一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法,其首先在當(dāng)前工作的發(fā)射線圈中的三軸線圈上各加載激勵(lì)信號(hào),使在其周圍產(chǎn)生交變電磁場(chǎng),每個(gè)接收線圈在感應(yīng)到交變電磁場(chǎng)后產(chǎn)生交變電信號(hào);然后對(duì)每個(gè)接收線圈產(chǎn)生的交變電信號(hào)進(jìn)行處理,得到對(duì)應(yīng)的無噪聲數(shù)據(jù);再根據(jù)無噪聲數(shù)據(jù)的幅值,確定每個(gè)接收線圈在被測(cè)物內(nèi)的位置和方向,實(shí)現(xiàn)柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位;最后根據(jù)每個(gè)接收線圈在被測(cè)物體內(nèi)的位置和方向,得到柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)變化以及鏡頭的行進(jìn)軌跡,實(shí)現(xiàn)柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的跟蹤;優(yōu)點(diǎn)是能夠跟蹤檢查柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的鏡頭的行進(jìn)軌跡和導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)變化,且能夠快速準(zhǔn)確地確定柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的目標(biāo)位置,此外對(duì)操作者無輻射。
【專利說明】-種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工業(yè)用內(nèi)窺鏡技術(shù),尤其是涉及一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定 位跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從內(nèi)窺鏡的發(fā)展及成像構(gòu)造上分為硬管式內(nèi)窺鏡和軟管式內(nèi)窺鏡。軟管式內(nèi)窺鏡 即柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡是一個(gè)配備有燈光的管子,可以利用其檢測(cè)硬管式內(nèi)窺鏡無法檢測(cè)的地 方,因此其在工業(yè)以及醫(yī)學(xué)上得到了廣泛的使用。在工業(yè)上,根據(jù)無損檢測(cè)和孔探技術(shù)的特 殊要求,一方面,柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡可用于高溫、有毒、核輻射及人眼無法直接觀察到的場(chǎng)所 的檢查和觀察,主要用于安防、安檢方面,以及汽車、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、管道、機(jī)械零件的檢修等, 可在不需拆卸或破壞組裝及設(shè)備停止運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè);另一方面,柔性導(dǎo)管內(nèi) 窺鏡還可與照相機(jī)、攝像機(jī)或電子計(jì)算機(jī)連接,組成照相、攝像和圖像處理系統(tǒng),從而進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)的監(jiān)視、記錄、貯存和圖像分析。在醫(yī)學(xué)上,可以利用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡檢測(cè)器官的 病變情況。
[0003] 柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡使用時(shí),由于其自身具有較柔軟、不易控制的特點(diǎn),因此會(huì)給操作 者控制柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡快捷、順利、平滑自如地到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)造成不便。為此,在使用柔性導(dǎo) 管內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢測(cè)時(shí),需要對(duì)柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡在觀測(cè)物中的位置進(jìn)行定位與跟蹤,操作者 根據(jù)定位得到的內(nèi)窺鏡的形態(tài)信息,通過其操作裝置控制和調(diào)節(jié)柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的前端鏡 頭和導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)方向,使柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡以合理的方式前進(jìn)或伸縮以便到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。
