一種具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)。本發(fā)明手術導航子系統(tǒng)由慣性導航模塊實現(xiàn)，其包含三軸加速度計、三軸陀螺儀及三軸磁強計三種傳感器。依托微機電技術，導航子系統(tǒng)可集成至內窺鏡的手柄內，使內窺鏡自身即具備定位功能。在定位算法中，通過適當的抗干擾處理，降低外部磁場及內窺鏡運動帶來的定位誤差，提高定位的穩(wěn)定性與準確性。
【專利說明】-種具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機輔助的內窺鏡手術導航【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 隨著現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展，W內窺鏡系統(tǒng)為主要實施工具的微創(chuàng)手術得到了廣泛的認 可與快速的普及。為了更好地達到微創(chuàng)的目的，醫(yī)生必須精確的獲取當前內窺鏡的姿態(tài)及 位置，故常常需要借助手術定位與導航技術。因此，現(xiàn)代內窺技術與醫(yī)學導航技術是相輔相 成的，在手術期間也常常需要同時兩套系統(tǒng)相互配合。
[0003] 中國專利CN200910198524號公開了一種《將手術導航系統(tǒng)與內窺鏡系統(tǒng)結合的 裝置及其應用》，該專利給出了一種將光學定位系統(tǒng)與內窺鏡相結合的方法：通過特殊的機 械結構，將光學定位球固定于內窺鏡手柄上。在使用過程中，需通過攝像機組對光學定位球 進行跟蹤，從而對內窺鏡定位的目的。
[0004] 上述專利在實際應用中存在如下問題：一、機械結構的引入導致內窺鏡手柄部分 的體積大大增加，可能會對正常的內鏡操作帶來影響。二、光學定位在原理上需要保證攝像 機與定位球之間存在無遮擋的視線，該條件將限制系統(tǒng)的定位范圍，可能產生多個不可定 位區(qū)域。H、光學定位在原理上需要借助多個攝像機完成定位任務，該將會給手術室?guī)聿?必要的空間壓力。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，提供一種具備抗干擾能力的帶有 手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)。
[0006] 首先，該系統(tǒng)通過將由慣性導航模塊構成的定位子系統(tǒng)集成于內窺系統(tǒng)內部，克 服了定位子系統(tǒng)對內鏡操作的影響，且消除了光學定位中的不可定位區(qū)域，同時也避免了 光學定位帶來的空間壓力。另一方面，對于慣性導航自身而言，工作空間中的電子設備及鐵 質器械W及內窺鏡的非慣性運動都會直接影響到定位的精度與穩(wěn)定性，因此本發(fā)明在算法 實現(xiàn)部分，提供相應的抗干擾設計，W提高定位的魯棒性。
[0007] 本發(fā)明提供的具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)包括，內窺鏡和 負責控制與定位解算的上位機，在所述內窺鏡手柄內預留有導航模塊安裝平臺，借助微機 電極小化后安裝于內窺鏡手柄內部安裝平臺上的慣性導航模塊，慣性導航模塊包含H軸加 速度計、H軸巧螺儀和H軸磁強計H種傳感器，W及帶有無線通信功能的片上系統(tǒng)和微型 天線，片上系統(tǒng)采集H種傳感器輸出的傳感數據，并依靠微型天線將傳感數據發(fā)送給上位 機；所述的上位機包括電腦、帶有無線通信功能的片上系統(tǒng)、W及天線，帶有無線通信功能 的片上系統(tǒng)通過天線接收慣性導航模塊輸出的傳感數據，并將傳感數據打包傳輸給電腦， 電腦通過已設計好的定位算法進行定位解算。
