一种具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜系统。本发明手术导航子系统由惯性导航模块实现，其包含三轴加速度计、三轴陀螺仪及三轴磁强计三种传感器。依托微机电技术，导航子系统可集成至内窥镜的手柄内，使内窥镜自身即具备定位功能。在定位算法中，通过适当的抗干扰处理，降低外部磁场及内窥镜运动带来的定位误差，提高定位的稳定性与准确性。
【专利说明】-种具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机辅助的内窥镜手术导航【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着现代医学的发展，W内窥镜系统为主要实施工具的微创手术得到了广泛的认 可与快速的普及。为了更好地达到微创的目的，医生必须精确的获取当前内窥镜的姿态及 位置，故常常需要借助手术定位与导航技术。因此，现代内窥技术与医学导航技术是相辅相 成的，在手术期间也常常需要同时两套系统相互配合。
[0003] 中国专利CN200910198524号公开了一种《将手术导航系统与内窥镜系统结合的 装置及其应用》，该专利给出了一种将光学定位系统与内窥镜相结合的方法：通过特殊的机 械结构，将光学定位球固定于内窥镜手柄上。在使用过程中，需通过摄像机组对光学定位球 进行跟踪，从而对内窥镜定位的目的。
[0004] 上述专利在实际应用中存在如下问题：一、机械结构的引入导致内窥镜手柄部分 的体积大大增加，可能会对正常的内镜操作带来影响。二、光学定位在原理上需要保证摄像 机与定位球之间存在无遮挡的视线，该条件将限制系统的定位范围，可能产生多个不可定 位区域。H、光学定位在原理上需要借助多个摄像机完成定位任务，该将会给手术室带来不 必要的空间压力。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是解决现有技术存在的上述问题，提供一种具备抗干扰能力的带有 手术导航功能的内窥镜系统。
[0006] 首先，该系统通过将由惯性导航模块构成的定位子系统集成于内窥系统内部，克 服了定位子系统对内镜操作的影响，且消除了光学定位中的不可定位区域，同时也避免了 光学定位带来的空间压力。另一方面，对于惯性导航自身而言，工作空间中的电子设备及铁 质器械W及内窥镜的非惯性运动都会直接影响到定位的精度与稳定性，因此本发明在算法 实现部分，提供相应的抗干扰设计，W提高定位的鲁棒性。
[0007] 本发明提供的具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜系统包括，内窥镜和 负责控制与定位解算的上位机，在所述内窥镜手柄内预留有导航模块安装平台，借助微机 电极小化后安装于内窥镜手柄内部安装平台上的惯性导航模块，惯性导航模块包含H轴加 速度计、H轴巧螺仪和H轴磁强计H种传感器，W及带有无线通信功能的片上系统和微型 天线，片上系统采集H种传感器输出的传感数据，并依靠微型天线将传感数据发送给上位 机；所述的上位机包括电脑、带有无线通信功能的片上系统、W及天线，带有无线通信功能 的片上系统通过天线接收惯性导航模块输出的传感数据，并将传感数据打包传输给电脑， 电脑通过已设计好的定位算法进行定位解算。
[0008] 所述电脑中的定位算法具备抗干扰能力，能够抑制磁场崎变W及内窥镜非惯性运 动带来的传感器输出噪声；当通过地磁矢量与比力矢量对内窥镜的姿态进行收敛时，将地 磁矢量输出的相对误差W及比力矢量输出的相对误差作为收敛观测函数的权重，W调整收 敛方向，自适应地获取姿态收敛结果；通过巧螺仪及加速度计的输出将比力矢量分解为线 性加速度、重力加速度及向也加速度H项，并通过对线性加速度进行二次积分，获取位置结 果。
[0009] 具体实施上，本方法将传统用于载体导航的惯性导航系统应用于手术定位领域。 将由H轴巧螺仪、H轴加速度计和H轴磁强计组成的微机电惯性传感单元固定于内窥镜手 柄内部，W获取传感数据。传感数据再通过无线通信方式传输给上位机，上位机通过算法实 现，进行全维度定位。定位算法可大致分为两步。第一步，通过巧螺仪输出对姿态进行更新， 并通过加速度计输出与磁强计输出对姿态四元数进行收敛。收敛过程中，通过测量加速度 计输出及磁强计输出的相对误差，控制加速度矢量及地磁矢量在收敛过程中的权重，W得 到具备抗噪特性的自适应姿态结果。第二步，基于已得到的姿态结果，W及加速度计和巧螺 仪的输出，通过构建刚体运动方程，对H维度的位置进行解算。该部分并未直接利用地磁测 量结果，故可进一步避免可能的磁干扰。
