CN116456922A - 基于磁场的跟踪方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种基于磁传感器的跟踪系统、方法和计算机可读介质，用于在具有一致磁场的环境中跟踪具有磁场生成设备的装置。基于磁传感器的跟踪系统包括具有磁场生成设备的装置、一个或多个磁场感测设备以及控制器。一个或多个磁场感测设备中的每一个在操作中被配置为在磁场生成设备穿过环境时位于磁场生成设备的预期路径的可感测范围内，预期路径包括多个区域。控制器耦合到一个或多个磁场感测设备并且在操作中被配置为利用一个或多个磁场感测设备的磁场感测通过从一个或多个磁感测设备中的至少一个获得至少一个磁场读数并基于从预先获得的磁场模型获得的至少一个解集计算该装置在环境中的位置和取向来跟踪环境内的装置。

Description

基于磁场的跟踪方法和系统
优先权要求
本申请要求于2020年11月4日提交的新加坡专利申请第10202010982R号的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及磁场跟踪，并且更具体地涉及用于对磁场一致且已知的物体进行磁场跟踪的方法和系统。
背景技术
胃内球囊(IGB)是治疗肥胖症的方法之一。磁膨胀球囊胶囊(MIBC)是一种IGB，其球囊膨胀由嵌入式永磁体和外部永磁体之间的相互作用触发。MIBC的一个问题是，如果在MIBC位于食管内时触发膨胀，那么可能会造成损害。如果能够提供MIBC没有位于食管内的信息，则可以安全地使MIBC膨胀。然而，没有用于在体内跟踪可吞咽IGB的方法或系统。
然而，在内窥镜胶囊跟踪的研究中可以找到各种相关方法。基于电磁、磁力、视频、反射标记、超声波、X射线和伽马射线的定位为内窥镜胶囊跟踪提供了可行的解决方案。虽然由于尺寸限制，优选在胶囊中没有额外的组件，但利用嵌入式永磁体的磁定位是一种合适的方法。
典型的基于磁场的跟踪涉及求解逆磁体模型或利用正向磁体模型进行优化。然而，由于难以采用逆磁体模型，因此经常使用优化。与优化相关的挑战包括对传感器数量和计算强度的要求。由于跟踪精度取决于所采用的传感器数量，因此通常需要许多传感器。此外，许多传感器的优化需要大量的计算工作并导致低跟踪频率。
因此，需要这样的基于磁场的跟踪方法和系统：其克服现有技术的缺点并且更简单和更具成本效益，并且可以提供大的跟踪范围和快速的计算速度，适用于IGB体内跟踪。此外，结合附图和本公开的背景，从随后的详细描述和所附权利要求中，其他期望的特征和特性将变得显而易见。
发明内容
根据本实施例的至少一个方面，提供了一种基于磁传感器的跟踪系统，用于通过具有恒定磁场的环境跟踪装置。基于磁传感器的跟踪系统包括具有磁场生成设备的装置、一个或多个磁场感测设备和控制器。一个或多个磁场感测设备中的每一个在操作中被配置成在所述磁场生成设备穿过所述环境时位于所述磁场生成设备的预期路径的可感测范围内，所述预期路径包括多个区域。控制器耦合到一个或多个磁场感测设备并且在操作中被配置为利用一个或多个磁场感测设备的磁场感测通过以下方式跟踪所述环境内的所述装置：从所述一个或多个磁感测设备中的至少一个获得至少一个磁场读数；以及基于从预先获得的磁场模型获得的至少一个解集来计算所述装置在所述环境内的位置和取向。
根据本实施例的另一个方面，提供了一种用于跟踪磁性物体的方法。该方法包括：从第一磁场传感器获得磁场读数，以及在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述磁场读数，以获得搜索阈值内的解集。该方法还包括：基于所述解集来计算所述磁性物体的位置和取向；以及基于所述跟踪方法的所需使用或跟踪所述磁性物体所处的环境中的一者或两者，更新用于后续搜索的所述搜索阈值和所述瞬时搜索范围。
根据本实施例的另一方面，提供了一种计算机可读介质，用于利用一个或多个磁场感测设备的磁场感测来跟踪磁性物体。计算机可读介质存储用于处理器件执行以下操作的指令：从一个或多个磁场感测设备中的每一个获得磁场读数；以及在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索磁场读数，以获得在搜索阈值内的解集。该计算机可读介质还存储用于处理器件执行以下操作的指令：基于所述解集来计算磁性物体的位置和取向；以及基于跟踪方法的所需使用或跟踪磁性物体所处的环境中的一者或两者，来更新用于后续搜索的搜索阈值和瞬时搜索范围。
