基於多傳感器的內窺鏡跟蹤定位與數字人動態同步顯示裝置的製作方法

2023-05-10 15:11:56 2

專利名稱：基於多傳感器的內窺鏡跟蹤定位與數字人動態同步顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於多傳感器跟蹤定位領域，尤其適合內窺鏡探頭等微小區域的方位探測。
背景技術：
在醫療上，醫生一般通過內窺鏡採集到的圖像，依靠經驗來對病變位置進行判斷，具有較大誤差。而在ー些特殊場合下，醫生需要結合內窺鏡得到的病變位置信息，配合手術等措施進行綜合治療，因此對病變位置的方位精度要求較高。在日本，美國一些發達國家， 膠囊內窺鏡應用逐漸普遍，對其定位和控制也是目前的研究熱點。目前國內外採用的內鏡定位技術，多為採用以磁場分布為核心的測算方法，分為體內置磁場傳感器，體外多點磁場源，或者體內磁場發射源，體外數十個探測器陣列兩種。以磁場分布為核心的定位系統，需要耗費大量的磁場源或磁場傳感器探測裝置，定位的速度和精度都有所下降，而且以體內放置的磁場源，一般為磁偶極子，其磁場發射範圍有限，作為永磁體其使用壽命和磁場衰減等都會干擾到長期使用，本專利應用傳感技術對空間位置進行解算，採用電磁場線圈產生磁場，磁場穩定且衰減較小，實現方法較為快捷。多傳感器的姿態測量系統，已經廣泛應用在航天，衛星姿態等領域，但是由於傳感器的體積和精度原因，一直無法適用於微型探測領域。近年來，隨著微型MARG多傳感器模組(MEMS三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸磁強計)的誕生，使得多傳感定位技術的應用層面逐漸擴大，甚至可以嵌入手機進行翻轉跟蹤，本專利的設計更加微型化，即為將微型多傳感器模組置於內窺鏡探頭中，實現微小載體下姿態的精準測量。多傳感器的姿態定位算法，其核心思想是利用陀螺儀的姿態累積保證姿態跟蹤的連續性，以輔助傳感器結合卡爾曼濾波方法，來修正陀螺儀的累積誤差，從而保證姿態跟蹤的精確性，這種方法適合於姿態變化緩慢的大型載體的定位。本專利在此基礎上進行方法優化，適應了內窺鏡等小載體對快速姿態跟蹤的需求。在內窺鏡的絕對位置定位上，相比其它的定位技木，例如，利用機械特性進行定位，精度較低且結構複雜，而對磁場源進行全空間建模則過於複雜，不易實現。數字人技木，目前主要應用在醫學圖像還原，人體結構分析等領域，大多數是應用在靜態的病理分析上，在同步跟蹤方面的應用較少，本專利應用OPEN GL技術，將定位信息與數字人技術結合，實現了對定位信息的動態綜合顯示。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種基於多傳感器的內窺鏡跟蹤定位與數字人動態同步顯示的一體化裝置。該一體化裝置，通過多傳感器技術和磁場定位技術，實現對姿態的高速採集和準確定位，通過與數字人顯示技術結合，實現了定位信息的動態顯示，使內窺鏡的定位跟蹤結果更加直觀。
