一種具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。本發(fā)明手術(shù)導(dǎo)航子系統(tǒng)由慣性導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)，其包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀及三軸磁強(qiáng)計(jì)三種傳感器。依托微機(jī)電技術(shù)，導(dǎo)航子系統(tǒng)可集成至內(nèi)窺鏡的手柄內(nèi)，使內(nèi)窺鏡自身即具備定位功能。在定位算法中，通過(guò)適當(dāng)?shù)目垢蓴_處理，降低外部磁場(chǎng)及內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的定位誤差，提高定位的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。
【專利說(shuō)明】-種具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助的內(nèi)窺鏡手術(shù)導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，W內(nèi)窺鏡系統(tǒng)為主要實(shí)施工具的微創(chuàng)手術(shù)得到了廣泛的認(rèn) 可與快速的普及。為了更好地達(dá)到微創(chuàng)的目的，醫(yī)生必須精確的獲取當(dāng)前內(nèi)窺鏡的姿態(tài)及 位置，故常常需要借助手術(shù)定位與導(dǎo)航技術(shù)。因此，現(xiàn)代內(nèi)窺技術(shù)與醫(yī)學(xué)導(dǎo)航技術(shù)是相輔相 成的，在手術(shù)期間也常常需要同時(shí)兩套系統(tǒng)相互配合。
[0003] 中國(guó)專利CN200910198524號(hào)公開(kāi)了一種《將手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)與內(nèi)窺鏡系統(tǒng)結(jié)合的 裝置及其應(yīng)用》，該專利給出了一種將光學(xué)定位系統(tǒng)與內(nèi)窺鏡相結(jié)合的方法：通過(guò)特殊的機(jī) 械結(jié)構(gòu)，將光學(xué)定位球固定于內(nèi)窺鏡手柄上。在使用過(guò)程中，需通過(guò)攝像機(jī)組對(duì)光學(xué)定位球 進(jìn)行跟蹤，從而對(duì)內(nèi)窺鏡定位的目的。
[0004] 上述專利在實(shí)際應(yīng)用中存在如下問(wèn)題：一、機(jī)械結(jié)構(gòu)的引入導(dǎo)致內(nèi)窺鏡手柄部分 的體積大大增加，可能會(huì)對(duì)正常的內(nèi)鏡操作帶來(lái)影響。二、光學(xué)定位在原理上需要保證攝像 機(jī)與定位球之間存在無(wú)遮擋的視線，該條件將限制系統(tǒng)的定位范圍，可能產(chǎn)生多個(gè)不可定 位區(qū)域。H、光學(xué)定位在原理上需要借助多個(gè)攝像機(jī)完成定位任務(wù)，該將會(huì)給手術(shù)室?guī)?lái)不 必要的空間壓力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種具備抗干擾能力的帶有 手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。
[0006] 首先，該系統(tǒng)通過(guò)將由慣性導(dǎo)航模塊構(gòu)成的定位子系統(tǒng)集成于內(nèi)窺系統(tǒng)內(nèi)部，克 服了定位子系統(tǒng)對(duì)內(nèi)鏡操作的影響，且消除了光學(xué)定位中的不可定位區(qū)域，同時(shí)也避免了 光學(xué)定位帶來(lái)的空間壓力。另一方面，對(duì)于慣性導(dǎo)航自身而言，工作空間中的電子設(shè)備及鐵 質(zhì)器械W及內(nèi)窺鏡的非慣性運(yùn)動(dòng)都會(huì)直接影響到定位的精度與穩(wěn)定性，因此本發(fā)明在算法 實(shí)現(xiàn)部分，提供相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)，W提高定位的魯棒性。