附图说明
附图用于说明各种实施例和解释根据本实施例的各种原理和优点，其中相同的附图标记在各个单独的视图中指代相同或功能相似的元件，并且附图与下面的详细描述并入并形成说明书的一部分。
图1描绘了根据本实施例的基于磁传感器的跟踪方法和系统的传感器布置相对于普通成年人的食管的图示。
图2描绘了根据本实施例的示例性基于磁传感器的跟踪系统的框图。
图3A、图3B和图3C描绘了根据本实施例的图2的示例性系统中的元件的照片，其中图3A描绘了用于嵌入磁膨胀胃内球囊胶囊中的示例性永磁体，图3B描绘了示例性传感器，并且图3C描绘了Arduino UNO和示例性传感器屏蔽。
图4，包括图4A和图4B，描绘了根据本实施例的食管搜索区域的图示，其中图4A描绘了显示瞬时和全局搜索范围的侧视图，图4B描绘了显示瞬时和全局搜索范围的3D视图。
图5描绘了根据本实施例的比例微分控制器搜索阈值调制器的电路图。
图6描绘了根据本实施例的根据本实施例的基于两个磁传感器的跟踪方法的流程图。
图7描绘了根据本实施例的用于测试基于磁传感器的跟踪方法和系统的跟踪精度的实验设置的照片。
图8，包括图8A和图8B，描绘了根据本实施例的通过图7的实验设置获得的机器人轨迹的图表，其中图8A描绘了在侧x-z平面中获得的轨迹的图表，并且图8B描绘了在前y-z平面中获得的轨迹的图表。
图9描绘了根据本实施例的用于等式(9)的比例微分调制器的α(z)的图表。
并且，图10，包括图10A至图10F，描绘了根据本实施例的笛卡尔坐标及其位置误差的原始估计结果和五个估计结果的平均值的图表，图10A描绘了z轴的原始估计结果和最后五次估计的平均值的图表，图10B描绘了z轴的原始估计结果的位置误差图和最后五次估计的平均值的图表，图10C描绘了x轴的原始估计结果和最后五次估计的平均值的图表，图10D描绘了x轴的原始估计结果的位置误差和最后五次估计的平均值的图表，图10E描绘了y轴的原始估计结果和最后五次估计的平均值的图表，并且图10F描绘了y轴的原始估计结果的位置误差和最后五次估计的平均值的图表。
熟练的技术人员将理解，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的并且不一定按比例描绘。
具体实施方式
下面的详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受限于本发明的前述背景或以下详细描述中提出的任何理论。本实施例的目的是提出方法和系统，以在磁膨胀球囊胶囊(MIBC)通过食管时跟踪其位置，直到确认食管内没有MIBC。此外，对于本实施例，提出了用于磁定位的实用且成本有效的方法和系统，包括利用嵌入在MIBC中的永磁体，以用于MIBC跟踪。
虽然传统的基于磁场的跟踪涉及求解逆磁体模型或利用正向磁体模型进行优化，但是根据本实施例的基于磁场的跟踪方法和系统既不涉及求解逆模型也不涉及优化。相反，根据本实施例的方法和系统依赖于通过预先获得的磁场阵列搜索传感器读数。与传统的方法和系统相比，这些方法和系统提供了大的跟踪范围和快速的计算速度，传统的方法和系统依赖于计算密集型优化，需要高性能计算机和大量传感器来求解逆磁体模型或优化正向磁体模型。此外，由于需要更少的传感器，根据本实施例的系统更简单且更具成本效益，从而提供可广泛用于临床和护理点使用的低成本和便携式系统。
体现根据本实施例的跟踪方法的系统包括一个或多个磁传感器和磁场一致且已知的跟踪物体。这些跟踪方法有利地实现了简单且低成本的系统，其中跟踪目标紧凑、节能且安全，因为它可以包括不需要任何电源或布线来发送电力的永磁体。此外，由于磁场在空气、水和人体等非铁磁介质中是一致的，因此该方法可用于多种环境中的各种应用。
下文讨论的实施例提出了一种用于仅使用两个磁传感器来体内跟踪具有嵌入在内部的永磁体的磁膨胀胃内球囊胶囊(即，MIBC)的方法。本领域的技术人员将认识到，下文描述的系统和方法可以用于其他基于磁场的跟踪应用，例如跟踪永磁体设备在运动流体中的运动(例如，在工业应用中通过流体流过管道)和其他生物和非生物环境。本领域的技术人员还将认识到，本实施例不限于两个传感器(例如，根据本实施例可以使用一个或多个传感器)，并且虽然永磁体可以提供成本效率和尺寸效率，磁体不限于永磁体并且可以例如由电磁铁来实现。
