一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法
【专利摘要】本发明公开了一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法，其首先在当前工作的发射线圈中的三轴线圈上各加载激励信号，使在其周围产生交变电磁场，每个接收线圈在感应到交变电磁场后产生交变电信号；然后对每个接收线圈产生的交变电信号进行处理，得到对应的无噪声数据；再根据无噪声数据的幅值，确定每个接收线圈在被测物内的位置和方向，实现柔性导管内窥镜的定位；最后根据每个接收线圈在被测物体内的位置和方向，得到柔性导管内窥镜的导管的运动变化以及镜头的行进轨迹，实现柔性导管内窥镜的跟踪；优点是能够跟踪检查柔性导管内窥镜的镜头的行进轨迹和导管的运动变化，且能够快速准确地确定柔性导管内窥镜的目标位置，此外对操作者无辐射。
【专利说明】-种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工业用内窥镜技术，尤其是涉及一种工业用柔性导管内窥镜的定 位跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 从内窥镜的发展及成像构造上分为硬管式内窥镜和软管式内窥镜。软管式内窥镜 即柔性导管内窥镜是一个配备有灯光的管子，可以利用其检测硬管式内窥镜无法检测的地 方，因此其在工业以及医学上得到了广泛的使用。在工业上，根据无损检测和孔探技术的特 殊要求，一方面，柔性导管内窥镜可用于高温、有毒、核辐射及人眼无法直接观察到的场所 的检查和观察，主要用于安防、安检方面，以及汽车、航空发动机、管道、机械零件的检修等， 可在不需拆卸或破坏组装及设备停止运行的情况下实现无损检测；另一方面，柔性导管内 窥镜还可与照相机、摄像机或电子计算机连接，组成照相、摄像和图像处理系统，从而进行 现场目标的监视、记录、贮存和图像分析。在医学上，可以利用柔性导管内窥镜检测器官的 病变情况。
[0003] 柔性导管内窥镜使用时，由于其自身具有较柔软、不易控制的特点，因此会给操作 者控制柔性导管内窥镜快捷、顺利、平滑自如地到达观测点造成不便。为此，在使用柔性导 管内窥镜进行检测时，需要对柔性导管内窥镜在观测物中的位置进行定位与跟踪，操作者 根据定位得到的内窥镜的形态信息，通过其操作装置控制和调节柔性导管内窥镜的前端镜 头和导管的运动方向，使柔性导管内窥镜以合理的方式前进或伸缩以便到达观测点。
[0004] 目前，对于柔性导管内窥镜的定位跟踪，较为普遍的做法是X光影像提供柔性导 管内窥镜的位置形态，即在检测时，利用X光投射内窥镜检测的相应部位，X光透视成像设 备接收图像，并将其显示在屏幕上供操作者参考。显然，这种方法需要持续间隔地进行X光 照射，一方面，存在严重的X光射线损害问题，而为了减低X光射线对工作人员的危害，通常 要求工作人员背上笨重的X光射线隔离（铅板）装置，然而该装置体积大，对工作人员的行 动会造成严重的不便；另一方面，如果限制X光照射次数，则会使观测的连续性、实时性受 到限制；其次，X光透视成像设备只能产生二维投影图像，缺乏深度信息，因此工作人员很 难在二维投影图像下快速确定目标位置。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种无辐射的工业用柔性导管内窥镜的定位 跟踪方法，其能够跟踪检查柔性导管内窥镜的镜头的行进轨迹和导管的运动变化，且能够 快速准确地确定柔性导管内窥镜的形态信息和目标位置。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种工业用柔性导管内窥镜的定 位跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
[0007] ①在被测物体所在空间内的不同位置处各布置一个三轴正交的电磁线圈，并将这 些电磁线圈均作为发射线圈；在柔性导管内窥镜的导管的外管壁上的不同位置处及在柔 性导管内窥镜的镜头上各布置一个三轴正交的电磁线圈，并将这些电磁线圈均作为接收线 圈，假设接收线圈中的三轴线圈的工作电流一致，且半径一致；再将柔性导管内窥镜置于被 测物体内；
[0008] ②假设当前工作的发射线圈为第i个发射线圈，则在第i个发射线圈中的三轴线 圈上各加载正弦波交变电信号作为激励信号，使第i个发射线圈在其周围产生交变电磁 场，此时每个接收线圈在感应到交变电磁场后产生交变电信号，其中，I < i < I'，I'表示 在被测物体所在空间内布置的发射线圈的总个数；