[0010] 本发明的优点和积极效果：
[0011] 针对已公开专利存在的瓶颈，本发明将惯性传感引入医学导航领域，并将借助微 机电技术极小化的惯性传感模块安装至内窥镜手柄内部。通过加速度、巧螺仪及磁强计实 时测量比力、角速度及地磁矢量；被采集的传感器数据通过无线通信发送给上位机，并通过 算法解算得到内窥镜的实时姿态与位置。
[0012] 本发明将导航系统嵌入至内窥系统内部，并不会改变内窥镜的外形，故防止了导 航系统对内窥系统的影响。同时，惯性导航并不存在光学定位中的视线需求，且无需再布置 外围设备（如光学定位系统中的摄像机组等），减轻了手术室的空间压力。
[0013] (1)克服传统手术导航方法的临床困难。传统手术导航方法包括光学定位与电磁 定位。前者有严格的视线要求，后者需严格控制工作空间的电磁干扰源。该两点在实际的 手术环境是难W达到的。然而，惯性导航能够有效的避免该些问题：一方面，惯性系统在使 用中并不受到视线条件的限制；另一方面，多传感信息的融合可降低系统对磁传感的依赖， 借助有效的算法设计，系统对噪声的响应可被进一步削弱。最终，可构建一套能够用于全空 间范围的输出稳定的手术定位系统。
[0014] (2)内窥系统与导航系统相互不干扰。由于在本装置中，导航系统被安装在内窥镜 系统的内部，并不会改变内窥镜的外形，因而不会对医生的操作带来不便。同时，内窥系统 可W在全空间任意运动，并不会存在光学定位系统中遮挡观察视线的问题。
[0015] (3)抗干扰能力强，鲁棒性高。系统引入惯性传感，通过信息融合技术提高系统的 稳定性。在融合过程中，通过观察磁强计及加速度计输出的相对误差，考察信息源的可信 度。根据相对误差大小，控制收敛的方向与程度，得到对噪声自适应的最优姿态解。综上， 通过硬件与软件层面的方法实现，尽可能的提高系统整体的鲁棒性。
[001引 （4)实时性化适应性强。相对于已公开的具有抗噪特性的惯性定位方法，本方法 避免了复杂的滤波过程，降低算法复杂度，W获得更好的实时性。与此同时，本方法并不需 要事先的标定过程，因而也避免了在更换使用环境时需重复标定的问题，提高了系统对不 同环境的适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是手术定位系统的系统组成框架图。
[0018] 图2是导航单元的安装方式示意图，图中，1为内窥镜（局部），2为安装于内窥镜 手柄的惯性传感单元。
[0019] 图3是基于传感融合的自适应跟踪方法的整体流程图。
【具体实施方式】
[0020] 实施例1 :
[0021] 如图1和图2所示，本发明提供的具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜 系统包括，内窥镜和负责控制与定位解算的上位机，在所述内窥镜手柄内预留有导航模块 安装平台，借助微机电极小化后安装于内窥镜手柄内部安装平台上的惯性导航模块，惯性 导航模块包含H轴加速度计、H轴巧螺仪和H轴磁强计H种传感器，W及带有无线通信功 能的片上系统和微型天线，片上系统采集H种传感器输出的传感数据，并依靠微型天线将 传感数据发送给上位机；所述的上位机包括电脑、带有无线通信功能的片上系统、W及天 线，带有无线通信功能的片上系统通过天线接收惯性导航模块输出的传感数据，并将传感 数据打包传输给电脑，电脑通过已设计好的定位算法进行定位解算。
[0022] 本发明在内窥镜手柄组装完成前，在其内部加工出一个尺寸与惯性导航模块尺寸 一致，两边分别与内窥镜镜管平行或垂直的矩形凹槽，作为矩形的惯性导航模块的安装平 台。
[0023] 本发明将惯性传感器单元W特定方式固定于内窥镜手柄内部，采用片上系统采集 传感数据并通过无线通信传输给上位机。上位机通过本发明提出的算法进行6自由度的位 置解算，W实现对内窥镜的实时定位导航。算法部分，通过H轴巧螺仪输出对姿态进行初步 估计，并通过H轴磁强计和H轴加速度计输出分别对姿态进行测量，收敛估计值，W获取姿 态测量值。收敛过程中，磁强计输出与地磁场的相对误差及加速度计输出与重力加速度的 相对误差作为自适应因子，判断噪声的大小，调整收敛权重，得到自适应收敛结果。获得实 时姿态结果后，分离加速度计的各输出分量，W构建运动学微分方程。进而，解算线性加速 度分量，并对其关于时间进行数值积分，得到当前位置。
[0024] 一、系统硬件构成