MIBC被吞咽并且被设计成通过接近位于身体外部并且在腹部附近的永磁体而在胃内膨胀。如果在MIBC仍在食管中时意外触发球囊膨胀，食管将会受损。因此，为了安全地使MIBC膨胀，根据本实施例的基于磁场的跟踪方法和系统跟踪MIBC沿食管的位置，以确认MIBC何时通过食管。为了克服传统的基于磁传感器的跟踪系统往往体积庞大且成本高昂的缺点，因为它们涉及使用许多磁传感器进行计算密集型优化，已经为根据本实施例的方法和系统开发了一种算法，该算法通过使用网格搜索结合动态限制的搜索范围和搜索阈值调制来估计永磁体在MIBC内的位置。
为了确认MIBC是否通过和离开食管，确定仅需要沿吞咽方向(即，沿z轴)的位置。因此，根据本实施例的算法专注于沿z轴的一维跟踪，并且与传统的基于磁传感器的跟踪系统高达4mm的平均误差相比，有利地实现了3.48mm的平均一维位置误差。
参考图1，图示100描绘了根据本实施例的基于磁场的跟踪系统和方法的即将进入食管120的MIBC 110和两个传感器130、140。根据本实施例的系统利用两个3轴磁传感器130、140来跟踪磁体的质心位置，该磁体在搜索体积内的所有可能位置和取向处的磁场是已知的。MIBC 110在它进入普通成人的食管120之前被示出，其中普通成人的食管尺寸对于颈段食管120a为50mm，对于上胸段食管120b为100mm，对于中胸段食管120c为150mm，并且对于下胸段食管120d为250mm。在穿过食管120并穿过食管胃(EG)结合部120e之后，MIBC 110将在胃150中膨胀。
磁体磁场的x、y和z分量的每个组合都与磁体位置和取向的某些组合相关联。因此，通过从预先计算的磁场值表中搜索并找到由传感器130、140获得的磁场值来估计MIBC110中的磁体的位置和取向。根据本实施例的系统和方法，传感器130、140放置在患者的前面和后面。
当传感器位于上胸段食管120b和中胸段食管120c或上肺胸腔之间时，可以通过覆盖传感器130、140水平面上方至少100mm和下方150mm来实现对整个食管120的跟踪。考虑到上肺胸腔周围的典型身体厚度，有必要将传感器放置至少相隔200mm。
图2中示出了根据本实施例的示例性系统设置的框图200。传感器130、140为来自日本罗姆半导体(Rohm Semiconductor)的BM1422AGMV三轴磁传感器，灵敏度为0.042μT。采样频率设置为100Hz，并且每个传感器130、140通过来自罗姆半导体的SHIELD-EVK-001传感器扩展板(sensor shield)206、208连接到相应的来自意大利的Arduino的Arduino UNO板202、204。传感器数据通过USB串行端口从Arduino UNO 202、204传输到具有英特尔i7-7500U 2.7GHz CPU的笔记本电脑210。示例性系统中的目标MIBC具有来自日本MisumiGroup Inc.的N40级钕轴向磁化环形磁体220，其具有8mm的外径、3mm的内径和3mm的厚度。参考图3A、图3B和图3C，照片300、330、350描绘了示例性系统的各种组件，其中照片300描绘了永磁体220，照片330描绘了传感器130、140，而照片350描绘了Arduino UNO板202、204和传感器屏蔽206、208的组合。
由于MIBC中除了永磁体220之外没有其他磁性材料，所以发射的磁场是一致的并且可以用于跟踪。为了创建永磁体220的磁场表，使用了由与Mathematica接口的欧洲同步辐射中心(European Synchrotron Radiation Facility)创建的Radia电磁分析软件包。Radia使用边界积分法和解析表达式计算磁场，提供比简单的解析模型更准确的数据，和比有限元法(FEM)更快的计算速度。尽管可以使用包括FEM在内的更准确的方法实现更准确的跟踪，但在根据本实施例的系统和方法中使用Radia，因为生成的数据相当准确并且减少了创建大的磁场表的时间。Radia生成的磁场数据足够准确，可以实现基于电磁体的触觉设备和磁悬浮设备控制的实时物理模拟。
根据本实施例的跟踪算法的初始步骤是对传感器读数应用恒定偏移来达到消除恒定背景磁场的影响的目的。在每次计算迭代中，使用网格搜索通过预先计算的磁场表来搜索传感器获得的磁场矢量。该搜索是针对每个传感器单独执行的。MIBC位置和取向的所有发现集都存储在Pj中。下标j(可以等于1或2)分别用于表示传感器1 130和传感器2 140。所提出的跟踪方法可以表示如下：
找到所有集合
Pj＝[x∈Rx y∈Ry z∈Rz θp∈Rp θr∈Rr]
使得