該裝置利用的方法是將多傳感器模組微縮到內窺鏡探頭前端，探頭作為載體在發生姿態旋轉時，通過傳感信息的解算，可以得到大地坐標繫到載體坐標系的轉換矩陣的具體表達，以大地坐標係為基準，轉換矩陣就對應了當前載體的姿態。在完成姿態解算的同吋，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，並結合當前具體姿態，綜合得到載體所在的空間位置。之後，由OPEN GL的建模技術，將接受觀測的人體的體重和身高輸入，在MFC界面仿真得到ー個包括器官模型在內的透視的數字人模型，並將姿態和位置信息傳輸給PC機，在數字人內，以合適比例建立動態的內窺鏡模型，從而完成姿態和位置的定位，實現內窺鏡在人體內移動過程的同步再現。該裝置包括內窺鏡前端姿態採集模塊、通訊與控制中心、勵磁線圈模塊，PC處理中心四個主要部分，其具體結構和連接關係分別如下；內窺鏡前端姿態採集模塊由固定在內窺鏡探頭處的多傳感器系統構成，所述的多傳感器系統包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁場傳感器，這三個傳感器同時由3. 3V的電源供電，各傳感器的SDA和SCL數據線合併在一條信息通路，對內窺鏡探頭的姿態和位置變化過程中空間矢量的分布進行測量輸出，前端探頭與通訊與控制中心直接相連。 通訊與控制中心該部分以單片機為核心，外部掛載多種通訊方式，包括串ロ，I2C以及無線接收裝置，同時對外置的勵磁線圈進行數字選通控制，該通訊與控制中心作為通訊的中介模塊，位於人體外部，作為傳統內窺鏡圖像處理器的輔助功能部分，以內窺鏡頭的多傳感信息為輸入連接內窺鏡的輸出端，以數字選通和串ロ作為輸出分別連接勵磁線圈和PC機。勵磁線圈模塊包含三個多匝、密繞的銅線圈構成的勵磁線圈，根據定位算法需求在一定周期內循環通電和放電，構建符合定位需求的環繞磁場，三個勵磁線圈放置在病床下部，正對人體腹腔中心部位，分別與通訊與控制中心的數字選通端相連，通過單片機的IOロ來進行數字控制。PC處理中心與通訊控制中心的串ロ輸出端連接進行數據通訊，波特率為38400，傳輸速率約110KHZ，在MFC的環境下，包含兩個獨立軟體功能模塊，分別為(I)傳感信息姿態解算模塊主要利用跟蹤定位算法，根據多傳感器系統採集到的信息，在PC機中完成對姿態角和位置信息的解算；(2).同步模型顯示模塊為了便於人機互動，以PC的圖形構建功能，創建數字人和跟蹤的內窺鏡模型，以模型動作仿真真實環境，方便醫生進行對比診斷。前端採集模塊中涉及的傳感模組結構，針對軟管有線內窺鏡和膠囊無線內窺鏡可以分別設計不同的傳感器的位置結構和通訊方式，擴展了姿態定位技術的應用範圍和靈活性；而且，所採用的多傳感器系統，既包含目前常用的三軸陀螺儀對傾角等姿態變化進行積分，又加入三軸加速度計和三軸磁場傳感器對姿態的誤差進行修正，姿態定位精度較高。採用多個勵磁線圈選通定位的方法，對人體無傷害，而且其特殊組合位置，保證了人體位於其磁場強度較大的區域，方便解算和測量。本發明所述的勵磁線圈採用多匝，圓柱密繞的方式，並且採用定製的160mm非標準大直徑繞制，其磁場分布範圍較廣，相比採用磁偶極子的點磁場而言，具有更好的空間對稱性和磁場強度，便於傳感器進行高精度採集；磁場線圈位於人體下方。通過上述裝置，可以實現在內窺鏡的診斷過程中，對人體內的姿態和位置進行ー體化的跟蹤和顯示，方便醫生的操作和對比觀察，一體化的裝置，便於醫生對內鏡位置的直觀認識，結合內窺鏡鏡頭採集到的圖像和PC機內的數字模型，可相對準確的判斷出病變位置，在實際使用中，用戶主要通過以下幾個步驟來完成對該裝置的初始化和使用第1、將內窺鏡放置於標定的水平面上，並作初始化數據採集與傳感器靈敏度標定，排除定位範圍內的磁幹擾的手機等電磁幹擾設備，以及其他軟磁性的物質，為磁場定位清理環境幹擾，輸入人體的體重和身高數據，為數字人建模提供比例標準。