[0008] 所述電腦中的定位算法具備抗干擾能力，能夠抑制磁場崎變W及內窺鏡非慣性運 動帶來的傳感器輸出噪聲；當通過地磁矢量與比力矢量對內窺鏡的姿態(tài)進行收斂時，將地 磁矢量輸出的相對誤差W及比力矢量輸出的相對誤差作為收斂觀測函數的權重，W調整收 斂方向，自適應地獲取姿態(tài)收斂結果；通過巧螺儀及加速度計的輸出將比力矢量分解為線 性加速度、重力加速度及向也加速度H項，并通過對線性加速度進行二次積分，獲取位置結 果。
[0009] 具體實施上，本方法將傳統(tǒng)用于載體導航的慣性導航系統(tǒng)應用于手術定位領域。 將由H軸巧螺儀、H軸加速度計和H軸磁強計組成的微機電慣性傳感單元固定于內窺鏡手 柄內部，W獲取傳感數據。傳感數據再通過無線通信方式傳輸給上位機，上位機通過算法實 現(xiàn)，進行全維度定位。定位算法可大致分為兩步。第一步，通過巧螺儀輸出對姿態(tài)進行更新， 并通過加速度計輸出與磁強計輸出對姿態(tài)四元數進行收斂。收斂過程中，通過測量加速度 計輸出及磁強計輸出的相對誤差，控制加速度矢量及地磁矢量在收斂過程中的權重，W得 到具備抗噪特性的自適應姿態(tài)結果。第二步，基于已得到的姿態(tài)結果，W及加速度計和巧螺 儀的輸出，通過構建剛體運動方程，對H維度的位置進行解算。該部分并未直接利用地磁測 量結果，故可進一步避免可能的磁干擾。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：
[0011] 針對已公開專利存在的瓶頸，本發(fā)明將慣性傳感引入醫(yī)學導航領域，并將借助微 機電技術極小化的慣性傳感模塊安裝至內窺鏡手柄內部。通過加速度、巧螺儀及磁強計實 時測量比力、角速度及地磁矢量；被采集的傳感器數據通過無線通信發(fā)送給上位機，并通過 算法解算得到內窺鏡的實時姿態(tài)與位置。
[0012] 本發(fā)明將導航系統(tǒng)嵌入至內窺系統(tǒng)內部，并不會改變內窺鏡的外形，故防止了導 航系統(tǒng)對內窺系統(tǒng)的影響。同時，慣性導航并不存在光學定位中的視線需求，且無需再布置 外圍設備（如光學定位系統(tǒng)中的攝像機組等），減輕了手術室的空間壓力。
[0013] (1)克服傳統(tǒng)手術導航方法的臨床困難。傳統(tǒng)手術導航方法包括光學定位與電磁 定位。前者有嚴格的視線要求，后者需嚴格控制工作空間的電磁干擾源。該兩點在實際的 手術環(huán)境是難W達到的。然而，慣性導航能夠有效的避免該些問題：一方面，慣性系統(tǒng)在使 用中并不受到視線條件的限制；另一方面，多傳感信息的融合可降低系統(tǒng)對磁傳感的依賴， 借助有效的算法設計，系統(tǒng)對噪聲的響應可被進一步削弱。最終，可構建一套能夠用于全空 間范圍的輸出穩(wěn)定的手術定位系統(tǒng)。
[0014] (2)內窺系統(tǒng)與導航系統(tǒng)相互不干擾。由于在本裝置中，導航系統(tǒng)被安裝在內窺鏡 系統(tǒng)的內部，并不會改變內窺鏡的外形，因而不會對醫(yī)生的操作帶來不便。同時，內窺系統(tǒng) 可W在全空間任意運動，并不會存在光學定位系統(tǒng)中遮擋觀察視線的問題。
[0015] (3)抗干擾能力強，魯棒性高。系統(tǒng)引入慣性傳感，通過信息融合技術提高系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。在融合過程中，通過觀察磁強計及加速度計輸出的相對誤差，考察信息源的可信 度。根據相對誤差大小，控制收斂的方向與程度，得到對噪聲自適應的最優(yōu)姿態(tài)解。綜上， 通過硬件與軟件層面的方法實現(xiàn)，盡可能的提高系統(tǒng)整體的魯棒性。