其中x、y和z表示笛卡尔坐标，θp和θr表示目标磁体的俯仰角和滚动角。由于磁体具有环形形状，因此可以用这五个变量表示六维位置和取向。选择笛卡尔坐标系而不是其他坐标系，以在整个搜索空间中均匀地设置搜索网格，并有助于传感器130、140的搜索网格对齐以供以后计算。虽然z位置是主要兴趣点，但定位需要所有其他位置和旋转。Rx、Ry、Rz、Rp和Rr分别是x、y、z、θp和θr的搜索范围。Bmodel(x,y,z,θp,θr)是搜索范围内的模型计算磁场矢量，是三轴磁传感器130、140所感测到的磁场矢量，/>是模型和传感器130、140之间可接受误差的阈值磁场矢量。所有的磁场矢量都具有x、y和z分量：
然后，提取P1和P2的重叠集：
Poverlap＝P1∩P2 (3)
考虑到传感器未对准和估计误差，如果所有分量的差值都在阈值Pthresh以内，则判断一组P1和P2重叠。重叠集Poverlap可以写成：
其中N是检测到的重叠集数。对于每个分量，计算所有重叠集的平均值作为最终的估计结果：
参考图4A和图4B，侧视图图示400和后视图450描绘了MIBC处于食管120内的第一位置110a和第二位置110b以及进入胃150的第三位置110c。如果覆盖整个食管从颈段食管120a(图1)一直到胃部150(表示为RGx、RGy、RGz、RGp和RGr，分别用于x、y、z平移和俯仰、滚动旋转)的整个感兴趣的搜索范围或全局搜索范围410用于上述等式(1)中的搜索范围，该算法变得计算量大并且可能无法实现实时跟踪。此外，定位可能会变得不准确，因为可能的解决方案可能会遍布整个搜索空间。为了避免这些问题，根据本实施例引入瞬时搜索范围420(表示为RIx、RIy、RIz、RIp和RIr)。首先，RGz被细分为三个区域，如图示450所示：区域0 452、区域1 454和区域2 456。在每个计算迭代k处为每个区域分配特定的RIz和RIp。对于所有其他区域，全局搜索范围410用作瞬时搜索范围420(即，RIx＝RGx、RIy＝RGy和RIr＝RGr)。
下面提供每个区域的详细解释。
区域0 452(图4B)仅用于识别第一估计。对于z位置，由于在吞咽时MIBC总是从搜索体积的顶部进入，因此只有全局搜索范围410顶部附近的区域是感兴趣的。由于吞咽速度有限，MIBC的z位置是有界的。此外，由于食管的几何形状，MIBC的取向或俯仰角可能会受到限制。因此，瞬时搜索范围RIz和RIp写为：
RIz＝[ztop,ztop+vmaxΔt]∈[ztop,z0]
RIp＝[0,θp,max] (6)
其中ztop是z搜索范围的最高端，vmax是吞咽的最大速度，z0是第一个估计的z位置，θp,max是食管的最大倾斜角，并且Δt是迭代之间的时间步长。
区域1 454(图4B)是从根据本实施例的算法估计的MIBC的第一位置开始并覆盖直到食管胃(EG)结合部120e(图1)的区域。在我们的方法中，EG结合部的z位置(zEGJ)需要在没有任何图像引导的情况下确定。因此，它可能会稍微偏离真实位置。因此，区域1 454在假定EG结合部120e所在的位置上方某个距离d处结束，以确保区域1 454仅包含食管。用于下一次估计的可能的瞬时搜索范围420是根据一次计算迭代中的当前位置和取向以及最大可能的平移和旋转来计算的。将计算出的瞬时搜索范围420与食管内的最大平移和旋转进行比较，以避免超过它们的限值。区域1 454中的瞬时搜索范围420如下：
RIz＝[zk-zunc,zk+vmaxΔt+zunc]∈[z0,zEGJ-d]
RIp＝[θp,k-φR1-θp,unc,θp,k+φR1+θp,unc]∈[0,θp,max] (7)
其中zk和θp,k是第k次迭代的zest和θp,est。zunc和θp,unc是由于估计误差引起的不确定性，而φR1是常数，表示食管内一次计算迭代期间可能的俯仰旋转角度。
区域2 456从区域1 454的末端开始，区域1 454在估计EG结合部120e所处的位置上方d处。然而，根据个体的食管尺寸，MIBC可能位于胃内(超过EG结合部120e)。因此，MIBC的取向可以是任何取向，并且需要更宽的俯仰搜索范围。对于z轴平移，假设患者的身体是直立的，MIBC可以由于重力而加速。因此，瞬时搜索范围420变为：
RIp＝[θp,k-φR2-θp,unc,θp,k+φR2+θp,unc]∈[0,π] (8)
其中是zk的时间导数，g是重力常数，zbottom是z搜索范围的最低端，φR2是表示胃内一次计算迭代期间可能的俯仰旋转角度的常数。