第2、啟動通訊控制中心，將各通訊通道開啟，預備開始數據採集和控制，勵磁線圈按照算法需求進行高速選通， 構建不同點的瞬態磁場。第3、將內窺鏡連接軟管或者採用膠囊內窺鏡，送入人體，系統開始連續數據採集，通訊控制中心周期性的採集傳感信息並傳回PC中進行姿態解算。第4、PC內姿態解算和同步顯示雙線程完成，通過數據通道，將姿態信息從不同線程中進行通訊，同步數字人顯示模型不斷刷新，實現「連續」動態跟蹤。第5、重複第3歩-第4步的過程，對內窺鏡鏡頭的運動和方位實時探測和跟蹤。本發明的優點和積極效果a)採用多傳感定位，精度較高。同傳統的利用磁場空間分布或者採用加速度和地磁的歐拉角定位方式，該裝置採用三傳感器的融合定位，角度定位的精度較高。而且，採用多個外部磁場線圈，綜合實現位置定位，比單純利用一個磁場源，採用多個傳感器，位置定位的範圍和精度提聞。b)通用性好，應用面廣。隨著目前越來越多的處理電路進入內窺鏡前端，實現ー些特殊功能(例如CMOS的前端電路，膠囊內窺鏡的無線發射電路等)。MEMS技術帶來的微型傳感器模組可以植入多種內窺鏡的前端電路中，實現各類內窺鏡的跟蹤定位，為醫生提供額外的判斷標準。而且在エ業上ー些特殊環境下，利用這種導航式跟蹤方法，比用X光穿透照射等安全，而且快捷。c)科學性高，顯示直觀。整體定位採用的方法較為科學，姿態解算以陀螺儀為核心進行姿態累積，以加速度計和地磁傳感器作為姿態的收斂修正，算法的科學性和反饋性較好。且位置定位採用的是線圈磁場分布的某一特徵，該特徵在整個人體空間內都符合要求可以利用，使得位置解算的科學性較好。醫生需要看到的不是坐標和角度等信息，利用數字人技術同步顯示的方法，直觀顯示內窺鏡與器官的相對位置等，便於醫學上的實時判斷與應用。


圖1是整體定位與顯示的功能示意圖，Ia和Ib表示內窺鏡前端的傳感模塊結構；2表示人體下方的電感勵磁線圈；3表示通訊與控制中心；4表示PC處理中心。圖2是有線軟管內窺鏡的前端傳感結構和通訊方式示意圖，11表示隔離層；12表示軟管內窺鏡前端定位探頭；13表示照明光纖；14為CMOS攝像鏡頭驅動電路；15表示搭載在14上的多傳感器系統；圖3是無線膠囊內窺鏡的前端傳感結構和通訊方式示意圖。16為膠囊前端LED與鏡頭；17表示多傳感器系統在膠囊內窺鏡內的位置結構；18，19表示膠囊內窺鏡的無線發射結構；20表示膠囊內窺鏡形狀示意；
圖4是體外線圈的繞線方式以及多線圈的空間位置結構。圖5是通訊控制中心與PC處理中心的組成和功能結構圖，5表示內窺鏡微型模組的組成；6為三組勵磁線圈；7為兩種通訊方式；8表示通訊控制中心；9，10表示PC機內的兩個主要功能模塊。圖6是數字人跟蹤定位效果圖。
具體實施例方式實施例1如圖1所示，本發明提供的基於多傳感器的內窺鏡跟蹤定位與數字人動態同步顯示裝置包括，內窺鏡前端姿態採集模塊、通訊與控制中心、勵磁線圈模塊，PC處理中心四部分構成。每個部分的主要結構組成及功能如下 1.內窺鏡前端姿態採集模塊由固定在內窺鏡探頭處的多傳感器系統Ib構成，所述的多傳感器系統包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁場傳感器，這三個傳感器同時由3. 