方向的原理示意图、201-磁场生成器集成固定装置、202-磁场生成器电缆连接口、203-磁场生成器外接口、204-待定位跟踪的目标物、300-测量装置、301-方体测量装置，302-线型测量装置、303-正交测量装置、304-方体测量装置连接线、305-线型测量装置连接线、306-正交测量装置连接线、307-圆柱体线圈。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统的结构示意图如图3所示，包括磁场驱动模块101、信号采集模块102、定位求解模块103和磁场发生器105，特别的，还包括精度评估模块104和测量装置107。其中精度评估模块104能进行静态跟踪定位精度评估和动态跟踪定位精度评估；磁场发生器105包括多个(至少6个)磁场生成器106；测量装置107上布置多个磁传感器108；109为显示器，呈现精度评估结果。

1.磁传感器跟踪定位

磁传感器跟踪定位系统中磁场驱动模块101驱动磁场发生器105中的磁场生成器106产生磁场。具有多个磁传感器108的测量装置107置于磁场中，信号采集模块采集磁传感器上的感应电压信号。

磁场发生器包括多个(至少6个)已知空间位置和指向的磁场生成器106，多个磁场生成器106可分组布置，也可分散布置。本专利以10个磁场生成器分散布置为例，如图2所示，200为磁场生成器示意图，201为磁场生成器集成固定装置，202为磁场生成器电缆连接口，每个磁场生成器为多匝绕制线圈，可以是圆柱体，方体或多面柱体，本专利以圆柱体为例示意。203为磁场生成器发生器外接口。204为待定位跟踪的目标物(或称磁传感器)，定位参数包括空间位置P(x，y，z)和指向参数(α，β)。医疗领域中常见安装有目标物的装置包括导管、导丝、导引器(鞘管)、探针等，应用领域包括心脏介入治疗导航、肺支气管定位导航、肾动脉消融导航等。目标物空间位置和摆放角度P(x，y，z，α，β)为待求解变量。

磁场驱动装置101驱动磁场生成器的方式分为两种：一种是分频驱动，另一种是分时驱动。分频驱动即磁场驱动装置为每个磁场生成器调制互不相同频率的信号，经放大后驱动磁场生成器，产生交变磁场。交变磁场作用于磁传感器产生感应电流，经信号采集可获得感应电压。感应电压经解调处理，可获得第i个磁场生成器作用于目标物上的电压Vol_i。分时驱动即磁场驱动装置分时驱动每个磁场生成器，信号采集器采集第i个磁场生成器作用于目标物上对应感应电压Vol_i。

由于磁场生成器与跟踪目标物的间距远大于磁场生成器自身尺寸，可将二者近似为磁偶极子，根据毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)求解目标物的位置和摆放角度，定位原理详述如下：

根据已知磁场生成器位置和摆放角度，可得其归一化的磁场生成器方向向量

其中(x_i，y_i，z_i)为三维空间位置，(α_i，β_i)为磁场生成器的俯仰角度(极角)和旋转角度(方位角)，i≥6。俯仰角度即为磁场生成器与Z正方向夹角，旋转角度即为磁场生成器与X轴正方向夹角。

目标物到磁场生成器距离：

第i个磁场生成器生成磁场作用于目标物上产生的信号量Vol_i，对应信号采集模块中解调输出结果：

Vol_i＝γ*(B_(x，i)*cos(α)*cos(β)+B_(y，i)*cos(α)*sin(β)+B_(z，i)*sin(α))

其中，(x，y，z)为目标物的三维空间位置，(α，β)为传感器俯仰角度(极角)和旋转角度(方位角)，γ为增益系数，P(x，y，z，α，β，γ)为6个待解未知量。本专利以10个磁场生成器为例，可以获得包含6个未知量的10个方程，联立组成超定方程组。

求解超定方程组问题实则是非线性模型求解问题，可以按照一定筛选准则挑选出其中部分(大于等于6个)或全部方程联立求解，常用求解方法是LM(Levenberg-Marquardt)算法或其改进型，本专利采用其改进型，可在10次左右迭代获得收敛。

通过上述方法，就可以计算得到目标物的三维空间位置和摆放角度，然而定位精度是不一定是准确的，需要通过定位精度评估模块进行评估。

一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统如图3所示，除了磁传感器跟踪定位包括的磁场驱动模块101、磁场发生器105、磁场生成器106，还包括测量装置107和精度评估模块104。

测量装置107上放置了多个磁传感器108，测量装置107的类型包括方体测量装置301，线型测量装置302和正交测量装置303，如图4所示。

方体测量装置301是一个立方体结构，立方体的8个角上放置了磁传感器，立方体的各侧面上也放置了磁传感器，所有传感器电连接到位于立方体中心的测量装置连接线304上，立方体上的磁传感器是多匝绕制线圈，如图4中的磁传感器307所示，磁传感器307为圆柱体线圈。立方体上的磁传感器之间的相对位置和指向已知。方体测量装置301适合监控大区域范围内任意两个传感器直径的距离和方向夹角与标准值之间的差异。