影响定位性能的一个重要参数是搜索阈值在每次定位迭代中，每个传感器130、140将从等式(1)中找到一定数量或nj组解。发现当/>为常量时，nj会变得过小或过大。当nj过小时，有可能找不到重叠，跟踪可能会失败。另一方面，当nj过大时，由于计算量大，实时跟踪会失败。此外，根据经验发现存在如下趋势：nj会随着MIBC 110中磁体220(图2)的z位置而变化。此外，由于Bmodel和/>之间的差值随着感应到的磁场幅度更大而增加，/>也需要根据/>进行调整。为了适应所有的发现，控制/>(/>在第k+1次迭代)，以便使用以下比例微分控制器型搜索阈值调制器来检测正确数量的解集：
ej,k＝ntarget-nj,k
其中是第k次迭代时的/>是比例增益向量，它是高度z的函数，/>是第k次迭代的微分增益向量；α(z)是比例增益的z位置相关调制系数，并且β是微分增益的调制系数；ej,k为目标集数ntarget与第k次迭代时的检测集数nj,k之间的误差；/>是ej,k的时间导数；tk和tk-1分别是第k次和第k-1次迭代的时间。
参考图5，电路图500描绘了比例微分控制器型搜索阈值调制器，其中和分别是没有迭代下标的比例和微分增益向量。首先，计算515ntarget505和nj510之间的差值。差值(ej)520随后用于计算/>535的比例项525和导数项530。然后，这两项525、530和/>535求和540以在下一次迭代中获得/>其用于搜索算法545以获得Pj550和nj510。
重叠阈值Pthresh在定位过程中也起着重要作用。由于传感器轴未对准和定位误差，即使P1和P2包含几乎相同的解集，也可能检测到没有重叠。为避免此类问题，引入了阈值Pthresh，如果所有分量的差值都在阈值内，则认为集合重叠。Pthresh具有x位置、y位置和z位置以及俯仰取向和滚动取向的五个分量，如下所示：
Pthresh＝[Pthresh,x Pthresh,y Pthresh,z Pthresh,p Pthresh,r] (10)
在第k+1次迭代时Pthresh的选择，Pthresh,k+1，取决于当前z位置zk，检测到的解数n1,k和n2,k，以及检测到的重叠数N。
两个阈值的所有参数都可以通过实验确定(通过反复试验)，所用的值在下文中给出。综上所述，根据本实施例的基于两个磁传感器的跟踪方法的整体流程如图6所示。图6描绘了包括初始化部分610、定位部分620和更新部分630的流程图600。
最初，每个传感器130、140的读数被归零或偏移612，并且预先获得的磁场表Bmodel(x,y,z,θp,θr)被加载614。在定位部分620，获得622新的传感器读数Bsensor,j。在步骤624，对于每个传感器130、140，在预先获得的磁场表中搜索在步骤622获得的传感器值。根据本实施例，步骤624将包括找到对于x、y、z、θp、θr的所有瞬时搜索范围420满足|Bmodel(x,y,z,θp,θr)-Bsensor,j|≤Bthresh,j的Pj＝[x,y,z,θp,θr]。在步骤626，提取P1和P2的重叠集合，其中P1和P2的所有分量的差值都在Pthresh内。然后，在步骤628，通过取每个分量x、y、z、θp、θr的平均值，根据等式(5)计算目标物体(即，具有永磁体220的MIBC 110)的位置和取向。
由步骤632、634和636组成的更新部分630在步骤622获得新的传感器读数之前更新各种参数。在步骤632，通过比例微分控制器型搜索阈值调制器500根据等式(9)更新搜索阈值Bsensor,j。在步骤634，基于预定条件更新重叠阈值Pthresh。并且在步骤636，根据等式(6)至(8)更新瞬时搜索范围420。
参考图7，照片700描绘了根据本实施例的一种实验设置，其用于测试基于两个磁传感器的跟踪方法和系统的位置跟踪精度。两个磁性传感器730、740以200mm的距离放置在铝框710上并且它们被具有40mm厚度的猪肋骨720a、720b覆盖。照片750中显示了具有40mm厚度的猪肋骨720之一。猪肋骨720a、720b放置在传感器730、740的前面，以模拟实际的生物环境，根据本实施例的包括永磁体727的MIBC 725附接在机器人手臂765的尖端760。机器人手臂765是来自瑞士ABB的IRB 120机器人手臂，并被编程为在传感器730、740之间的食管形路径770中移动附接的MIBC 725.