3V的電源供電，各傳感器的SDA和SCL數據線合併在一條信息通路，根據兩種典型內窺鏡結構，分別通過軟管或者無線的方式，多傳感器技術對內窺鏡探頭的姿態和位置變化過程中的各空間矢量的分布進行數據採集並輸出給通訊與控制中心；該模塊放置於軟管內窺鏡或者膠囊內窺鏡前端，可以與CCD或者CMOS微型鏡頭的驅動或者封裝電路進行集成，考慮到不同傳感器對準性的問題，內窺鏡前端裝置所採用的傳感器儘量米用融合晶片，目前的多傳感融合晶片(例如MPUXX50系列)一般將，三軸陀螺儀和三軸加速度計封裝在一起，保證其坐標系三軸的對準性，融合晶片的對角長度在5mm以內。而地磁傳感器由於所需磁阻的微型原理，不能與MEMS晶片一同進行封裝，因此整個前端多傳感器採集裝置，一般包含兩個主晶片，以及其它周邊電路，由於內窺鏡前端面積較小，因此周邊電路的貼片封裝一般採用最小化的電阻和電容體積。內窺鏡前端採集的數據，一般包括載體三軸上的實時角速度，通過陀螺儀來測量，而三軸加速度計和三軸磁場傳感器分別以當前載體作為觀測點，測量空間中的重力加速度和磁場矢量在其坐標系下的三軸分布，每個軸上的採集數據位數一般為16位，晶片的採集模式和採集速度等均由通訊中心進行通訊命令控制。2.通訊與控制中心以單片機為核心，外部掛載多種通訊方式，包括串ロ，I2C以及無線接收裝置，同時對外部勵磁線圈進行數字選通控制；根據不同的內窺鏡種類，其通訊方法有所區別，如圖2，對於一般常用的軟管式內窺鏡，其內窺鏡的圖像採集信息一般通過軟管中的微型線纜可以進行傳輸，則這種情況下只需在其傳輸線纜的信號線中增加I2C的SDA和SCK的通訊路徑，就可以將前端採集裝置的信息通過I2C協議傳輸給通訊控制中心。如圖3，在膠囊內窺鏡上，由於膠囊內窺鏡目前採用的是微型的無線傳輸，其主要信號傳輸方式是無線裝置，因此姿態採集裝置需要首先連接到ー塊支持I2C協議的緩存SDRAM中，該SDRAM可以與無線傳輸信號聯繫,從而與同樣支持無線傳輸的通訊控制中心建立通訊。如圖5中的連接方式所示，由於PC無法方便的控制IO以及I2C的命令等原因，因此需要經過ー個通訊控制中心，對各個命令和算法步驟的順序等進行調度，該部分作為數據採集和控制調度的中心，一般包括ー個核心的8位處理MCU，支持多個通訊接ロ，包括串ロ，I2C協議以及無線通訊協議，通過對單片機內主循環程序的設計，並且與PC進行交互，實現對傳感信息的實時採集和處理。同時該裝置通過IO周期的控制多個勵磁線圈的通斷，按照位置定位的算法要求，實現對外部電磁線圈的上電和放電，並利用延時保證上電和放電的過程中不進行定位計算。3.勵磁線圈勵磁模塊包含三個多匝、密繞的銅線圈構成的勵磁線圈，根據定位算法需求在一定周期內循環通電和放電，構建符合定位需求的環繞磁場。如圖4，為了實現對內窺鏡的實時定位，需要在人體外部構建ー個周期性的 位移磁場，利用磁場的分布特性，來對內鏡進行定位。通過多匝多層密繞的方式，定製的160mm直徑大尺寸勵磁線圈，在0. 14A的穩定電流下，即可產生可供精確探測的300mGauss-4000mGauss的磁場強度範圍，距離線圈越近強度越強；採用三個線圈,循環供電，實現對不同位置的線圈的信息採集，綜合建模即可實現定位。由於實際定位當中，內窺鏡的活動範圍有限，因此磁場線圈的分布採用集中化的方法，保證了人體體腔範圍內的磁場環境和磁場強度。4. PC處理中心接收通訊控制中心的數據上傳，包含兩個獨立軟體功能模塊，分別為(I).