一种磁电结合定位跟踪的方法和装置与流程

1.本发明涉及一种磁电结合医疗定位导航领域，特别是一种磁电结合定位跟踪的方法和装置。


背景技术：

2.目前医疗定位导航有基于电阻抗的定位系统包括在患者体外的一对或多对身体表面电极(例如，贴片)，附接到患者身体的参考传感器(例如，另一贴片)，以及附接到医疗设备的一个或多个传感器(例如，电极)。通过在电极对上施加电流，测量在设备电极处感应的相应电压(即相对于参考传感器)，处理测量的电压来确定定位。
3.而基于磁场的定位系统通常包括一个或多个磁场发生器，该磁场发生器放置在患者床或操作环境的其它组件附近，还包括与医疗设备耦合的一个或多个磁场检测线圈，磁场发生器与医疗设备耦合，并且检测线圈可以附接到操作环境的组件或放置在该操作环境的组件附近。发生器在解剖区域中提供磁场，检测线圈产生感应信号，系统处理这些信号，以产生与线圈相关联的一个或多个定位信息。与基于电阻抗的系统不同，在坐标系是相对于应用了身体表面电极的患者的情况下，基于磁场的系统具有与患者无关的坐标系。
4.基于电阻抗和基于磁场二者的定位系统提供优点，例如，基于电阻抗的系统提供了在多个医疗设备上同时定位相对大量传感器的能力。然而，由于基于电阻抗的系统利用人体中的电流流动，因此此类系统可能受到电干扰，会导致基于位置测量呈现的几何形状和表示可相对于受检区域的实际图像会发生失真。另一方面，基于磁场的坐标系不取决于患者解剖结构的特性，并且通常提供提高的准确度。然而，基于磁场的定位系统通常仅限于跟踪相对较少的传感器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对现有技术存在的基于电场定位系统受到电干扰，导致位置测量不准确的问题，提供一种磁电结合定位跟踪装置和方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种磁电结合定位跟踪装置，包括磁场定位模块、电场定位模块以及磁电匹配定位模块；
8.磁电匹配定位模块，被配置为在建立磁电匹配关系阶段，对定位空间进行单元格划分，基于磁场定位模块得到磁场位置数据，与电场定位模块得到电场阻抗数据，建立各个单元格内的匹配关系；在校准电场阶段，通过电场定位模块确定测量对象所在的单元格位置，利用该单元格内的匹配关系校准其电场定位。
9.作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，包括：
10.磁场定位，获取磁场位置数据，包括磁传感器的空间位置和摆放角度；
11.电场定位，获取电场阻抗数据；
12.建立匹配关系，对定位空间划分单元格，记录经过各个单元格内空间点位置的磁
场位置数据和电场阻抗数据，分别计算各个单元格的匹配关系；
13.校准电场定位，利用单元格的匹配关系，校准该单元格内采集的电场阻抗数据，获得校准后的电场定位结果。
14.作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，利用毕奥-萨伐尔定律，获取所述磁场位置数据。
15.作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，磁场位置数据计算公式为：
[0016][0017][0018][0019][0020]
voli＝γ*(b
(x,i)
*cos(α)*cos(β)+b
(y,i)
*cos(α)*sin(β)+b
(z,i)
*sin(α))
[0021]
其中，磁场生成器方向向量(xi,yi,zi)为三维空间位置，i≥6；(x,y,z)为磁传感器的三维空间位置，(α，β)为磁传感器的极角和方位角，γ为增益系数；voli为第i个磁场生成器生成磁场作用于磁传感器上产生的信号量。
[0022]
作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，采用lm算法，求解磁传感器的空间位置和摆放角度。
[0023]
作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，电场定位还包括以下步骤：
[0024]
步骤s1，通过电极片上的磁传感器获得电极片的位置信息，筛选最优电极片的作为共地电极片，并记录到系统中，其最优的筛选评判方法表达式如下：
[0025][0026]
其中，f(n)表示选择第n个电极片作为共地电极片，n＝1,2,3,4,5,6；α、β、γ、μ为权重系数；为第k个电极片与共地电极片之间连线单位向量与第t个电极片与共地电极片之间连线单位向量之间点乘结果；dis(n,k)为第k个电极片与共地电极片之间距离；v