虽然理论上预计人体不会扭曲磁场，但传感器730、740通过猪肋骨720a、720b与MIBC 725分开，猪肋骨720a、720b是具有骨骼的生物组织以模拟接近实际生物环境的条件。食管形路径770是机器人使用的轨迹，并被编程为基于通过将电磁跟踪器插入人体躯干模型所测量的轨迹来移动机器人手臂765。然而，由于食管形路径770的长度约为200mm，所测量的轨迹被延长以模拟通过普通成人食管并超出EG结合部120e(图1)并进入胃150的路径。此外，由于胃150通常位于身体的左侧，因此为轨迹的延伸部分添加了食管形路径770的y分量。虽然轨迹是从鼻子开始的，但它仍然适合我们的实验，因为跟踪只从颈部开始。
参考图8A和图8B，图表800、850分别描绘了获得的机器人轨迹810、860的前视图(x-z平面)和侧视图(y-z平面)。已经表明，在食管中部120c，食管蠕动的速度可以达到50mm/s一样快。因此，机器人的速度设置为50mm/s。为了最小化机器人手臂765产生的磁场的影响，机器人尖端760被伸出并且沿着轨迹的背景磁场被预先测量并从传感器读数中减去。
选择用作全局搜索范围410的表614(图6)中的预先计算的磁场数据Bmodel的x、y和z范围，使得它们包含具有一些边缘的整个食管。相对于传感器730、740的中心，x范围从50mm到150mm预先计算，y范围从-100mm到100mm预先计算，z范围从-150mm到150mm预先计算。就全局框架而言，其中/>从食管815顶部上方20mm处开始，结束于EG结合部120e下方30mm。尽管缩小/>和/>的范围可以减少计算负担，但据观察，对于较窄的范围，跟踪变得不一致。整个旋转范围都是感兴趣的；因此，预先计算了从0到π的俯仰值和从0到2π的滚动值(/>以及)。所有平移和旋转的增量大小分别设置为10mm和π/18。
瞬时搜索范围的参数确定如下。图1的图示100以及图4A和图4B的图示400、450中的解剖结构指示的食管120的长度是250mm。根据本实施例，确定垂直传感器位置以使全局搜索范围410覆盖食管810顶部上方20mm和食管120e末端下方30mm。因此，使用值zEGJ＝270mm。对于d，任意选择20mm的值。虽然d可以是任何值，但它只是定义区域1 454和区域2456之间的边界，并且微小的差异不会显著影响根据本实施例的方法和系统的整体跟踪性能。虽然实验中机器人手臂765的速度设置为50mm/s，但使用vmax＝100mm/s来确保MIBC 725的速度保持在vmax以下。由于测试轨迹中的最大倾斜角约为π/9，因此食管的最大倾斜角θp,max设置为π/6。对于俯仰旋转边界，使用了φR1＝π/18和φR2＝9。此外，对于不确定性，考虑到预先计算的磁场的增量大小，选择zunc＝10mm和θp,unc＝π/18。
对于等式(9)的比例微分调制器，通过手动调整值直到nj变得稳定，通过反复试验确定α(z)和β。对于两个传感器，β的值被设置为0.01并且α(z)的值在食管内随高度z变化，如图9中的图表900所绘。最后，为了平衡计算时间和跟踪精度，ntarget被选择为200。
Pthresh的每个分量的选择基于下面表1中总结的条件。所有条件都是通过反复试验确定的。我们选择Pthresh的值，使得N落在100到500之间，以实现实时跟踪。实验确定，当滚动角的阈值比其他分量的阈值高两倍时，跟踪稳定。当满足多个条件时，表1顶部的条件被优先考虑。
表1
根据本实施例的基于磁传感器的跟踪系统沿着食管轨迹的实时z位置跟踪结果在图10A中的图表1000中示出。绘图1002指示嵌入在MIBC内的磁体的质心位置。虽然原始估计z位置1004遵循真实位置1002的趋势，但估计1004经常偏离真实值1002。为了消除频繁偏差，为每个估计数据点计算最后五个估计1006的平均值，并且其还被绘制在图表1000中。
对于前四个估计，使用可用估计的最大数量的平均值。与原始估计结果1012相比，由前五次位置误差估计1014的平均值指示的总体估计误差变得更小，如图10B中的图表1010所示。平均绝对误差从4.16mm改善到3.48mm。在实验设置中，超过270mm的跟踪被认为在胃150内部。即使有3.48mm的误差，只要估计的z位置超过273.48mm，MIBC 110就会在胃150内部。因此，3.48mm z跟踪误差对于临床应用来说应该足够小。
除了z位置跟踪之外，还研究了x和y位置跟踪性能，以评估所提出方法的跟踪能力。x的原始估计结果1022、真实值1024和最后五个估计的平均值1026以及y的原始估计结果1042、真实值1044和最后五个估计的平均值1046分别绘制在图表1020(图10C)和1040(图E)中。此外，x的原始估计结果1032和前五次位置误差估计的平均值1034以及估计误差的原始估计结果1052和前五次位置误差估计的平均值1054分别绘制在图表1030(图10D)和1050(图F)中。获得原始估计数据1022、1042的平均绝对误差对于x轴和y轴分别为5.20mm和10.12mm。在取最后五次估计1026、1046的平均值后，平均绝对误差减少到4.49mm和8.54mm。表2总结了每个轴的原始估计结果的平均绝对误差和最后五次估计的平均值。
表2