傳感信息姿態解算模塊9 :主要利用跟蹤定位算法，根據多傳感器系統採集到的信息，在PC機中完成對姿態角和位置信息的解算；(2).同步模型顯示模塊10 :為了便於人機互動，以PC的圖形構建功能，創建數字人和跟蹤的內窺鏡模型，以模型動作仿真真實環境，方便醫生進行對比診斷。如圖5，PC經過串ロ從通訊控制中心將傳感信息接收到後，利用MFC經過一系列的姿態解算方法，主要包括陀螺儀的四元數姿態解算和重力加速度，地磁場的矢量收斂，配合不同位置的靜態磁場下傳感器的不同輸出，綜合解算出內窺鏡當前的空間坐標，完成姿態解算。另ー個線程下，電腦不斷刷新數字人的顯示模型，從姿態解算線程，將姿態解算結果傳遞過來後，結合內窺鏡的小模型，一同在數字人模型下進行顯示，利用OPENGL的光照模型，展示出內窺鏡頭所處方位，鏡頭圖像所拍攝的器官的範圍分布等。該裝置所採用的方法，主要是以三軸陀螺儀，三軸加速度計以及三軸磁強計組成的多傳感器探測系統為核心，實現對內窺鏡探頭姿態方位的測量，同時結合人體外部的勵磁線圈組，通過磁場線圈的磁場特徵，綜合建模得到內窺鏡探頭的位置坐標。將內窺鏡的形狀和當前的姿態位置信息導入PC的數字人模型中，同步刷新渲染實現動態同步顯示。通過上述裝置實現一體化的姿態定位和同步顯示，算法和裝置整體設計好後，只需要醫生對裝置進行初始化設定，以及對病人的身高體重等進行輸入，即可完成全程的跟蹤。其主要實施操作步驟如下步驟1.定位裝置和軟體參數的初始化在使用整套系統前，需要進行初始化，包括陀螺儀和磁場傳感器的標定，磁場線圈的放置調整，磁場環境的清理和病人基本信息的輸入。其中，陀螺儀的標定主要是為了將各軸角速度的輸出靜態偏置消除，而磁場傳感器的標定則是對XYZ軸探測靈敏度的比例和範圍修正。這部分修正只需在首次使用時進行一次即可，陀螺儀的修正方法是，靜態下觀測三軸輸出，求各軸角速度輸出的平均值，分別將各軸上的靜態平均值記錄在PC內配套的軟體參數中作為修正誤差，這部分操作在MFC下的功能操作中可以ー鍵完成。地磁場的標定修正，則需要用戶將內窺鏡載體在水平面內以及垂直水平面內分別360度旋轉，這個過程，三軸的輸出均包含磁場分布最大和最小值，從而通過平均得到其中心偏差和有效範圍，進而得到三軸的靈敏度比例，進行歸一化，這部分參數在第一次使用中進行標定，並且存入PC內作為軟體參數，通過MFC下的功能操作即可簡單完成。磁場線圈位置的調整，由於根 據內窺鏡進入人體的路徑不同，以及所探測的病變位置不同，可以將磁場線圈位移到特定範圍內，保證其定位範圍有效，該操作可以通過導軌和導軌上幾個特殊的卡位點來實現。另外，為了保證數字人以及內部器官的對應位置儘量接近被檢測病人的實際情況，需要根據病人的ー些人體特徵，例如體重，身高，腰圍，胸圍，來對數字人以及器官進行比例縮放。步驟2.前端探頭的傳感器放置與傳感信息的採集針對兩種典型的內窺鏡，分別對應著兩種不同的傳感器放置，以及採集傳輸方式。如圖2中所示，表示針對軟管內窺鏡的傳感信息採集裝置和採集過程，在有線方式下，以l/6inch的微型CMOS探頭12為例，多傳感器模組15可以放置於CMOS的驅動電路中14，通過CMOS的信號線將傳輸信息發送給通訊控制中心進行處理，主要方式是將多傳感器全部置於一條總的I2C通訊線上，通過單片機對傳感信息的採集順序等進行調度，其中管道13表示照明光纖通路。