[0025] 请见图1所示，系统在硬件上分为两个部分。第一部分为安装于内窥镜手柄内部 的传感器单元；其由传感器模组、无线发射模组及微型天线组成。传感器模组包含H个微机 电传感器，即加速度计、巧螺仪与磁强计。无线发射模组主要为一个带有无线发射功能的片 上系统。第二部分为负责数据解算与显示的上位机；其由通讯控制中也、无线发射模组及天 线组成。通信控制中也为本系统的中枢，负责系统控制与数据处理。无线接收模组也主要 由一个带有无线发射功能的片上系统构成。
[0026] 请见图2所示，在将导航系统安装至内窥系统内部时，需要将两套系统的坐标轴 进行严格对准。对准的原则的是：传感器单元的X轴平行于内窥镜工作镜管，Z轴垂直于内 窥镜工作镜管且背向手柄的方向。为了达到对准目的，在内窥镜手柄内部加工出矩形的凹 槽，其两边长与矩形的惯性导航模块的两边长一致，作为惯性导航模块的安装平台，安装平 台一边平行于内镜工作镜管，一边垂直于工作镜管。呈矩形的传感器单元电路板通过螺钉 固定于安装平台，其各边分别与安装平台各边对齐。为了保证传感器单元电路板完全贴紧 与安装平台，电路板所有电子元件全部分部于电路板一面。
[0027] 二、系统工作流程
[0028] 系统工作时，无线发射模组通过特定通信方式，采集传感器模组的输出，并将其通 过微型天线向上位机发射。上位机的无线接收模组通过天线接收到数据后，再发送给通讯 控制中也，并由其进行解算，得到定位结果。例如，可W使用支持Zi浊ee协议的片上系统作 为无线发射模组与无线接收模组，并使用Zi浊ee协议作为系统两部分之间的通信方式；W 台式电脑作为通讯控制中也；无线发射模组与传感器模组W I2C或SPI协议进行通信；无 线接收模组与通讯控制中也W USB协议进行通信。
[0029] H、自适应的姿态定位方法
[0030] 整体定位流程请见图3所示。本发明使用重力矢量和地磁矢量对传感器的姿态四 元数进行收敛。在收敛过程中，根据加速度计输出与重力加速度的差异及磁强计输出与地 磁强度的差异来分配权重因子。
[0031] 设，？为加速度计在载体坐标系的输出，品为磁强计在载体坐标系的输出；gn为 加速度计在参考坐标系的输出，Hf为磁强计在参考坐标系的输出。
[0032] 对于加速度计测量而言，相对于重力加速度，线性加速度与向也加速度为小量。线 性加速度与向也加速度的引入并不会明显的影响比力的方向，比力的方向可基本认定为重 力加速度的方向。故，仅使用标量值构建相对误差。即：
【权利要求】
1. 一种具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜系统，包括内窥镜和负责控制 与定位解算的上位机，其特征在于在所述内窥镜手柄内部预留有导航模块安装平台，借助 微机电极小化后安装于内窥镜手柄内部安装平台上的惯性导航模块，惯性导航模块包含三 轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁强计三种传感器，以及带有无线通信功能的片上系统和 微型天线，片上系统采集三种传感器输出的传感数据，并依靠微型天线将传感数据发送给 上位机；所述的上位机包括电脑、带有无线通信功能的片上系统、以及天线，带有无线通信 功能的片上系统通过天线接收惯性导航模块输出的传感数据，并将传感数据打包传输给电 脑，电脑通过已设计好的定位算法进行定位解算。
2. 根据权利要求1所述的具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜系统，其特征 在于所述电脑中的定位算法具备抗干扰能力，能够抑制磁场畸变以及内窥镜非惯性运动带 来的传感器输出噪声；当通过地磁矢量与比力矢量对内窥镜的姿态进行收敛时，将地磁矢 量输出的相对误差以及比力矢量输出的相对误差作为收敛观测函数的权重，以调整收敛方 向，自适应地获取姿态收敛结果；通过陀螺仪及加速度计的输出将比力矢量分解为线性加 速度、重力加速度及向心加速度三项，并通过对线性加速度进行二次积分，获取位置结果。
3. 根据权利要求1或2所述的具备抗干扰能力的带有手术导航功能的内窥镜系统，其 特征在于在内窥镜手柄组装完成前，在其内部加工出一个尺寸与惯性导航模块尺寸一致， 两边分别与内窥镜镜管平行或垂直的矩形凹槽，作为矩形的惯性导航模块的安装平台。
【文档编号】A61B19/00GK104224089SQ201410465885
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】陈晓冬, 杜承阳, 汪毅, 郁道银 申请人:天津大学