ang
表示与之间夹角组成集合的方差，k∈1,2,3,4,5,6，t∈1,2,3,4,5,6，k≠n,t≠n,k≠t；v
dis
表示其余电极片与共地电极片之间距离集的方差；
[0027]
步骤s2，筛选出相对共地电极片正交的三个电极片，并记录到系统中，筛选评判方法表达式如下：
[0028][0029]
其中，n
best
为共地电极片的编号，表示与点乘结果，a,b,c为正交的三个电极片，满足a∈1,2,3,4,5,6，b∈1,2,3,4,5,6，c∈1,2,3,4,5,6，a≠b≠c≠n
best
；
[0030]
步骤s3，其余电极贴片相对于共地电极片采用分频发放方法或者分时发放方法发放激励，采集介入导管的电极相对于电极片的电场阻抗数据。
[0031]
作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，匹配关系包括：
[0032]
利用正交电极片组(a,b,c)采集的电场阻抗数据建立线性匹配关系：
[0033][0034]
利用正交电极片组(a,b,c)采集的电场阻抗数据建立非线性匹配关系：
[0035][0036]
利用正交电极片组(a,b,c)采集的两个位置或者两个时刻(m，n)的电场阻抗数据建立线性匹配关系：
[0037][0038]
利用所有激励下采集的电场阻抗数据建立线性匹配关系：
[0039][0040]
利用所有激励下采集的电场阻抗数据建立非线性匹配关系：
[0041][0042]
利用所有激励下采集的两个位置或者两个时刻(m，n)的电场阻抗数据建立线性匹配关系：
[0043][0044]
作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，利用匹配关系校准后直接输出电场定位结果，或者经加权组合处理后输出电场定位结果，加权组合处理的表达式为：
[0045]
out＝coef1*out1+coef2*out2+coef3*out3+coef4*out4+coef5*out5+coef6*out6[0046]
其中，out1、out2、out3、out4、out5、out6分别为匹配关系(1)、匹配关系(2)、匹配关系(3)、匹配关系(3)、匹配关系(5)、匹配关系(6)校准后的电场定位结果；coef1、coef2、coef3、coef4、coef5、coef6分别为电场定位结果out1、out2、out3、out4、out5、out6的权重系数。
[0047]
作为本发明的优选方案，一种磁电结合定位跟踪方法，单元格内空间点位置的间距分布不小于0.5mm。
[0048]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过对定位空间进行单元格划分，采集电场阻抗数据和磁场位置数据，分别计算各个单元格内电场阻抗数据和磁场位置数据的匹配关系，再对相应单元格内的电场定位进行校正，有效地提高了电场定位的准确度，同时利用各个单元格内的匹配关系去校准对应单元格内的电场定位，也提高了电场定位校准的精确度。
附图说明
[0049]
图1是本发明的系统装置示意图。
[0050]
图2是磁场发生器示意图。
[0051]
图3是磁传感器定位示意图。
[0052]
图4是电场定位示意图。
[0053]
图5是磁场与电场匹配关系示意图。
[0054]
图标：101-患者；102-电极片；103-介入导管；104-操控手柄；105-磁场驱动装置；106-磁场发生器；107-电场驱动装置；108-集线器；109-磁场定位求解模块；110-定位盒；111-电场定位求解模块；112-磁电匹配定位模块；104-操控手柄；104-操控手柄；104-操控手柄；104-操控手柄；104-操控手柄；104-操控手柄。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0056]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0057]
实施例1
[0058]
如图1所示，一种磁电结合定位跟踪装置包括磁场定位模块、电场定位模块以及磁电匹配定位模块112，100为系统示意图，配置有介入导管103，介入导管103的远端安装有磁传感器和电传感器，104为介入导管103的操控手柄，101为患者；定位盒110可连接多个磁场信息采集传感器或电场信息采集传感器。
[0059]