[0007] 本發(fā)明提供的具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)包括，內(nèi)窺鏡和 負(fù)責(zé)控制與定位解算的上位機(jī)，在所述內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)預(yù)留有導(dǎo)航模塊安裝平臺(tái)，借助微機(jī) 電極小化后安裝于內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部安裝平臺(tái)上的慣性導(dǎo)航模塊，慣性導(dǎo)航模塊包含H軸加 速度計(jì)、H軸巧螺儀和H軸磁強(qiáng)計(jì)H種傳感器，W及帶有無(wú)線通信功能的片上系統(tǒng)和微型 天線，片上系統(tǒng)采集H種傳感器輸出的傳感數(shù)據(jù)，并依靠微型天線將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送給上位 機(jī)；所述的上位機(jī)包括電腦、帶有無(wú)線通信功能的片上系統(tǒng)、W及天線，帶有無(wú)線通信功能 的片上系統(tǒng)通過(guò)天線接收慣性導(dǎo)航模塊輸出的傳感數(shù)據(jù)，并將傳感數(shù)據(jù)打包傳輸給電腦， 電腦通過(guò)已設(shè)計(jì)好的定位算法進(jìn)行定位解算。
[0008] 所述電腦中的定位算法具備抗干擾能力，能夠抑制磁場(chǎng)崎變W及內(nèi)窺鏡非慣性運(yùn) 動(dòng)帶來(lái)的傳感器輸出噪聲；當(dāng)通過(guò)地磁矢量與比力矢量對(duì)內(nèi)窺鏡的姿態(tài)進(jìn)行收斂時(shí)，將地 磁矢量輸出的相對(duì)誤差W及比力矢量輸出的相對(duì)誤差作為收斂觀測(cè)函數(shù)的權(quán)重，W調(diào)整收 斂方向，自適應(yīng)地獲取姿態(tài)收斂結(jié)果；通過(guò)巧螺儀及加速度計(jì)的輸出將比力矢量分解為線 性加速度、重力加速度及向也加速度H項(xiàng)，并通過(guò)對(duì)線性加速度進(jìn)行二次積分，獲取位置結(jié) 果。
[0009] 具體實(shí)施上，本方法將傳統(tǒng)用于載體導(dǎo)航的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于手術(shù)定位領(lǐng)域。 將由H軸巧螺儀、H軸加速度計(jì)和H軸磁強(qiáng)計(jì)組成的微機(jī)電慣性傳感單元固定于內(nèi)窺鏡手 柄內(nèi)部，W獲取傳感數(shù)據(jù)。傳感數(shù)據(jù)再通過(guò)無(wú)線通信方式傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)算法實(shí) 現(xiàn)，進(jìn)行全維度定位。定位算法可大致分為兩步。第一步，通過(guò)巧螺儀輸出對(duì)姿態(tài)進(jìn)行更新， 并通過(guò)加速度計(jì)輸出與磁強(qiáng)計(jì)輸出對(duì)姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行收斂。收斂過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量加速度 計(jì)輸出及磁強(qiáng)計(jì)輸出的相對(duì)誤差，控制加速度矢量及地磁矢量在收斂過(guò)程中的權(quán)重，W得 到具備抗噪特性的自適應(yīng)姿態(tài)結(jié)果。第二步，基于已得到的姿態(tài)結(jié)果，W及加速度計(jì)和巧螺 儀的輸出，通過(guò)構(gòu)建剛體運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)H維度的位置進(jìn)行解算。該部分并未直接利用地磁測(cè) 量結(jié)果，故可進(jìn)一步避免可能的磁干擾。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0011] 針對(duì)已公開(kāi)專利存在的瓶頸，本發(fā)明將慣性傳感引入醫(yī)學(xué)導(dǎo)航領(lǐng)域，并將借助微 機(jī)電技術(shù)極小化的慣性傳感模塊安裝至內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部。通過(guò)加速度、巧螺儀及磁強(qiáng)計(jì)實(shí) 時(shí)測(cè)量比力、角速度及地磁矢量；被采集的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送給上位機(jī)，并通過(guò) 算法解算得到內(nèi)窺鏡的實(shí)時(shí)姿態(tài)與位置。
[0012] 本發(fā)明將導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入至內(nèi)窺系統(tǒng)內(nèi)部，并不會(huì)改變內(nèi)窺鏡的外形，故防止了導(dǎo) 航系統(tǒng)對(duì)內(nèi)窺系統(tǒng)的影響。同時(shí)，慣性導(dǎo)航并不存在光學(xué)定位中的視線需求，且無(wú)需再布置 外圍設(shè)備（如光學(xué)定位系統(tǒng)中的攝像機(jī)組等），減輕了手術(shù)室的空間壓力。