使用配备英特尔i7-7500U 2.7GHz CPU的笔记本电脑，该系统实现了50到70Hz的跟踪频率。因此，根据本实施例的方法和系统，PC可以降级以降低成本，同时仍然实现基于磁场的实时跟踪。虽然根据本实施例的方法和系统对基于磁场的MIBC跟踪的适用性已在本文中通过实验显示，但上文提供的参数提供了一种方法和系统，仅限于在上肺胸腔处的胸部厚度小于200mm的患者(即，上胸段食管120b和中胸段食管120c(图1)之间)。此外，本文提供的实验设置和实验参数仅在长度短于250mm时才能够垂直覆盖整个食管。然而，本领域的技术人员将认识到，可以根据本实施例的方法和系统通过采用更高分辨率的磁传感器130、140来实现对不同胸部厚度和更远距离的跟踪的应用。
此外，虽然搜索阈值独立于或可忽略地依赖于本文实验结果中x和y的变化，这可能是因为轨迹的z运动范围很大而x和y运动范围很小。对于x和y运动或取向变化显著的其他应用，根据本实施例的方法和系统的比例微分调制器可能需要依赖于那些变量。
此外，对于上文所讨论的实验设置，假定物体在吞咽MIBC 110时处于直立位置并且针对直立位置调整瞬时搜索范围420的条件。然而，根据本实施例的方法和系统的算法不受患者位置的限制。如果患者处于仰卧位，则跟踪将更简单，因为MIBC 110因重力的加速将在区域2 456中的z方向上消失。
在表3中，将根据本实施例的方法和系统的基于磁场的跟踪系统与采用类似磁体尺寸的其他基于磁传感器的跟踪系统进行了比较。由于跟踪精度在很大程度上取决于传感器的数量、永磁体的尺寸和跟踪体积，表3中的每个条目还包括平均误差。尽管根据本实施例的方法和系统实现了相对较低的精度，但平均绝对误差为3.48mm足以确认MIBC 110不再位于食管120内，如上文所讨论的。根据本实施例的方法和系统通过仅使用两个磁传感器130、140实现对生物环境中的永磁体220的实时跟踪的能力，有利地呈现用于生物环境中基于磁场的跟踪的简单解决方案。
表3
实验结果表明y轴的位置精度比z轴和x轴的位置精度低大约两倍。根据本实施例的方法和系统，为了提高y跟踪精度并实现更准确的三维位置跟踪，可以将附加传感器引入传感器布置中以获得最佳三维跟踪精度。
因此，可以看出，本实施例提供了一种更简单、更不复杂、更便宜的方法和系统，用于在诸如生物环境的环境中进行基于磁场的跟踪。根据本实施例，用于对内部嵌入永磁体的MIBC 110进行基于两个磁传感器的定位的方法和系统。根据本实施例的方法和系统，通过跟踪MIBC 110沿着食管120的z位置并确认MIBC 110不再位于食管120内，可以实现MIBC110的安全膨胀。通过从预先计算的永磁体磁场表中搜索传感器获得的值来估计永磁体220。根据本实施例的方法和系统，通过有利地使用从食管120的解剖学和物理边界获得的动态调整的搜索范围，可以实现准确且稳健的跟踪。此外，根据本实施例，类似比例微分控制器的调制器有益地控制搜索阈值。
根据本实施例的方法和系统的跟踪精度使用模拟生物环境中MIBC吞咽过程的设置(图7)进行评估。所达到的准确性表明根据本实施例的方法和系统可用于实时跟踪食管120内的MIBC 110并实现MIBC 110在胃150内的安全膨胀。
虽然示例性实施例已经在本实施例的前述详细描述中呈现，但是应当理解，存在大量的变化。还应当理解，示例性实施例仅是示例，并不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性、操作或配置。相反，前面的详细描述将为本领域的技术人员提供实施本发明的示例性实施例的方便路线图，应当理解，可以在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下对示例性实施例的功能和步骤布置以及操作方法进行各种改变。

Claims (21)

1.一种基于磁传感器的跟踪系统，用于通过具有恒定磁场的环境来跟踪装置，该基于磁传感器的跟踪系统包括：
所述装置，其包括磁场生成设备；
一个或多个磁场感测设备，其中所述一个或多个磁感测设备中的每一个在操作中被配置成在所述磁场生成设备穿过所述环境时位于所述磁场生成设备的预期路径的可感测范围内，所述预期路径包括多个区域；以及
控制器，其耦合到所述一个或多个磁感测设备中的每一个，所述控制器在操作中被配置为利用所述一个或多个磁感测设备的磁场感测，以通过以下方式跟踪所述环境内的所述装置：
从所述一个或多个磁感测设备中的至少一个获得至少一个磁场读数；以及
基于从预先获得的磁场模型获得的至少一个解集来计算所述装置在所述环境内的位置和取向，所述至少一个解集响应于所述至少一个磁场读数和搜索阈值而生成。
2.根据权利要求1所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述磁场生成设备是永磁体。
3.根据权利要求1所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述磁场生成设备是电磁铁。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述环境是生物环境。
5.根据权利要求4所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述生物环境是人或动物的体内环境并且所述体内环境包括食道。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述装置是磁膨胀胃内球囊胶囊(MIBC)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述控制器在操作中被配置为通过搜索所述预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围的搜索阈值内的所述至少一个磁场读数来生成所述预先获得的磁场模型的至少一个解集，以获得所述至少一个解集。