磁电匹配定位模块112，被配置为在建立磁电匹配关系阶段，对定位空间进行单元格划分，基于磁场定位模块得到磁场位置数据，与电场定位模块得到电场阻抗数据，建立各个单元格内的匹配关系；在校准电场阶段，通过电场定位模块确定测量对象所在的单元格位置，利用该单元格内的匹配关系校准其电场定位。
[0060]
磁场定位模块包括磁场驱动装置105、磁场发生器106和磁场定位求解模块109，磁场驱动装置105与磁场发生器106连接，驱动磁场生成器106产生磁场，磁场定位求解模块109用于获取磁传感器的磁场位置数据。
[0061]
具体的，磁场发生器106包括至少6个磁场生成器，磁场生成器可分组布置，也可分散布置。如图2所示的磁场生成器分组布置示意图，202a、202b、202c、202d为磁场生成器组，每组磁场生成器组包括三个磁场生成器，如202a磁场生成器组包括205、206、207三个磁场生成器，彼此位置近似正交。
[0062]
电场定位模块包括电极片102、电场驱动装置107和电场定位求解模块111，如图4所示，电极片102包括401、402、403、404、405、406贴敷于介入对象101的体表，用于施加激励电信号，电极片102经过集线器108与电场驱动装置107连接，电场驱动装置107在电极片之间施加恒流或者恒压电信号激励，电场定位求解模块111用于获取电场阻抗数据。
[0063]
一种磁电结合定位跟踪的方法包括：
[0064]
磁场定位，磁场驱动装置105驱动所述磁场发生器106产生交变磁场，作用于磁传感器，经磁场定位求解模块109得到磁场位置数据，包括磁传感器的空间位置和摆放角度；
[0065]
磁传感器为介入导管103远端安装的磁传感器，该磁传感器放入患者体内，医疗领域中常见安装有磁传感器的装置包括导管、导丝、导引器、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。
[0066]
具体的，磁场驱动装置105驱动磁场生成器的方式分为两种：一种是分频驱动，即
磁场驱动装置105为每个磁场生成器调制互不相同频率的信号，产生交变磁场，交变磁场作用于磁传感器产生感应电流，通过磁场信息采集传感器获得感应电压，感应电压经解调处理获得每一个磁场生成器作用于磁传感器上的电压；另一种是分时驱动，即磁场驱动装置105分时驱动每个磁场生成器，通过磁场信息采集传感器采集磁传感器上对应的感应电压。
[0067]
进一步的，获得每个磁场生成器作用于磁传感器上产生的感应电压后，可根据磁偶极子模型，求解磁传感器的空间位置和摆放角度p(x,y,z,α,β)。
[0068]
图3是磁场定位跟踪原理图。同理，302a、302b、302c、302d为磁场生成器组，每组包括3个磁场生成器，已知其中一个磁场生成器的位置和摆放角度p(xi,yi,zi,αi,βi)，304为介入导管103远端安装的磁传感器。
[0069]
因磁场生成器与磁传感器之间的距离远大于磁场生成器自身尺寸，可将二者看做磁偶极子，根据毕奥-萨伐尔定律(biot-savart law)，根据磁场生成器302位置和摆放角度p(xi,yi,zi,αi,βi)，得到归一化的磁场生成器方向向量
[0070]
dir
(x,i)
＝cos(αi)*cos(βi)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
dir
(y,i)
＝cos(αi)*sin(βi)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0072]
dir
(z,i)
＝sin(αi)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0073][0074]
其中，(xi,yi,zi)为磁场生成器302的三维空间位置，(αi,βi)为磁场生成器302的摆放角度，即俯仰角度αi和旋转角度βi，i≥6。
[0075]
磁传感器到磁场生成器302的距离为：
[0076][0077]
第i个磁场生成器生成磁场作用于磁传感器上产生的信号量voli，对应电极片405中解调输出结果：
[0078][0079][0080][0081][0082]
voli＝γ*(b
(x,i)
*cos(α)*cos(β)+b
(y,i)
*cos(α)*sin(β)+b
(z,i)
*sin(α))
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0084]
其中，(x,y,z)为磁传感器的三维空间位置，(α，β)为磁传感器的俯仰角度和旋转角度，γ为增益系数；由于，磁传感器的空间位置和摆放角度p(x,y,z,α,β,γ)包含6个待解未知量，设定有12个磁场生成器，获得包含6个未知量的12个方程，联立组成超定方程组：