[0013] (1)克服傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航方法的臨床困難。傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航方法包括光學(xué)定位與電磁 定位。前者有嚴(yán)格的視線要求，后者需嚴(yán)格控制工作空間的電磁干擾源。該兩點(diǎn)在實(shí)際的 手術(shù)環(huán)境是難W達(dá)到的。然而，慣性導(dǎo)航能夠有效的避免該些問(wèn)題：一方面，慣性系統(tǒng)在使 用中并不受到視線條件的限制；另一方面，多傳感信息的融合可降低系統(tǒng)對(duì)磁傳感的依賴， 借助有效的算法設(shè)計(jì)，系統(tǒng)對(duì)噪聲的響應(yīng)可被進(jìn)一步削弱。最終，可構(gòu)建一套能夠用于全空 間范圍的輸出穩(wěn)定的手術(shù)定位系統(tǒng)。
[0014] (2)內(nèi)窺系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)相互不干擾。由于在本裝置中，導(dǎo)航系統(tǒng)被安裝在內(nèi)窺鏡 系統(tǒng)的內(nèi)部，并不會(huì)改變內(nèi)窺鏡的外形，因而不會(huì)對(duì)醫(yī)生的操作帶來(lái)不便。同時(shí)，內(nèi)窺系統(tǒng) 可W在全空間任意運(yùn)動(dòng)，并不會(huì)存在光學(xué)定位系統(tǒng)中遮擋觀察視線的問(wèn)題。
[0015] (3)抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性高。系統(tǒng)引入慣性傳感，通過(guò)信息融合技術(shù)提高系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。在融合過(guò)程中，通過(guò)觀察磁強(qiáng)計(jì)及加速度計(jì)輸出的相對(duì)誤差，考察信息源的可信 度。根據(jù)相對(duì)誤差大小，控制收斂的方向與程度，得到對(duì)噪聲自適應(yīng)的最優(yōu)姿態(tài)解。綜上， 通過(guò)硬件與軟件層面的方法實(shí)現(xiàn)，盡可能的提高系統(tǒng)整體的魯棒性。
[001引 （4)實(shí)時(shí)性化適應(yīng)性強(qiáng)。相對(duì)于已公開(kāi)的具有抗噪特性的慣性定位方法，本方法 避免了復(fù)雜的濾波過(guò)程，降低算法復(fù)雜度，W獲得更好的實(shí)時(shí)性。與此同時(shí)，本方法并不需 要事先的標(biāo)定過(guò)程，因而也避免了在更換使用環(huán)境時(shí)需重復(fù)標(biāo)定的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)對(duì)不 同環(huán)境的適應(yīng)性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是手術(shù)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框架圖。
[0018] 圖2是導(dǎo)航單元的安裝方式示意圖，圖中，1為內(nèi)窺鏡（局部），2為安裝于內(nèi)窺鏡 手柄的慣性傳感單元。
[0019] 圖3是基于傳感融合的自適應(yīng)跟蹤方法的整體流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 實(shí)施例1 :
[0021] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡 系統(tǒng)包括，內(nèi)窺鏡和負(fù)責(zé)控制與定位解算的上位機(jī)，在所述內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)預(yù)留有導(dǎo)航模塊 安裝平臺(tái)，借助微機(jī)電極小化后安裝于內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部安裝平臺(tái)上的慣性導(dǎo)航模塊，慣性 導(dǎo)航模塊包含H軸加速度計(jì)、H軸巧螺儀和H軸磁強(qiáng)計(jì)H種傳感器，W及帶有無(wú)線通信功 能的片上系統(tǒng)和微型天線，片上系統(tǒng)采集H種傳感器輸出的傳感數(shù)據(jù)，并依靠微型天線將 傳感數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；所述的上位機(jī)包括電腦、帶有無(wú)線通信功能的片上系統(tǒng)、W及天 線，帶有無(wú)線通信功能的片上系統(tǒng)通過(guò)天線接收慣性導(dǎo)航模塊輸出的傳感數(shù)據(jù)，并將傳感 數(shù)據(jù)打包傳輸給電腦，電腦通過(guò)已設(shè)計(jì)好的定位算法進(jìn)行定位解算。