[0009] ③对每个接收线圈产生的交变电信号依次进行信号放大处理、信号滤波处理、模 数转换处理及数据后处理，得到每个接收线圈产生的交变电信号对应的无噪声数据，并获 取无噪声数据的幅值；
[0010] ④根据无噪声数据的幅值，确定每个接收线圈在被测物体内的位置和方向，实现 柔性导管内窥镜的定位，具体过程为：
[0011] ④-1、根据法拉第电磁感应定律，利用无噪声数据的幅值代表的电压值，计算得到 每个接收线圈中的三轴线圈各自的磁感应强度；
[0012] ④-2、根据每个接收线圈中的三轴线圈各自的磁感应强度，确定每个接收线圈 在空间直角坐标系中的位置即确定每个接收线圈在被测物体内的位置，将第j个接收 线圈在空间直角坐标系中的位置记为P，P = (X，y, z)
【权利要求】
1. 一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法，其特征在于包括以下步骤： ① 在被测物体所在空间内的不同位置处各布置一个三轴正交的电磁线圈，并将这些电 磁线圈均作为发射线圈；在柔性导管内窥镜的导管的外管壁上的不同位置处及在柔性导管 内窥镜的镜头上各布置一个三轴正交的电磁线圈，并将这些电磁线圈均作为接收线圈，假 设接收线圈中的三轴线圈的工作电流一致，且半径一致；再将柔性导管内窥镜置于被测物 体内； ② 假设当前工作的发射线圈为第i个发射线圈，则在第i个发射线圈中的三轴线圈上 各加载正弦波交变电信号作为激励信号，使第i个发射线圈在其周围产生交变电磁场，此 时每个接收线圈在感应到交变电磁场后产生交变电信号，其中，I < i < I'，1'表示在被测 物体所在空间内布置的发射线圈的总个数； ③ 对每个接收线圈产生的交变电信号依次进行信号放大处理、信号滤波处理、模数转 换处理及数据后处理，得到每个接收线圈产生的交变电信号对应的无噪声数据，并获取无 噪声数据的幅值； ④ 根据无噪声数据的幅值，确定每个接收线圈在被测物体内的位置和方向，实现柔性 导管内窥镜的定位，具体过程为： ④-1、根据法拉第电磁感应定律，利用无噪声数据的幅值代表的电压值，计算得到每个 接收线圈中的三轴线圈各自的磁感应强度； ④-2、根据每个接收线圈中的三轴线圈各自的磁感应强度，确定每个接收线圈在 空间直角坐标系中的位置即确定每个接收线圈在被测物体内的位置，将第j个接收线
在柔性导管内窥镜的导管的外管壁上的不同位置处及在柔性导管内窥镜的镜头上布置的 接收线圈的总个数，空间直角坐标系的原点在被测物体所在空间的地面，B/表示第i个发 射线圈中的与X轴平行的一轴线圈工作时第j个接收线圈中的三轴线圈的磁感应强度之 和，B2'表示第i个发射线圈中的与Y轴平行的一轴线圈工作时第j个接收线圈中的三轴 线圈的磁感应强度之和，B3'表示第i个发射线圈中的与Z轴平行的一轴线圈工作时第j 个接收线圈中的三轴线圈的磁感应强度之和，Bt为常量，Bt= 为真空磁导率， I为第j个接收线圈中的线圈的工作电流，R为第j个接收线圈中的线圈的半径，（B'）2 = (B/)2+?/)2+?/)2; ④-3、根据每个接收线圈中的三轴线圈各自的磁感应强度，确定每个接收线圈在空 间直角坐标系中的方向即确定每个接收线圈在被测物体内的方向，将第j个接收线圈在 空间直角坐标系中的各个方向组成的向量记为H，H = (a, ￠, Y)，其中，1彡j彡J， J表示在柔性导管内窥镜的导管的外管壁上的不同位置处及在柔性导管内窥镜的镜头 上布置的接收线圈的总个数，空间直角坐标系的原点在被测物体所在空间的地面，a表 示第j个接收线圈与空间直角坐标系的X轴的夹角，P表示第j个接收线圈与空间 直角坐标系的Y轴的夹角，Y表示第j个接收线圈与空间直角坐标系的Z轴的夹角，
Bxl，Byl，Bzl对应表示第i个发射线圈中与X轴平行的一轴线圈工作时第j个接收线圈中的 与X轴平行的一轴线圈、与Y轴平行的一轴线圈、与Z轴平行的一轴线圈感应到的磁感应强 度，Bx2, By2, Bz2对应表示第i个发射线圈中与Y轴平行的一轴线圈工作时第j个接收线圈中 的与X轴平行的一轴线圈、与Y轴平行的一轴线圈、与Z轴平行的一轴线圈感应到的磁感应 强度，Bx3, By3, Bz3对应表示第i个发射线圈中与Z轴平行的一轴线圈工作时第j个接收线圈 中的与X轴平行的一轴线圈、与Y轴平行的一轴线圈、与Z轴平行的一轴线圈感应到的磁感 应强度，B' xl，B' yl，B' zl对应表示第i个发射线圈中的与X轴平行的一轴线圈对第j个 接收线圈在位置P = (x，y，z)处与X轴平行的一轴线圈、与Y轴平行的一轴线圈、与Z轴平 