專利名稱：基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動態(tài)同步顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多傳感器跟蹤定位領(lǐng)域，尤其適合內(nèi)窺鏡探頭等微小區(qū)域的方位探測。
背景技術(shù)：
在醫(yī)療上，醫(yī)生一般通過內(nèi)窺鏡采集到的圖像，依靠經(jīng)驗來對病變位置進(jìn)行判斷，具有較大誤差。而在一些特殊場合下，醫(yī)生需要結(jié)合內(nèi)窺鏡得到的病變位置信息，配合手術(shù)等措施進(jìn)行綜合治療，因此對病變位置的方位精度要求較高。在日本、美國一些發(fā)達(dá)國家，膠囊內(nèi)窺鏡應(yīng)用逐漸普遍，對其定位和控制也是目前的研究熱點。目前國內(nèi)外采用的內(nèi)窺鏡定位技術(shù)，多為采用以磁場分布為核心的測算方法，分為體內(nèi)置磁場傳感器，體外多點磁場源，或者體內(nèi)磁場發(fā)射源，體外數(shù)十個探測器陣列兩種。第一種方式上，現(xiàn)有的一些專利技術(shù)提出了利用加速度傳感器結(jié)合地磁傳感器進(jìn)行姿態(tài)解算，將內(nèi)窺鏡姿態(tài)和位置定位分別處理的方法，但由于歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣算法的“奇異性”以及地磁場的晃動問題，姿態(tài)解算的精度有限，連續(xù)性和魯棒性不好。而且在內(nèi)窺鏡的位置定位上，采 用三線圈平放，以線圈軸線的磁場分布代替全空間分布，缺乏科學(xué)性，定位范圍狹小。采用第二種方式，通過數(shù)量優(yōu)勢來彌補(bǔ)磁場空間的分布復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，成本較高而且精度一般，算法復(fù)雜，實時性較差。而目前的多傳感器的姿態(tài)定位算法，其核心思想是利用陀螺儀的姿態(tài)累積保證姿態(tài)跟蹤的連續(xù)性，以輔助傳感器結(jié)合卡爾曼濾波方法，來修正陀螺儀的累積誤差，從而保證姿態(tài)跟蹤的精確性，這種方法適合于姿態(tài)變化緩慢的大型載體的定位，并不適用于內(nèi)窺鏡這種姿態(tài)轉(zhuǎn)動幅度較大，實時性需求較高的場合。同時，在內(nèi)窺鏡的絕對位置定位上，現(xiàn)有技術(shù)有利用機(jī)械特性進(jìn)行定位，精度較低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有對磁場源進(jìn)行全空間建模太過于復(fù)雜，不易實現(xiàn)，而且全空間建模一般磁場源要求為點源，在遠(yuǎn)場下對磁場傳感器的探測精度要求過高。數(shù)字人技術(shù)，目前主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像還原，人體結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域，大多數(shù)是應(yīng)用在靜態(tài)的病理分析上，在同步跟蹤方面的應(yīng)用較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決磁場定位系統(tǒng)體積大，成本高，算法復(fù)雜，實時性差等問題，將多傳感技術(shù)引入內(nèi)窺鏡定位中，提供一種基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動態(tài)同步顯示方法，以提高內(nèi)窺鏡鏡頭姿態(tài)的定位連續(xù)性和魯棒性，增加內(nèi)窺鏡位置定位的科學(xué)性和定位范圍，通過與數(shù)字人技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了定位信息的動態(tài)顯示，使內(nèi)窺鏡的定位跟蹤結(jié)果更加直觀。本發(fā)明方法將多傳感器模組微縮到內(nèi)窺鏡探頭前端，探頭作為載體在發(fā)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)時，通過傳感信息的解算，可以得到大地坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣的具體表達(dá)，以大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換矩陣就對應(yīng)了當(dāng)前載體的姿態(tài)。在完成姿態(tài)解算的同時，間歇通電人體附近的多個勵磁線圈，利用線圈磁場的特殊分布，并結(jié)合當(dāng)前具體姿態(tài)，綜合得到載體所在的空間位置。之后，由OPEN GL的建模技術(shù)，將接受觀測的人體的體重和身高輸入，在MFC界面仿真得到一個包括器官模型在內(nèi)的透視的數(shù)字人模型，并將姿態(tài)和位置信息傳輸給PC，在數(shù)字人內(nèi)，以合適比例建立動態(tài)的內(nèi)窺鏡模型，從而完成姿態(tài)和位置的定位，實現(xiàn)內(nèi)窺鏡在人體內(nèi)移動過程的同步再現(xiàn)。本發(fā)明提供的基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動態(tài)同步顯示方法主要包含姿態(tài)定位，位置定位，以及數(shù)字人同步顯示三個主要部分，在一個定位周期內(nèi)完成。首先以陀螺儀為核心，配合加速度計和磁場傳感器收斂輔助，完成姿態(tài)定位與收斂，然后結(jié)合人體附近至少三個勵磁線圈產(chǎn)生外部磁場完成位置定位，在得到姿態(tài)和位置定位結(jié)果后，對定位結(jié)果顯示與更新。本發(fā)明所采用的方法，主要包含以下步驟第1、多傳感器系統(tǒng)位于內(nèi)窺鏡載體上，多傳感器系統(tǒng)包括三軸加速度傳感器,三軸磁場傳感器以及三軸陀螺儀，這三個傳感器各自的X，Y, Z軸均與所在載體的X，Y, Z軸平行；首先將內(nèi)窺鏡載體水平放置，此時的坐標(biāo)系定義為初始坐標(biāo)系N，記錄下三軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器分別于坐標(biāo)系N下的測量值SO=