如圖3中所示，表示膠囊內窺鏡的傳感信息採集過程，其中，膠囊的前端為內窺鏡的前端視頻採集鏡頭16，末端為膠囊內窺鏡的視頻無線傳輸電路19，為了實現膠囊內窺鏡的定位，在膠囊中間增加多傳感器的探測模塊17，探測模塊將傳感信息放入無線發射隊列18中，總的無線傳輸內容分為兩部分，分別在這兩部分內容中加入不同的標識碼，標識碼C表示該無線內容直接傳輸給PC做視頻顯示處理，而標識碼D被通訊中心獲取，表示該信息代表傳感器探測信息，傳輸過程如圖3下方的框圖所示。這部分信息經過通訊中心的初歩處理後，和上一種的內窺鏡的後續處理方式相同，均由串ロ導入PC中做算法和模型顯示處理。步驟3. PC姿態解算和同步模型顯示如圖5中所示，PC經過串ロ從通訊控制中心將傳感信息接收到後，利用MFC經過ー系列的姿態解算9，主要包括陀螺儀的四元數姿態解算和重力加速度，地磁場的矢量收斂，配合不同位置的靜態磁場下傳感器的不同輸出，綜合解算出內窺鏡當前的空間坐標，完成
全自由度解算。另ー個線程下，電腦不斷刷新數字人的顯示模型10，從姿態解算線程，將姿態解算結果傳遞過來後，結合內窺鏡的小模型，一同在數字人模型下進行顯示，利用OPENGL的光照模型，展示出內窺鏡頭所處方位，鏡頭圖像所拍攝的器官的範圍分布等，實際的定位效果如圖6。多傳感器的內窺鏡跟蹤與同步動態顯示裝置，以步驟1-3作為一次定位顯示的完整周期，系統不斷重複該循環，來實現對傳感器模組所在的載體的動態跟蹤，傳感器模組以70HZ的採樣速率將角速度，加速度以及磁場信息，通過I2C方式上傳給單片機，單片機通過 串ロ將採樣信息以250HZ的速率傳送給PC，並在MFC的窗口下進行算法處理，同時，單片機需要驅動磁場線圈產生磁場，磁場的穩定時間為10ms，姿態定位可以在位置定位的間隙內完成，定位頻率為60HZ，位置定位需要多個磁場循環激勵得到，其定位頻率為15HZ，完成一次完整的姿態與位置定位的時間小於0.1s。
權利要求
1.基於多傳感器的內窺鏡跟蹤定位與數字人動態同步顯示裝置，其特徵在於該裝置包括內窺鏡前端姿態採集模塊、通訊與控制中心、勵磁線圈模塊，PC處理中心四部分構成； 內窺鏡前端姿態採集模塊由固定在內窺鏡探頭處的多傳感器系統構成，所述的多傳感器系統包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁場傳感器，這三個傳感器同時由3. 3V的電源供電，各傳感器的SDA和SCL數據線合併在一條信息通路，對內窺鏡探頭的姿態和位置變化過程中空間矢量的分布進行測量輸出，前端探頭和通訊與控制中心直接相連； 通訊與控制中心該部分以單片機為核心，外部掛載多種通訊方式，包括串口，I2C以及無線接收裝置，同時對外置的勵磁線圈進行數字選通控制，該通訊與控制中心作為通訊的中介模塊，位於人體外部，作為傳統內窺鏡圖像處理器的輔助功能部分，以內窺鏡頭的多傳感信息為輸入連接內窺鏡的輸出端，以數字選通和串口作為輸出分別連接勵磁線圈和PC機； 勵磁線圈模塊包含三個多匝、密繞的銅線圈構成的勵磁線圈，根據定位算法需求在一定周期內循環通電和放電，構建符合定位需求的環繞磁場，三個勵磁線圈放置在病床下部，正對人體腹腔中心部位，分別與通訊與控制中心的數字選通端相連，通過單片機的IO 口來進行數字控制； PC處理中心和通訊與控制中心的串口輸出端連接進行數據通訊，波特率為38400，傳輸速率約110KHZ，在MFC的環境下，包含兩個獨立軟體功能模塊，分別為 (1)傳感信息姿態解算模塊主要利用跟蹤定位算法，根據多傳感器系統採集到的信息，在PC機中完成對姿態角和位置信息的解算； (2).