行的一轴线圈的理论磁感应强度，B' x2, B' y2, B' z2对应表示第i个发射线圈中的与Y轴 平行的一轴线圈对第j个接收线圈在位置P = (x，y，z)处与X轴平行的一轴线圈、与Y轴 平行的一轴线圈、与Z轴平行的一轴线圈的理论磁感应强度，B' x3, B' y3, B' 23对应表示 第i个发射线圈中的与Z轴平行的一轴线圈对第j个接收线圈在位置P = (x，y，z)处与X 轴平行的一轴线圈、与Y轴平行的一轴线圈、与Z轴平行的一轴线圈的理论磁感应强度； ⑤根据步骤④中得到的每个接收线圈在被测物体内的位置和方向，利用多项式曲线拟 合方法拟合得到柔性导管内窥镜的导管的运动变化以及镜头的行进轨迹，实现柔性导管内 窥镜的跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法，其特征在于所 述的步骤①中的发射线圈的第一轴线圈、第二轴线圈和第三轴线圈均采用漆包线绕制，在 被测物体所在空间内放置发射线圈时，其中一轴线圈平行于被测物体所在空间的地面即平 行于X轴； 所述的步骤①中的接收线圈的第一轴线圈和第二轴线圈均采用漆包线绕制，并置于柔 性导管内窥镜的导管的外管壁或柔性导管内窥镜的镜头外壁上，接收线圈的第三轴线圈采 用由柔性PCB板刻制而成的柔性PCB线圈，并粘贴于柔性导管内窥镜的导管的外管壁或柔 性导管内窥镜的镜头外壁上，接收线圈的三轴线圈两两垂直。
3. 根据权利要求2所述的一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法，其特征在于所 述的步骤①中布置在柔性导管内窥镜的导管的外管壁上的多个接收线圈等间距分布。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法， 其特征在于所述的步骤②中在第i个发射线圈中的三轴线圈上各加载的正弦波交变电信 号的频率均为2KHZ。
5. 根据权利要求4所述的一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法，其特征在于所 述的步骤③中数据后处理的具体过程为： ③-1、令k表示迭代次数，k的初始值为1，并假设经模数转换处理后得到的数据由N' 个信号值组成，并将经模数转换处理后得到的数据记为，将中的第n'个信号值记为 f\(tn，），其中，N'彡3，1彡n'彡N'，tn，表示f\(tn，）的采样时刻； ③-2、根据信号放大处理后得到的信号是否发生截止失真确定中的有效信号值的个 数，如果信号放大处理后得到的信号未发生截止失真，则认为中的所有信号值均为有效 信号值，并将中的有效信号值的个数记为N1A1 = N'，然后执行步骤③-3 ;如果信号放大 处理后得到的信号发生截止失真，则认为中值大于负截止电压且小于正截止电压的所有 信号值均为有效信号值，并将中的有效信号值的个数记为N1,1 < N'N'，然后执行步骤 ③_3 ; ③-3、根据中的所有有效信号值，获取的幅值和相位，对应记为Aml和
③-4、根据Aml和獨，确定对应的正弦波信号；再对对应的正弦波信号进行离 散化处理，将离散化处理后得到的数据记为/丨，将/丨中的第n'个信号值记为 /;(匕.）二4, - K, +約），其中，1彡n，彡N，，^表示,/1 (匕.）的采样时刻，且【,与tn,相等； ③-5、如果信号放大处理后得到的信号未发生截止失真，则对^中的信号值不作处理， 然后执行步骤③-6 ;如果信号放大处理后得到的信号发生截止失真，则将/;中值大于或等 于正截止电压的所有信号值替换成正截止电压值，并将中值小于或等于负截止电压的所 有信号值替换成负截止电压值，然后执行步骤③-6 ; ③-6、根据f i和/丨去除f i中的噪声，得
到去除噪声后的数据，记为/2，将中的 S k是否小于S k_i，如果是，则结束迭代过程，并将名作为数据后处理得到的无噪声数据，然 后按照步骤③-3的计算方法获取无噪声数据的幅值和相位；否则，将/2赋值给，然后令 k = k+l，再返回步骤③-3继续迭代；其中，表示第k-1次迭代后的计算结果精度，\ =0, k = k+1中的"="为赋值符号。
6.根据权利要求5所述的一种工业用柔性导管内窥镜的定位跟踪方法，其特征在于所 述的步骤③-2和所述的步骤③_4中负截止电压为-5V，正截止电压为+5V。
【文档编号】A61B19/00GK104361608SQ201410581509
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】胡超, 冯忠晴, 任宇鹏, 王永辉, 袁小英 申请人:浙江大学宁波理工学院