[001引 （4)實時性化適應性強。相對于已公開的具有抗噪特性的慣性定位方法，本方法 避免了復雜的濾波過程，降低算法復雜度，W獲得更好的實時性。與此同時，本方法并不需 要事先的標定過程，因而也避免了在更換使用環(huán)境時需重復標定的問題，提高了系統(tǒng)對不 同環(huán)境的適應性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是手術定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框架圖。
[0018] 圖2是導航單元的安裝方式示意圖，圖中，1為內窺鏡（局部），2為安裝于內窺鏡 手柄的慣性傳感單元。
[0019] 圖3是基于傳感融合的自適應跟蹤方法的整體流程圖。

【具體實施方式】
[0020] 實施例1 :
[0021] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡 系統(tǒng)包括，內窺鏡和負責控制與定位解算的上位機，在所述內窺鏡手柄內預留有導航模塊 安裝平臺，借助微機電極小化后安裝于內窺鏡手柄內部安裝平臺上的慣性導航模塊，慣性 導航模塊包含H軸加速度計、H軸巧螺儀和H軸磁強計H種傳感器，W及帶有無線通信功 能的片上系統(tǒng)和微型天線，片上系統(tǒng)采集H種傳感器輸出的傳感數據，并依靠微型天線將 傳感數據發(fā)送給上位機；所述的上位機包括電腦、帶有無線通信功能的片上系統(tǒng)、W及天 線，帶有無線通信功能的片上系統(tǒng)通過天線接收慣性導航模塊輸出的傳感數據，并將傳感 數據打包傳輸給電腦，電腦通過已設計好的定位算法進行定位解算。
[0022] 本發(fā)明在內窺鏡手柄組裝完成前，在其內部加工出一個尺寸與慣性導航模塊尺寸 一致，兩邊分別與內窺鏡鏡管平行或垂直的矩形凹槽，作為矩形的慣性導航模塊的安裝平 臺。
[0023] 本發(fā)明將慣性傳感器單元W特定方式固定于內窺鏡手柄內部，采用片上系統(tǒng)采集 傳感數據并通過無線通信傳輸給上位機。上位機通過本發(fā)明提出的算法進行6自由度的位 置解算，W實現(xiàn)對內窺鏡的實時定位導航。算法部分，通過H軸巧螺儀輸出對姿態(tài)進行初步 估計，并通過H軸磁強計和H軸加速度計輸出分別對姿態(tài)進行測量，收斂估計值，W獲取姿 態(tài)測量值。收斂過程中，磁強計輸出與地磁場的相對誤差及加速度計輸出與重力加速度的 相對誤差作為自適應因子，判斷噪聲的大小，調整收斂權重，得到自適應收斂結果。獲得實 時姿態(tài)結果后，分離加速度計的各輸出分量，W構建運動學微分方程。進而，解算線性加速 度分量，并對其關于時間進行數值積分，得到當前位置。
[0024] 一、系統(tǒng)硬件構成
[0025] 請見圖1所示，系統(tǒng)在硬件上分為兩個部分。第一部分為安裝于內窺鏡手柄內部 的傳感器單元；其由傳感器模組、無線發(fā)射模組及微型天線組成。傳感器模組包含H個微機 電傳感器，即加速度計、巧螺儀與磁強計。無線發(fā)射模組主要為一個帶有無線發(fā)射功能的片 上系統(tǒng)。第二部分為負責數據解算與顯示的上位機；其由通訊控制中也、無線發(fā)射模組及天 線組成。通信控制中也為本系統(tǒng)的中樞，負責系統(tǒng)控制與數據處理。無線接收模組也主要 由一個帶有無線發(fā)射功能的片上系統(tǒng)構成。
[0026] 請見圖2所示，在將導航系統(tǒng)安裝至內窺系統(tǒng)內部時，需要將兩套系統(tǒng)的坐標軸 進行嚴格對準。對準的原則的是：傳感器單元的X軸平行于內窺鏡工作鏡管，Z軸垂直于內 窺鏡工作鏡管且背向手柄的方向。為了達到對準目的，在內窺鏡手柄內部加工出矩形的凹 槽，其兩邊長與矩形的慣性導航模塊的兩邊長一致，作為慣性導航模塊的安裝平臺，安裝平 臺一邊平行于內鏡工作鏡管，一邊垂直于工作鏡管。呈矩形的傳感器單元電路板通過螺釘 固定于安裝平臺，其各邊分別與安裝平臺各邊對齊。為了保證傳感器單元電路板完全貼緊 與安裝平臺，電路板所有電子元件全部分部于電路板一面。