[0004] 目前,對(duì)于柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤,較為普遍的做法是X光影像提供柔性導(dǎo) 管內(nèi)窺鏡的位置形態(tài),即在檢測(cè)時(shí),利用X光投射內(nèi)窺鏡檢測(cè)的相應(yīng)部位,X光透視成像設(shè) 備接收?qǐng)D像,并將其顯示在屏幕上供操作者參考。顯然,這種方法需要持續(xù)間隔地進(jìn)行X光 照射,一方面,存在嚴(yán)重的X光射線損害問題,而為了減低X光射線對(duì)工作人員的危害,通常 要求工作人員背上笨重的X光射線隔離(鉛板)裝置,然而該裝置體積大,對(duì)工作人員的行 動(dòng)會(huì)造成嚴(yán)重的不便;另一方面,如果限制X光照射次數(shù),則會(huì)使觀測(cè)的連續(xù)性、實(shí)時(shí)性受 到限制;其次,X光透視成像設(shè)備只能產(chǎn)生二維投影圖像,缺乏深度信息,因此工作人員很 難在二維投影圖像下快速確定目標(biāo)位置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種無輻射的工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位 跟蹤方法,其能夠跟蹤檢查柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的鏡頭的行進(jìn)軌跡和導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)變化,且能夠 快速準(zhǔn)確地確定柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的形態(tài)信息和目標(biāo)位置。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定 位跟蹤方法,其特征在于包括以下步驟:
[0007] ①在被測(cè)物體所在空間內(nèi)的不同位置處各布置一個(gè)三軸正交的電磁線圈,并將這 些電磁線圈均作為發(fā)射線圈;在柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的外管壁上的不同位置處及在柔 性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的鏡頭上各布置一個(gè)三軸正交的電磁線圈,并將這些電磁線圈均作為接收線 圈,假設(shè)接收線圈中的三軸線圈的工作電流一致,且半徑一致;再將柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡置于被 測(cè)物體內(nèi);
[0008] ②假設(shè)當(dāng)前工作的發(fā)射線圈為第i個(gè)發(fā)射線圈,則在第i個(gè)發(fā)射線圈中的三軸線 圈上各加載正弦波交變電信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),使第i個(gè)發(fā)射線圈在其周圍產(chǎn)生交變電磁 場(chǎng),此時(shí)每個(gè)接收線圈在感應(yīng)到交變電磁場(chǎng)后產(chǎn)生交變電信號(hào),其中,I < i < I',I'表示 在被測(cè)物體所在空間內(nèi)布置的發(fā)射線圈的總個(gè)數(shù);
[0009] ③對(duì)每個(gè)接收線圈產(chǎn)生的交變電信號(hào)依次進(jìn)行信號(hào)放大處理、信號(hào)濾波處理、模 數(shù)轉(zhuǎn)換處理及數(shù)據(jù)后處理,得到每個(gè)接收線圈產(chǎn)生的交變電信號(hào)對(duì)應(yīng)的無噪聲數(shù)據(jù),并獲 取無噪聲數(shù)據(jù)的幅值;
[0010] ④根據(jù)無噪聲數(shù)據(jù)的幅值,確定每個(gè)接收線圈在被測(cè)物體內(nèi)的位置和方向,實(shí)現(xiàn) 柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位,具體過程為:
[0011] ④-1、根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,利用無噪聲數(shù)據(jù)的幅值代表的電壓值,計(jì)算得到 每個(gè)接收線圈中的三軸線圈各自的磁感應(yīng)強(qiáng)度;
[0012] ④-2、根據(jù)每個(gè)接收線圈中的三軸線圈各自的磁感應(yīng)強(qiáng)度,確定每個(gè)接收線圈 在空間直角坐標(biāo)系中的位置即確定每個(gè)接收線圈在被測(cè)物體內(nèi)的位置,將第j個(gè)接收 線圈在空間直角坐標(biāo)系中的位置記為P,P = (X,y, z)
【權(quán)利要求】
1. 一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法,其特征在于包括以下步驟: ① 在被測(cè)物體所在空間內(nèi)的不同位置處各布置一個(gè)三軸正交的電磁線圈,并將這些電 磁線圈均作為發(fā)射線圈;在柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的外管壁上的不同位置處及在柔性導(dǎo)管 內(nèi)窺鏡的鏡頭上各布置一個(gè)三軸正交的電磁線圈,并將這些電磁線圈均作為接收線圈,假 設(shè)接收線圈中的三軸線圈的工作電流一致,且半徑一致;再將柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡置于被測(cè)物 體內(nèi); ② 假設(shè)當(dāng)前工作的發(fā)射線圈為第i個(gè)發(fā)射線圈,則在第i個(gè)發(fā)射線圈中的三軸線圈上 各加載正弦波交變電信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),使第i個(gè)發(fā)射線圈在其周圍產(chǎn)生交變電磁場(chǎng),此 時(shí)每個(gè)接收線圈在感應(yīng)到交變電磁場(chǎng)后產(chǎn)生交變電信號(hào),其中,I < i < I',1'表示在被測(cè) 物體所在空間內(nèi)布置的發(fā)射線圈的總個(gè)數(shù); ③ 