线型测量装置302是一个线性结构，线性结构上沿“一”字形设置了多个磁传感器，测量装置连接线305贯穿于线性结构中，与各磁传感器电性连接，磁传感器307为圆柱体线圈，线性结构上的磁传感器之间的相对位置和指向已知。线性测量装置302用于评估某个方向不同区段的定位精度，兼顾大范围和小范围评估。

正交测量装置303是一个三棱锥结构，三棱锥中有三个边两两相互垂直，两两相互垂直的三个边上放置了多个磁传感器，测量装置连接线306从两两相互垂直的三个边的交点引出，与各磁传感器电性连接。磁传感器307为圆柱体线圈，三棱锥结构上的磁传感器之间的相对位置和指向已知，正交测量装置303用于评估不同方向上的定位精度差异。

精度评估模块104通过测量装置107获取用于定位评估计算的参数。

其中，精度评估模块104的定位精度评估包括定位精度静态评估和定位精度动态评估，定位精度静态评估是将测量装置107在不同空间位置处静置，对比测量装置上任意两个磁传感器之间距离、夹角与已知真实距离和夹角的偏差。利用多个测量位置的评估数据，建立定位区域中的定位精度区分图；定位精度动态评估是评估不同运动速度下，测量装置上任意两个磁传感器之间距离偏差和夹角评估的偏差。

图3所示为方体测量装置测量，磁场驱动模块驱动磁场发生器，信号采集模块采集数据，通过定位求解模块获得每个磁传感器位置和指向P_i(x，y，z，α，β)。静态评估过程如下：

在测量装置上任选两个磁传感器，通过现有的方法利用毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)计算出这两个磁传感器的三维坐标，分别用(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)来表示，可以根据坐标计算出两个磁传感器之间的距离和夹角，计算公式为：

其中，(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)表示磁传感器i与磁传感器j的三维坐标，dis(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间距离；ang(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间夹角。v_i为磁传感器i的方向向量；v_j为磁传感器j的方向向量。

将计算出的距离和夹角分别和装置测量上已知的距离和夹角做差，就能得到计算值和实际值之间的偏差，偏差计算公式为：

err_dis(i，j)＝|dis(i，j)-real_dis(i，j)|

err_ang(i，j)＝|ang(i，j)-real_ang(i，j)|

err_dis(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间距离与已知距离偏差；err_ang(i，j)为磁传感器i与磁传感器j之间夹角与已知夹角偏差。已知距离是通过第三方标定获取的，比如装置上打孔，数控机床高精度每个1cm打孔，磁传感器放置在孔里面，这样就知道了磁传感器之间的距离；另一种是孔里安装传感器后，拿到精度达到1mm的磁定位系统里面测量，记录传感器位置，然后获得彼此距离。已知夹角也是通过已知距离类似的方法得到。

按照不同偏差指数对距离偏差和夹角偏差进行实时评估。设置偏差指数，如偏差指数划分为0≤err≤1，1＜err≤2，2＜err≤3，3＜err≤4，4＜err，偏差指数设置是为了对系统不同区域的定位精度进行划分，为后期客户需求提供技术指标支持，比如一个客户需求是1mm的定位精度场景，那么他可以在(-150＜x＜170，-170＜y＜150)范围内应用。系统根据不同偏差指数，在显示屏109上以不同色块显示。如图5A所示，显示器109呈现当前测量状态任意两个传感器之间的位置偏差和角度偏差，显然第14磁传感器与其它传感器之间的位置和夹角偏差明显偏大，可以预测第14传感器所在位置区域定位精度偏低。

以上过程中，若定位求解模块某个磁传感器未输出结果，则与其关联的距离偏差和夹角偏差在系统中用NULL突出表示。如图5B所示，定位求解模块未解出第14传感器位置和指向信息。

图5C为线性测量装置302沿平行于XOY平面，在Z高度多次测量数据整合分析结果，等值线示意不同范围定位精度偏差，从图中直观对不同精度定位范围做出评估。在Z高度，距离偏差0.5mm内的范围是(-135＜x＜150，-160＜y＜130)距离偏差1mm内的范围是(-150＜x＜170，-170＜y＜150)距离偏差1.5mm内的范围是(-175＜x＜215，-180＜y＜180)；在Z高度，夹角偏差0.5°内的范围是(-130＜x＜150，-160＜y＜130)夹角偏差1°内的范围是(-150＜x＜170，-170＜y＜145)夹角偏差1.5°内的范围是(-175＜x＜215，-185＜y＜170)。