[0022] 本發(fā)明在內(nèi)窺鏡手柄組裝完成前，在其內(nèi)部加工出一個(gè)尺寸與慣性導(dǎo)航模塊尺寸 一致，兩邊分別與內(nèi)窺鏡鏡管平行或垂直的矩形凹槽，作為矩形的慣性導(dǎo)航模塊的安裝平 臺(tái)。
[0023] 本發(fā)明將慣性傳感器單元W特定方式固定于內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部，采用片上系統(tǒng)采集 傳感數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線通信傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)本發(fā)明提出的算法進(jìn)行6自由度的位 置解算，W實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)窺鏡的實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航。算法部分，通過(guò)H軸巧螺儀輸出對(duì)姿態(tài)進(jìn)行初步 估計(jì)，并通過(guò)H軸磁強(qiáng)計(jì)和H軸加速度計(jì)輸出分別對(duì)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，收斂估計(jì)值，W獲取姿 態(tài)測(cè)量值。收斂過(guò)程中，磁強(qiáng)計(jì)輸出與地磁場(chǎng)的相對(duì)誤差及加速度計(jì)輸出與重力加速度的 相對(duì)誤差作為自適應(yīng)因子，判斷噪聲的大小，調(diào)整收斂權(quán)重，得到自適應(yīng)收斂結(jié)果。獲得實(shí) 時(shí)姿態(tài)結(jié)果后，分離加速度計(jì)的各輸出分量，W構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程。進(jìn)而，解算線性加速 度分量，并對(duì)其關(guān)于時(shí)間進(jìn)行數(shù)值積分，得到當(dāng)前位置。
[0024] 一、系統(tǒng)硬件構(gòu)成
[0025] 請(qǐng)見(jiàn)圖1所示，系統(tǒng)在硬件上分為兩個(gè)部分。第一部分為安裝于內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部 的傳感器單元；其由傳感器模組、無(wú)線發(fā)射模組及微型天線組成。傳感器模組包含H個(gè)微機(jī) 電傳感器，即加速度計(jì)、巧螺儀與磁強(qiáng)計(jì)。無(wú)線發(fā)射模組主要為一個(gè)帶有無(wú)線發(fā)射功能的片 上系統(tǒng)。第二部分為負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解算與顯示的上位機(jī)；其由通訊控制中也、無(wú)線發(fā)射模組及天 線組成。通信控制中也為本系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理。無(wú)線接收模組也主要 由一個(gè)帶有無(wú)線發(fā)射功能的片上系統(tǒng)構(gòu)成。
[0026] 請(qǐng)見(jiàn)圖2所示，在將導(dǎo)航系統(tǒng)安裝至內(nèi)窺系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)，需要將兩套系統(tǒng)的坐標(biāo)軸 進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)的原則的是：傳感器單元的X軸平行于內(nèi)窺鏡工作鏡管，Z軸垂直于內(nèi) 窺鏡工作鏡管且背向手柄的方向。為了達(dá)到對(duì)準(zhǔn)目的，在內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部加工出矩形的凹 槽，其兩邊長(zhǎng)與矩形的慣性導(dǎo)航模塊的兩邊長(zhǎng)一致，作為慣性導(dǎo)航模塊的安裝平臺(tái)，安裝平 臺(tái)一邊平行于內(nèi)鏡工作鏡管，一邊垂直于工作鏡管。呈矩形的傳感器單元電路板通過(guò)螺釘 固定于安裝平臺(tái)，其各邊分別與安裝平臺(tái)各邊對(duì)齊。為了保證傳感器單元電路板完全貼緊 與安裝平臺(tái)，電路板所有電子元件全部分部于電路板一面。
[0027] 二、系統(tǒng)工作流程