對(duì)每個(gè)接收線圈產(chǎn)生的交變電信號(hào)依次進(jìn)行信號(hào)放大處理、信號(hào)濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn) 換處理及數(shù)據(jù)后處理,得到每個(gè)接收線圈產(chǎn)生的交變電信號(hào)對(duì)應(yīng)的無噪聲數(shù)據(jù),并獲取無 噪聲數(shù)據(jù)的幅值; ④ 根據(jù)無噪聲數(shù)據(jù)的幅值,確定每個(gè)接收線圈在被測(cè)物體內(nèi)的位置和方向,實(shí)現(xiàn)柔性 導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位,具體過程為: ④-1、根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,利用無噪聲數(shù)據(jù)的幅值代表的電壓值,計(jì)算得到每個(gè) 接收線圈中的三軸線圈各自的磁感應(yīng)強(qiáng)度; ④-2、根據(jù)每個(gè)接收線圈中的三軸線圈各自的磁感應(yīng)強(qiáng)度,確定每個(gè)接收線圈在 空間直角坐標(biāo)系中的位置即確定每個(gè)接收線圈在被測(cè)物體內(nèi)的位置,將第j個(gè)接收線
在柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的外管壁上的不同位置處及在柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的鏡頭上布置的 接收線圈的總個(gè)數(shù),空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)在被測(cè)物體所在空間的地面,B/表示第i個(gè)發(fā) 射線圈中的與X軸平行的一軸線圈工作時(shí)第j個(gè)接收線圈中的三軸線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度之 和,B2'表示第i個(gè)發(fā)射線圈中的與Y軸平行的一軸線圈工作時(shí)第j個(gè)接收線圈中的三軸 線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和,B3'表示第i個(gè)發(fā)射線圈中的與Z軸平行的一軸線圈工作時(shí)第j 個(gè)接收線圈中的三軸線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和,Bt為常量,Bt= 為真空磁導(dǎo)率, I為第j個(gè)接收線圈中的線圈的工作電流,R為第j個(gè)接收線圈中的線圈的半徑,(B')2 = (B/)2+?/)2+?/)2; ④-3、根據(jù)每個(gè)接收線圈中的三軸線圈各自的磁感應(yīng)強(qiáng)度,確定每個(gè)接收線圈在空 間直角坐標(biāo)系中的方向即確定每個(gè)接收線圈在被測(cè)物體內(nèi)的方向,將第j個(gè)接收線圈在 空間直角坐標(biāo)系中的各個(gè)方向組成的向量記為H,H = (a, ¢, Y),其中,1彡j彡J, J表示在柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的外管壁上的不同位置處及在柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的鏡頭 上布置的接收線圈的總個(gè)數(shù),空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)在被測(cè)物體所在空間的地面,a表 示第j個(gè)接收線圈與空間直角坐標(biāo)系的X軸的夾角,P表示第j個(gè)接收線圈與空間 直角坐標(biāo)系的Y軸的夾角,Y表示第j個(gè)接收線圈與空間直角坐標(biāo)系的Z軸的夾角,
Bxl,Byl,Bzl對(duì)應(yīng)表示第i個(gè)發(fā)射線圈中與X軸平行的一軸線圈工作時(shí)第j個(gè)接收線圈中的 與X軸平行的一軸線圈、與Y軸平行的一軸線圈、與Z軸平行的一軸線圈感應(yīng)到的磁感應(yīng)強(qiáng) 度,Bx2, By2, Bz2對(duì)應(yīng)表示第i個(gè)發(fā)射線圈中與Y軸平行的一軸線圈工作時(shí)第j個(gè)接收線圈中 的與X軸平行的一軸線圈、與Y軸平行的一軸線圈、與Z軸平行的一軸線圈感應(yīng)到的磁感應(yīng) 強(qiáng)度,Bx3, By3, Bz3對(duì)應(yīng)表示第i個(gè)發(fā)射線圈中與Z軸平行的一軸線圈工作時(shí)第j個(gè)接收線圈 中的與X軸平行的一軸線圈、與Y軸平行的一軸線圈、與Z軸平行的一軸線圈感應(yīng)到的磁感 應(yīng)強(qiáng)度,B' xl,B' yl,B' zl對(duì)應(yīng)表示第i個(gè)發(fā)射線圈中的與X軸平行的一軸線圈對(duì)第j個(gè) 接收線圈在位置P = (x,y,z)處與X軸平行的一軸線圈、與Y軸平行的一軸線圈、與Z軸平 行的一軸線圈的理論磁感應(yīng)強(qiáng)度,B' x2, B' y2, B' z2對(duì)應(yīng)表示第i個(gè)發(fā)射線圈中的與Y軸 平行的一軸線圈對(duì)第j個(gè)接收線圈在位置P = (x,y,z)處與X軸平行的一軸線圈、與Y軸 平行的一軸線圈、與Z軸平行的一軸線圈的理論磁感應(yīng)強(qiáng)度,B' x3, B' y3, B' 23對(duì)應(yīng)表示 第i個(gè)發(fā)射線圈中的與Z軸平行的一軸線圈對(duì)第j個(gè)接收線圈在位置P = (x,y,z)處與X 軸平行的一軸線圈、與Y軸平行的一軸線圈、與Z軸平行的一軸線圈的理論磁感應(yīng)強(qiáng)度; ⑤根據(jù)步驟④中得到的每個(gè)接收線圈在被測(cè)物體內(nèi)的位置和方向,利用多項(xiàng)式曲線擬 