，H0=[x0, y0, z0]，作為姿態(tài)定位的初始信息；第2、通過三軸陀螺儀測量載體在運動過程中的X，Y，Z軸的實時角速度，記載體在實際運動過程中，實時坐標(biāo)系 為B，結(jié)合四元數(shù)姿態(tài)的運動方程，通過積分得到坐標(biāo)系N到坐標(biāo)系B的轉(zhuǎn)換矩陣C，通過轉(zhuǎn)換矩陣C計算出B相對N的三軸旋轉(zhuǎn)角α、β、Υ，同真實的三軸旋轉(zhuǎn)角相比，誤差分別為Δ α、Δ β、Δ Y ；第3、不斷重復(fù)第2步的過程，由于三軸陀螺儀的隨機(jī)漂移效應(yīng)，第2步的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角誤差會隨著時間逐漸增大，待其總誤差絕對值
權(quán)利要求
1.基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動態(tài)同步顯示方法，其特征在于該方法的步驟是第1、多傳感器系統(tǒng)位于內(nèi)窺鏡載體上，多傳感器系統(tǒng)包括三軸加速度傳感器，三軸磁場傳感器以及三軸陀螺儀，這三個傳感器各自的X，Y, Z軸均與所在載體的X，Y，Z軸平行；首先將內(nèi)窺鏡載體水平放置，此時的坐標(biāo)系定義為初始坐標(biāo)系N，記錄下三軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器分別于坐標(biāo)系N下的測量值SO=
，H0=[x0, y0, z0]，作為姿態(tài)定位的初始信息；第2、通過三軸陀螺儀測量載體在運動過程中的X，Y，Z軸的實時角速度，記載體在實際運動過程中，實時坐標(biāo)系為B，結(jié)合四元數(shù)姿態(tài)的運動方程，通過積分得到坐標(biāo)系N到坐標(biāo)系B的轉(zhuǎn)換矩陣C，通過轉(zhuǎn)換矩陣C計算出B相對N的三軸旋轉(zhuǎn)角α、β、γ，同真實的三軸旋轉(zhuǎn)角相比，誤差分別為Δ α、Δ β、Δ Y ；第3、不斷重復(fù)第2步的過程，由于三軸陀螺儀的隨機(jī)漂移效應(yīng)，第2步的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角誤差會隨著時間逐漸增大，待其總誤差絕對值
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第4步采用的姿態(tài)收斂方法，考慮到三軸磁場傳感器的測量過程容易受干擾，且傳感器精度不高，利用逐次收斂方式，將三軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器所收斂的誤差區(qū)域分開來，先利用加速度傳感器來對姿態(tài)的大部分誤差進(jìn)行收斂，而最后的微小自轉(zhuǎn)角則通過磁場傳感器來收斂，目的是為了提高收斂的精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第5步采用的位置定位方法，需要循環(huán)通電一組至少三個勵磁線圈，在同一時刻，空間中僅有一個線圈產(chǎn)生磁場，同時，在計算磁場分布M2時，需要將當(dāng)前測量值減去通電前的地磁場的分量，從而得到僅通過勵磁線圈產(chǎn)生的空間磁場，進(jìn)而通過旋轉(zhuǎn)角來計算法平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第6步采用的數(shù)字人動態(tài)模型構(gòu)建主要分為以下幾個步驟1)通過人體的斷層圖，重建人體及內(nèi)部器官的三維輪廓模型；2)將三維輪廓模型制作為OBJ類型的顯示列表，方便VC下的調(diào)用；3)以3D的輪廓圖作為背景，制作微小的內(nèi)窺鏡動態(tài)模型，在內(nèi)窺鏡模型中導(dǎo)入姿態(tài)和位置定位信息，模擬內(nèi)窺鏡在人體內(nèi)的朝向和位置顯示；4)利用OPENGL在MFC下的顯示，刷新功能，來對該動態(tài)模型進(jìn)行更新。
全文摘要
基于多傳感器的內(nèi)窺鏡跟蹤定位與數(shù)字人動態(tài)同步顯示方法。本發(fā)明以三軸陀螺儀，三軸加速度計和三軸磁場傳感器組成的多傳感器系統(tǒng)為核心，通過陀螺儀的四元數(shù)跟蹤得到初始姿態(tài)，并通過加速度計和磁場傳感器的逐步收斂，將陀螺儀的全空間發(fā)散誤差進(jìn)行周期修正，從而達(dá)到旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的精確跟蹤。將該系統(tǒng)與人體附近數(shù)個勵磁線圈相結(jié)合，利用勵磁線圈的中心對稱性，實現(xiàn)了對傳感載體的實時位置確定。在醫(yī)學(xué)上為了便于醫(yī)生進(jìn)行觀察對比，本發(fā)明結(jié)合數(shù)字人技術(shù)將姿態(tài)和位置信息導(dǎo)入，實現(xiàn)了對內(nèi)鏡在人體內(nèi)姿態(tài)和方位的模型跟蹤和透視觀察。
文檔編號A61B5/05GK103027657SQ201210543208
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者陳曉冬, 王森, 歐陽孜孜, 汪毅, 郁道銀 申請人:天津大學(xué)