[0028] 系統(tǒng)工作時(shí)，無(wú)線發(fā)射模組通過(guò)特定通信方式，采集傳感器模組的輸出，并將其通 過(guò)微型天線向上位機(jī)發(fā)射。上位機(jī)的無(wú)線接收模組通過(guò)天線接收到數(shù)據(jù)后，再發(fā)送給通訊 控制中也，并由其進(jìn)行解算，得到定位結(jié)果。例如，可W使用支持Zi濁ee協(xié)議的片上系統(tǒng)作 為無(wú)線發(fā)射模組與無(wú)線接收模組，并使用Zi濁ee協(xié)議作為系統(tǒng)兩部分之間的通信方式；W 臺(tái)式電腦作為通訊控制中也；無(wú)線發(fā)射模組與傳感器模組W I2C或SPI協(xié)議進(jìn)行通信；無(wú) 線接收模組與通訊控制中也W USB協(xié)議進(jìn)行通信。
[0029] H、自適應(yīng)的姿態(tài)定位方法
[0030] 整體定位流程請(qǐng)見(jiàn)圖3所示。本發(fā)明使用重力矢量和地磁矢量對(duì)傳感器的姿態(tài)四 元數(shù)進(jìn)行收斂。在收斂過(guò)程中，根據(jù)加速度計(jì)輸出與重力加速度的差異及磁強(qiáng)計(jì)輸出與地 磁強(qiáng)度的差異來(lái)分配權(quán)重因子。
[0031] 設(shè)，？為加速度計(jì)在載體坐標(biāo)系的輸出，品為磁強(qiáng)計(jì)在載體坐標(biāo)系的輸出；gn為 加速度計(jì)在參考坐標(biāo)系的輸出，Hf為磁強(qiáng)計(jì)在參考坐標(biāo)系的輸出。
[0032] 對(duì)于加速度計(jì)測(cè)量而言，相對(duì)于重力加速度，線性加速度與向也加速度為小量。線 性加速度與向也加速度的引入并不會(huì)明顯的影響比力的方向，比力的方向可基本認(rèn)定為重 力加速度的方向。故，僅使用標(biāo)量值構(gòu)建相對(duì)誤差。即：

【權(quán)利要求】
1. 一種具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，包括內(nèi)窺鏡和負(fù)責(zé)控制 與定位解算的上位機(jī)，其特征在于在所述內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部預(yù)留有導(dǎo)航模塊安裝平臺(tái)，借助 微機(jī)電極小化后安裝于內(nèi)窺鏡手柄內(nèi)部安裝平臺(tái)上的慣性導(dǎo)航模塊，慣性導(dǎo)航模塊包含三 軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁強(qiáng)計(jì)三種傳感器，以及帶有無(wú)線通信功能的片上系統(tǒng)和 微型天線，片上系統(tǒng)采集三種傳感器輸出的傳感數(shù)據(jù)，并依靠微型天線將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送給 上位機(jī)；所述的上位機(jī)包括電腦、帶有無(wú)線通信功能的片上系統(tǒng)、以及天線，帶有無(wú)線通信 功能的片上系統(tǒng)通過(guò)天線接收慣性導(dǎo)航模塊輸出的傳感數(shù)據(jù)，并將傳感數(shù)據(jù)打包傳輸給電 腦，電腦通過(guò)已設(shè)計(jì)好的定位算法進(jìn)行定位解算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征 在于所述電腦中的定位算法具備抗干擾能力，能夠抑制磁場(chǎng)畸變以及內(nèi)窺鏡非慣性運(yùn)動(dòng)帶 來(lái)的傳感器輸出噪聲；當(dāng)通過(guò)地磁矢量與比力矢量對(duì)內(nèi)窺鏡的姿態(tài)進(jìn)行收斂時(shí)，將地磁矢 量輸出的相對(duì)誤差以及比力矢量輸出的相對(duì)誤差作為收斂觀測(cè)函數(shù)的權(quán)重，以調(diào)整收斂方 向，自適應(yīng)地獲取姿態(tài)收斂結(jié)果；通過(guò)陀螺儀及加速度計(jì)的輸出將比力矢量分解為線性加 速度、重力加速度及向心加速度三項(xiàng)，并通過(guò)對(duì)線性加速度進(jìn)行二次積分，獲取位置結(jié)果。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具備抗干擾能力的帶有手術(shù)導(dǎo)航功能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其 特征在于在內(nèi)窺鏡手柄組裝完成前，在其內(nèi)部加工出一個(gè)尺寸與慣性導(dǎo)航模塊尺寸一致， 兩邊分別與內(nèi)窺鏡鏡管平行或垂直的矩形凹槽，作為矩形的慣性導(dǎo)航模塊的安裝平臺(tái)。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK104224089SQ201410465885
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】陳曉冬, 杜承陽(yáng), 汪毅, 郁道銀 申請(qǐng)人:天津大學(xué)