8.根据权利要求7所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，全局搜索范围包括所述装置在所述多个区域内的所有可能位置和取向，并且其中所述控制器在操作中进一步被配置为基于所述环境和/或所述基于磁传感器的跟踪系统的所需使用将所述瞬时搜索范围定义为所述全局搜索范围的预定子区域。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述控制器在操作中进一步被配置为通过确定用于在三维空间中定位所述装置的坐标、所述装置的俯仰旋转或所述装置的滚动旋转中的一个或多个来计算所述装置的位置和取向。
10.根据权利要求9所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，用于在三维空间中定位所述装置的所述坐标包括三个笛卡尔坐标。
11.根据任意前述权利要求所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述一个或多个磁场感测设备包括第一磁感测设备和第二磁感测设备，其中所述第一磁感测设备和第二磁感测设备在操作中被配置为当所述磁场生成设备穿过所述环境时相对于所述磁场生成设备的预期路径布置，以便于基于所述第一磁场感测设备和所述第二磁场感测设备的磁场感测来跟踪所述装置。
12.一种磁性物体的跟踪方法，包括以下步骤：
从第一磁场传感器获得磁场读数；
在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述磁场读数，以获得搜索阈值内的解集；
基于所述解集来计算所述磁性物体的位置和取向；以及
基于所述跟踪方法的所需使用或跟踪所述磁性物体所处的环境中的一者或两者，更新用于后续搜索的所述搜索阈值和所述瞬时搜索范围。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，获得所述磁场读数包括从所述第一磁场传感器和第二磁场传感器两者获得所述磁场读数，并且
其中，搜索所述磁场读数包括：在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索来自所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器的磁场读数，以获得在所述搜索阈值内的解集。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
提取重叠解集，所述重叠解集包括通过在搜索阈值内的预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述第一磁场传感器的磁场读数获得的第一解集和通过在搜索阈值内的预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述第二磁场传感器的磁场读数获得的第二解集的所有分量的差值，其中所述所有分量的差值在重叠阈值内；
基于所有重叠解集的每个分量的平均值来计算所述物体的位置和取向；以及
基于所述跟踪方法的所需使用或跟踪所述磁性物体所处的环境中的一者或两者来更新所述重叠阈值。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中，获得磁场读数包括：在获得磁场读数之前应用预定的恒定偏移以去除背景磁场。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其中，在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述磁场读数包括：在全局搜索范围的预定子区域内搜索所述磁场读数以获得在搜索阈值内的解集，其中所述全局搜索范围包括所述磁性物体的所有可能的位置和取向。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述全局搜索范围的所述预定子区域基于所述跟踪方法的所需使用或跟踪所述磁性物体所处的环境中的一者或两者。
18.根据权利要求12至17中的任一项所述的方法，其中，所述搜索阈值包括所述预先获得的磁场模型和磁场读数之间的可接受误差。
19.根据权利要求12至18所述的方法，其中，在所述预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述磁场读数包括：确定用于在三维空间中定位所述磁性物体的坐标、所述磁性物体的俯仰旋转或所述磁性物体的滚动旋转中的一个或多个。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，用于在三维空间中定位所述装置的所述坐标包括三个笛卡尔坐标。
21.一种计算机可读介质，用于利用一个或多个磁场感测设备的磁场感测来跟踪磁性物体，所述计算机可读介质存储用于处理器件执行以下操作的指令：
从所述一个或多个磁场感测设备中的每一个获得磁场读数；
在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述磁场读数，以获得在搜索阈值内的解集；
基于所述解集来计算所述磁性物体的位置和取向；以及
基于所述跟踪方法的所需使用或跟踪所述磁性物体所处的环境中的一者或两者，来更新用于后续搜索的所述搜索阈值和所述瞬时搜索范围。
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