[0085][0086]
求解超定方程组，可以按照一定筛选准则挑选出其中部分或全部方程联立求解，
方程组个数大于等于6个，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。根据非线性模型求解问题。
[0087]
电场定位，电场驱动装置107对电极片102施加电信号激励，利用电场定位求解模块111获得介入导管103的电极相对于电极片102的电场阻抗数据；
[0088]
具体的，如图4所示电场定位示意图，401、402、403、404、405、406为贴敷于介入对象101的体表的用于施加激励电信号的贴片，电场定位模块包括激励发放最优方式求解、激励发放和阻抗采集，其中，激励发放最优方式求解包括最优共地贴片求解与近似最正交贴片组合求解，方法步骤如下：
[0089]
步骤s1，最优共地贴片求解，旨在筛选最优激励共地电极片。筛选原则是其余体表贴片与共地体表贴片距离尽量远，两个体表贴片与共地贴片连线夹角尽量大，距离间差异尽量小，夹角间差异尽量小；通过电极片上的磁传感器获得电极片的位置信息，筛选最优电极片的作为共地电极片，如图4中的共地电极片402，其最优的筛选评判方法表达式如下：
[0090][0091]
其中，n＝1,2,3,4,5,6，表示选择第n个体表电极片作为共地体表电极片。α、β、γ、μ为权重系数，分别描述夹角、距离、夹角方差v
ang
、距离方差v
dis
的重要程度，一般情况下，α＝β＝γ＝μ＝0.25；为第k个电极片与共地电极片n之间连线单位向量与第t个电极片与共地电极片之间连线单位向量之间的点乘结果；dis(n,k)为第k个电极片与共地电极片n之间距离；v
ang
表示与之间夹角组成集合的方差，k∈1,2,3,4,5,6，t∈1,2,3,4,5,6，k≠n,t≠n,k≠t；v
dis
表示其余电极片与共地电极片之间距离集的方差。
[0092][0093]
通过以上处理，得到激励发放最优共地电极片编号为n
best
，记录到系统中。
[0094]
步骤s2，近似最正交电极片组合求解，旨在在确定最优共地电极片后，筛选出相对共地电极片最正交的三个贴片，筛选评判方法可通过以下表达式描述：
[0095][0096]
其中，n
best
为最优共地电极片的编号，表示与的点乘结果，a,b,c为从除共地电极片外的其余5个贴片中选择的三个贴片，即满足a∈1,2,3,4,5,6，b∈1,2,3,4,5,6，c∈1,2,3,4,5,6，a≠b≠c≠n
best
。
[0097]
(a,b,c)＝argmin f(a,b,c,n
best
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0098]
通过以上处理，得到相对共地贴片n
best
最正交的电极片组合(a,b,c)，并记录到系统中。
[0099]
步骤s3，激励发放和阻抗采集，其余电极片相对于共地电极片，采用分频发放方式或者分时发放方式发放激励，采集介入导管的电极相对于电极片的电场阻抗数据。
[0100]
其中，其余电极片代表除共地电极片之外的电极片，分频发放方式为其余5个电极片以不同频率相对共地电极片发放激励，分时发放方式为依次轮替对共地电极片发放激励。
[0101]
进一步的，阻抗采集包括采集介入导管103的电极在每对激励发放下相对电极片
的电场阻抗数据；分频发放方式下，需对采集的信息进行解调，获得介入导管103的电极在每对激励下的电场阻抗数据ele(v1,v2,v3,v4,v5)；分时发放方式可直接采得介入导管103电极在每对激励下的电场阻抗数据ele(v1,v2,v3,v4,v5)。
[0102]
建立匹配关系，对定位空间划分单元格，单元格内存储介入导管103经过的空间点位置，记录各个单元格内的空间点位置对应的磁场位置数据和电场阻抗数据，分别计算该单元格的匹配关系；
[0103]
具体的，如图5所示将定位空间划分成单元格，501为心脏，502为心腔空间内单元格划分，单元格划分可采用多种尺寸划分方式，不同尺寸大小代表单元格的不同分辨率，如划分为2.5
×
2.5
×
2.5，5
×5×
5，10
×
10
×
10，单位为mm，503为其中一个单元格，单元格内存储介入导管103经过的空间点位置504，首先进行数据采集阶段，判断介入导管103所在的单元格，获取介入导管103在该单元格内经过的空间点位置504，记录每个空间点位置对应的磁场位置数据和电场阻抗数据，要求数据点之间满足空间间距分布，即空间点位置彼此之间间距不小于0.5mm。