[0027] 二、系統(tǒng)工作流程
[0028] 系統(tǒng)工作時，無線發(fā)射模組通過特定通信方式，采集傳感器模組的輸出，并將其通 過微型天線向上位機發(fā)射。上位機的無線接收模組通過天線接收到數據后，再發(fā)送給通訊 控制中也，并由其進行解算，得到定位結果。例如，可W使用支持Zi濁ee協(xié)議的片上系統(tǒng)作 為無線發(fā)射模組與無線接收模組，并使用Zi濁ee協(xié)議作為系統(tǒng)兩部分之間的通信方式；W 臺式電腦作為通訊控制中也；無線發(fā)射模組與傳感器模組W I2C或SPI協(xié)議進行通信；無 線接收模組與通訊控制中也W USB協(xié)議進行通信。
[0029] H、自適應的姿態(tài)定位方法
[0030] 整體定位流程請見圖3所示。本發(fā)明使用重力矢量和地磁矢量對傳感器的姿態(tài)四 元數進行收斂。在收斂過程中，根據加速度計輸出與重力加速度的差異及磁強計輸出與地 磁強度的差異來分配權重因子。
[0031] 設，？為加速度計在載體坐標系的輸出，品為磁強計在載體坐標系的輸出；gn為 加速度計在參考坐標系的輸出，Hf為磁強計在參考坐標系的輸出。
[0032] 對于加速度計測量而言，相對于重力加速度，線性加速度與向也加速度為小量。線 性加速度與向也加速度的引入并不會明顯的影響比力的方向，比力的方向可基本認定為重 力加速度的方向。故，僅使用標量值構建相對誤差。即：

【權利要求】
1. 一種具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)，包括內窺鏡和負責控制 與定位解算的上位機，其特征在于在所述內窺鏡手柄內部預留有導航模塊安裝平臺，借助 微機電極小化后安裝于內窺鏡手柄內部安裝平臺上的慣性導航模塊，慣性導航模塊包含三 軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁強計三種傳感器，以及帶有無線通信功能的片上系統(tǒng)和 微型天線，片上系統(tǒng)采集三種傳感器輸出的傳感數據，并依靠微型天線將傳感數據發(fā)送給 上位機；所述的上位機包括電腦、帶有無線通信功能的片上系統(tǒng)、以及天線，帶有無線通信 功能的片上系統(tǒng)通過天線接收慣性導航模塊輸出的傳感數據，并將傳感數據打包傳輸給電 腦，電腦通過已設計好的定位算法進行定位解算。
2. 根據權利要求1所述的具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)，其特征 在于所述電腦中的定位算法具備抗干擾能力，能夠抑制磁場畸變以及內窺鏡非慣性運動帶 來的傳感器輸出噪聲；當通過地磁矢量與比力矢量對內窺鏡的姿態(tài)進行收斂時，將地磁矢 量輸出的相對誤差以及比力矢量輸出的相對誤差作為收斂觀測函數的權重，以調整收斂方 向，自適應地獲取姿態(tài)收斂結果；通過陀螺儀及加速度計的輸出將比力矢量分解為線性加 速度、重力加速度及向心加速度三項，并通過對線性加速度進行二次積分，獲取位置結果。
3. 根據權利要求1或2所述的具備抗干擾能力的帶有手術導航功能的內窺鏡系統(tǒng)，其 特征在于在內窺鏡手柄組裝完成前，在其內部加工出一個尺寸與慣性導航模塊尺寸一致， 兩邊分別與內窺鏡鏡管平行或垂直的矩形凹槽，作為矩形的慣性導航模塊的安裝平臺。
【文檔編號】A61B19/00GK104224089SQ201410465885
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權日:2014年9月15日
【發(fā)明者】陳曉冬, 杜承陽, 汪毅, 郁道銀 申請人:天津大學