图5D为不同Z高度线性测量装置多次测量结果整合分析结果，从图中可以直观看出不同高度不同定位精度的范围以及整个定位范围内不同精度定位范围的大小。从图5D中可以观察出Z高度50～350范围，偏差在0.5mm内的定位区域是(-135＜x＜150，-155＜y＜130)。图5C和5D是根据评估装置实际采集数据处理得到，示意出了定位不同精度的区域范围大小。

定位精度动态评估包括不同运动速度下，测量装置上任意两个磁传感器之间距离和夹角，进行评估。以在距离偏差0.5mm和角度偏差0.5°的区域内的动态评估为例，沿同一路径，用不同运动速度移动测量装置，记录测量并记录装置上任意传感器之间的距离和夹角偏差，如下表所示：

根据以上测量结果，显示器109呈现如图6所示。图6表明，随着运动速度的提升，磁传感器的定位精度将逐步降低，当运动速度到达90mm/s左右时，系统难以跟踪定位磁传感器。特别说明，此处公开的是一种动态评估方法，不同硬件，不同频率磁场驱动激励，不同信号采样频率都可能影响动态评估的最终结果，动态评估的结果将作为对应磁定位系统的重要参数，对应用场景加以限制。

以上表格是根据实验获取数据分析得到，代表的是该款产品的性能指标，方便客户根据需求选择产品。不同客户的不同应用场景，对指标要求不同。具体误差的容忍度是根据应用场景确定的，不能一概而论，以心脏导管定位应用为例，比方说心脏高速跳动是200次/分钟，单次跳动是0.3秒，一次跳动距离是15mm，那么速度为50mm/s，偏差在1.25mm，满足应用需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，包括磁场驱动模块、信号采集模块、定位求解模块和磁场发生器，磁场驱动模块驱动磁场发生器产生磁场，信号采集模块获取磁场中被测目标物的磁感应信号，定位求解模块根据磁感应信号计算出被测目标物的位置和角度，其特征在于，还包括测量装置和精度评估模块，

所述测量装置上放置了多个磁感应器，所述磁感应器在磁场中能生成磁感应信号，并且多个磁感应器的相对位置和角度已知；

所述精度评估模块将所述定位求解模块计算出测量装置上磁感应器的位置和角度分别与已知的磁感应器的相对位置和角度做比较，得出偏差值以及所述偏差值对应的磁场空间范围。

2.如权利要求1所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，所述测量装置包括立方体结构的方体测量装置、线性结构的线型测量装置以及三棱锥结构的正交测量装置。

3.如权利要求2所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，所述立方体结构的方体测量装置的角上放置了磁传感器，构成立方体结构的面上放置了磁传感器，磁传感器电连接到位于立方体结构中心的测量装置连接线上，通过测量装置连接线将磁感应信号传输到定位求解模块。

4.如权利要求2所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，所述线型测量装置的线性结构上放置了磁传感器，测量装置连接线贯穿于线性结构中，并与磁传感器电性连接，通过测量装置连接线将磁感应信号传输到定位求解模块。

5.如权利要求2所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，所述三棱锥结构的正交测量装置中有三个边两两相互垂直，两两相互垂直的三个边上放置了多个磁传感器，测量装置连接线从两两相互垂直的三个边的交点引出，并与磁传感器电性连接。

6.如权利要求1所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，所述精度评估模块的定位精度评估包括定位精度静态评估和定位精度动态评估，

所述定位精度静态评估是将测量装置放置在磁场中，比较计算出的磁传感器之间距离和夹角和已知的磁感应器的相对位置和角度的偏差；

所述定位精度动态评估是在不同运动速度下，比较计算出的磁传感器之间距离和夹角和已知的磁感应器的相对位置和角度的偏差。

7.如权利要求1-6任一所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，所述精度评估模块还根据偏差值得到偏差指数，偏差指数通过色块进行显示，从而得到偏差值与偏差值对应的磁场空间范围之间的关系。

8.如权利要求7所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，所述精度评估模块计算偏差值的计算公式为：

其中，

为磁传感器i与磁传感器j之间距离；

为磁传感器i与磁传感器j之间夹角，

为磁传感器i与磁传感器j之间距离与已知距离偏差；

为磁传感器i与磁传感器j之间夹角与已知夹角偏差。

9.如权利要求8所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，磁传感器i与磁传感器j之间距离计算公式为：

磁传感器i与磁传感器j之间夹角计算公式为：

其中，

和

表示磁传感器i与磁传感器j的三维坐标，

是传感器i的方向向量，

是传感器j的方向向量。

10.如权利要求7所述的一种磁定位装置跟踪定位精度评估系统，其特征在于，偏差值与偏差值对应的磁场空间范围之间的关系包括：

距离偏差0.5mm内的范围是

；距离偏差1mm内的范围是

；距离偏差1.5mm内的范围是

；

夹角偏差0.5°内的范围是

；夹角偏差1°内的范围是

；夹角偏差1.5°内的范围是

。

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