[0104]
其次，当单元格内数据点个数满足求解匹配关系最低数据个数要求时，求解更新该单元格的匹配关系信息，可以理解为，根据各个单元格内记录的数据点个数，选择能够求解的匹配方式，求解更新该单元格的匹配关系，本发明涉及的几种建立磁场与电场匹配关系的方式，描述如下：
[0105]
a.利用最正交的电极片组采集的信息建立线性匹配关系1，描述如下：
[0106][0107]
b.利用最正交的电极片组采集的处信息建立非线性匹配关系2，描述如下：
[0108][0109]
c.利用最正交的电极片组采集的两个位置(或两个时刻)m和n的信息建立线性匹配关系3，描述如下：
[0110][0111]
d.利用所有激励下采集的阻抗信息建立线性匹配关系4，描述如下：
[0112][0113]
e.利用所有激励下采集的阻抗信息建立非线性匹配关系5，描述如下：
[0114]
f.利用所有激励下采集的两个位置(或两个时刻)m和n的阻抗信息建立线性匹配关系6，描述如下：
[0115][0116]
校准电场定位，即应用各个单元格的匹配关系对该单元格电场定位进行校准，采集介入导管103相对各电极的电场信息，经处理后得到各电极在每组激励下的电场阻抗数据ele(v1,v2,v3,v4,v5)和最正交激励组发放下的电场阻抗数据ele(va,vb,vc)，找到当前电场阻抗数据对应的单元格，利用该单元内建立的匹配关系，经运算最终获得校准后的电场
定位结果，包括如下：
[0117]
a.应用匹配关系1，电场定位结果out1(x,y,z)为：
[0118]
out1(x,y,z)＝ele(va,vb,vc)*r
3x3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0119]
b.应用匹配关系2，电场定位结果out2(x,y,z)为：
[0120]
out2(x,y,z)＝ele(va,vb,vc,va*va,vb*vb,vc*vc)*r
6x3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0121]
c.应用匹配关系3，电场定位结果out3(x,y,z)为：
[0122][0123]
其中，或者或者为与当前测量的电场阻抗数据ele(va,vb,vc)最近的单元格内记录的历史数据。
[0124]
d.应用匹配关系4，电场定位结果out4(x,y,z)为：
[0125]
out4(x,y,z)＝ele(v1,v2,v3,v4,v5)*r
5x3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0126]
e.应用匹配关系5，电场定位结果out5(x,y,z)为：
[0127]
out5(x,y,z)＝ele(v1,v2,v3,v4,v5,v1*v1,v2*v2,v3*v3,v4*v4,v5*v5)*r
10x3
ꢀꢀ
(26)
[0128]
f.应用匹配关系6，电场定位结果out6(x,y,z,x0,y0,z0)为：
[0129][0130]
其中，(x0,y0,z0)表示多余输出，是上一个位置或上一个时刻对应的校准结果；
[0131][0132]
或者
[0133][0134]
为与当前测量的电场阻抗数据
[0135]
ele(v1,v2,v3,v4,v5)最近的单元格内记录的历史数据。
[0136]
需要注意的是，以上电场校正结果可以直接作为最终校准结果，也和任意通过加权组合处理作为最终结果：
[0137]
out＝coef1*out1+coef2*out2+coef3*out3+coef4*out4+coef5*out5+coef6*out6ꢀꢀ
(28)
[0138]
其中，out1、out2、out3、out4、out5、out6分别为匹配关系(1)、匹配关系(2)、匹配关系(3)、匹配关系(3)、匹配关系(5)、匹配关系(6)校准后的电场定位结果；coef1、coef2、coef3、coef4、coef5、coef6分别为电场定位结果out1、out2、out3、out4、out5、out6的权重系数。
[0139]
综上所述，本发明利用同一空间位置采集的磁场位置数据和电场阻抗数据，对空间位置进行单元格划分，分别建立各个单元格的磁场与电场位置的匹配关系，并利用匹配关系去校正对应的单元内采集的电场阻抗位置，实现提高电场定位校准的精确度，解决了电场非线性定位问题，进而提高电场定位的准确性。
[0140]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。