合方法擬合得到柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)變化以及鏡頭的行進(jìn)軌跡,實(shí)現(xiàn)柔性導(dǎo)管內(nèi) 窺鏡的跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法,其特征在于所 述的步驟①中的發(fā)射線圈的第一軸線圈、第二軸線圈和第三軸線圈均采用漆包線繞制,在 被測(cè)物體所在空間內(nèi)放置發(fā)射線圈時(shí),其中一軸線圈平行于被測(cè)物體所在空間的地面即平 行于X軸; 所述的步驟①中的接收線圈的第一軸線圈和第二軸線圈均采用漆包線繞制,并置于柔 性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的外管壁或柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的鏡頭外壁上,接收線圈的第三軸線圈采 用由柔性PCB板刻制而成的柔性PCB線圈,并粘貼于柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的外管壁或柔 性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的鏡頭外壁上,接收線圈的三軸線圈兩兩垂直。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法,其特征在于所 述的步驟①中布置在柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管的外管壁上的多個(gè)接收線圈等間距分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法, 其特征在于所述的步驟②中在第i個(gè)發(fā)射線圈中的三軸線圈上各加載的正弦波交變電信 號(hào)的頻率均為2KHZ。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法,其特征在于所 述的步驟③中數(shù)據(jù)后處理的具體過程為: ③-1、令k表示迭代次數(shù),k的初始值為1,并假設(shè)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后得到的數(shù)據(jù)由N' 個(gè)信號(hào)值組成,并將經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后得到的數(shù)據(jù)記為,將中的第n'個(gè)信號(hào)值記為 f\(tn,),其中,N'彡3,1彡n'彡N',tn,表示f\(tn,)的采樣時(shí)刻; ③-2、根據(jù)信號(hào)放大處理后得到的信號(hào)是否發(fā)生截止失真確定中的有效信號(hào)值的個(gè) 數(shù),如果信號(hào)放大處理后得到的信號(hào)未發(fā)生截止失真,則認(rèn)為中的所有信號(hào)值均為有效 信號(hào)值,并將中的有效信號(hào)值的個(gè)數(shù)記為N1A1 = N',然后執(zhí)行步驟③-3 ;如果信號(hào)放大 處理后得到的信號(hào)發(fā)生截止失真,則認(rèn)為中值大于負(fù)截止電壓且小于正截止電壓的所有 信號(hào)值均為有效信號(hào)值,并將中的有效信號(hào)值的個(gè)數(shù)記為N1,1 < N'N',然后執(zhí)行步驟 ③_3 ; ③-3、根據(jù)中的所有有效信號(hào)值,獲取的幅值和相位,對(duì)應(yīng)記為Aml和
③-4、根據(jù)Aml和獨(dú),確定對(duì)應(yīng)的正弦波信號(hào);再對(duì)對(duì)應(yīng)的正弦波信號(hào)進(jìn)行離 散化處理,將離散化處理后得到的數(shù)據(jù)記為/丨,將/丨中的第n'個(gè)信號(hào)值記為 /;(匕.)二4, - K, +約),其中,1彡n,彡N,,^表示,/1 (匕.)的采樣時(shí)刻,且【,與tn,相等; ③-5、如果信號(hào)放大處理后得到的信號(hào)未發(fā)生截止失真,則對(duì)^中的信號(hào)值不作處理, 然后執(zhí)行步驟③-6 ;如果信號(hào)放大處理后得到的信號(hào)發(fā)生截止失真,則將/;中值大于或等 于正截止電壓的所有信號(hào)值替換成正截止電壓值,并將中值小于或等于負(fù)截止電壓的所 有信號(hào)值替換成負(fù)截止電壓值,然后執(zhí)行步驟③-6 ; ③-6、根據(jù)f i和/丨去除f i中的噪聲,得
到去除噪聲后的數(shù)據(jù),記為/2,將中的 S k是否小于S k_i,如果是,則結(jié)束迭代過程,并將名作為數(shù)據(jù)后處理得到的無噪聲數(shù)據(jù),然 后按照步驟③-3的計(jì)算方法獲取無噪聲數(shù)據(jù)的幅值和相位;否則,將/2賦值給,然后令 k = k+l,再返回步驟③-3繼續(xù)迭代;其中,表示第k-1次迭代后的計(jì)算結(jié)果精度,\ =0, k = k+1中的"="為賦值符號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種工業(yè)用柔性導(dǎo)管內(nèi)窺鏡的定位跟蹤方法,其特征在于所 述的步驟③-2和所述的步驟③_4中負(fù)截止電壓為-5V,正截止電壓為+5V。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK104361608SQ201410581509
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】胡超, 馮忠晴, 任宇鵬, 王永輝, 袁小英 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院