同步模型顯示模塊為了便於人機互動，以PC的圖形構建功能，創建數字人和跟蹤的內窺鏡模型，以模型動作仿真真實環境，方便醫生進行對比診斷。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的內窺鏡前端姿態採集模塊，根據軟管式內窺鏡以及膠囊內窺鏡的不同結構，分別通過軟管內的導線通路或者膠囊內的微型無線裝置與通訊控制中心進行通訊。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所採用的多傳感器系統，既包含目前常用的三軸陀螺儀對傾角姿態變化進行積分，又加入三軸加速度計和三軸磁場傳感器對姿態的誤差進行修正，姿態定位精度較高；採用多個勵磁線圈選通定位的方法，對人體無傷害，而且其特殊組合位置，保證了人體位於其磁場強度較大的區域，方便解算和測量。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的勵磁線圈採用多匝、圓柱密繞的方式，並且採用定製的160mm非標準大直徑繞制，勵磁線圈的磁場分布範圍較廣，相比採用磁偶極子的點磁場而言，具有更好的空間對稱性和磁場強度，便於傳感器進行高精度採集。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於在實際使用中，用戶主要通過以下幾個步驟來完成對該裝置的初始化和使用 第1、將內窺鏡放置於標定的水平面上，並作初始化數據採集與傳感器靈敏度標定，排除定位範圍內的磁幹擾的手機、電磁幹擾設備，以及其他軟磁性的物質，為磁場定位清理環境幹擾，輸入人體的體重和身高數據，為數字人建模提供比例標準； 第2、啟動通訊控制中心，將各通訊通道開啟，預備開始數據採集和控制，勵磁線圈按照算法需求進行高速選通，構建不同點的瞬態磁場； 第3、將內窺鏡連接軟管或者採用膠囊內窺鏡，送入人體，系統開始連續數據採集，通訊控制中心周期性的採集傳感信息並傳回PC中進行姿態解算； 第4、PC內姿態解算和同步顯示雙線程完成，通過數據通道，將姿態信息 從不同線程中進行通訊，同步數字人顯示模型不斷刷新，實現「連續」動態跟蹤； 第5、重複第3步-第4步的過程，對內窺鏡鏡頭的運動和方位實時探測和跟蹤。
全文摘要
本發明設計了一種基於多傳感器的內窺鏡跟蹤定位與數字人動態同步顯示裝置，包括內窺鏡前端姿態採集模塊，通訊與控制中心，勵磁線圈模塊，PC處理中心四部分構成。內窺鏡前端探頭中放置微型的多傳感器系統，包括MEMS三軸加速度計，三軸陀螺儀和三軸磁場傳感器，可以實時的探測內窺鏡探頭載體在轉動和移動過程當中的傳感信息變化，根據不同的內鏡結構，利用無線或者有線的通訊方式，將傳感信息周期性導入通訊與控制中心，控制中心根據跟蹤定位的算法需求，周期性的驅動外場線圈，同時將傳感器信息進行初步處理後傳入PC機中，PC經過姿態解算後，利用數字人模型實現對內窺鏡的動態同步顯示。
文檔編號A61B1/00GK103006164SQ20121054350
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者陳曉冬, 王森, 歐陽孜孜, 汪毅, 鬱道銀 申請人:天津大學