面向软镜的磁导航系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种面向软镜的磁导航系统和方法。该系统包括：可自由弯曲的软镜、嵌套在软镜末端的多个永磁环、体外磁定位传感器阵列、定位导航系统服务器、以及显示器；体外磁定位传感器阵列用于检测所述软镜末端的磁场信息；定位导航系统服务器与软镜、体外磁定位传感器阵列、以及显示器相连接；多个永磁环的尺寸满足：多个永磁环的内径略大于软镜的末端直径、且外径小于要应用到的人体腔道的直径。该方法包括：1.定位前的固件注册步骤；2.实际定位步骤。本发明专利技术的优点包括：1.嵌入软镜末端的为永磁环而非磁定位传感器，无需为其额外供电，节约了软镜空间；2.采用圆环形状的永磁环可直接嵌套在软镜末端，无需大范围改变软镜原有的设计，大大降低了集成成本；3.能简便地在软镜末端的不同位置加装永磁环，装配简单，可实现对软镜的不同区域进行位姿估算和形状重建。软镜的不同区域进行位姿估算和形状重建。软镜的不同区域进行位姿估算和形状重建。

【技术实现步骤摘要】
面向软镜的磁导航系统和方法


[0001]本专利技术涉及医疗设备
，具体地，涉及一种面向软镜的磁导航系统和方法。

技术介绍

[0002]目前，经自然腔道的软镜手术可实现无创地对患者进行诊疗，患者恢复快。在经自然腔道的手术中，需要依靠末端柔软的软镜来完成操作。软镜深入人体内部，操纵困难，医生学习曲线长。对灵活易弯曲的软镜末端进行安全，快速，准确的定位和重建是个重要问题。目前常用的定位跟踪方式是X光定位，超声定位和依据内镜图像定位，其中X光定位精度高但患者和医护人员会受到电离辐射，不利于健康；超声定位无辐射，但定位精度差、分辨率低；依据内镜图像定位也是无辐射的一种方案，但该方案三维立体定位难，严重依赖医生的经验和手法。
[0003]磁定位技术具有对人体安全无辐射，定位速度快，定位精度高等显著优势，且不受人体遮挡，可对体内医疗器械进行定位跟踪。其采用的技术路线是对套在软镜末端的几组永磁环进行定位跟踪，并根据定位结果重建出软镜末端位置、方向和形状信息。
[0004]基于磁场的定位跟踪技术利用一个或者多个磁源在空间中产生磁场，利用传感器等感应设备测量空间中特定位置的磁场强度来计算传感器与磁源之间的相对位置和方向关系。
[0005]磁源有静磁场和交变的电磁场两种模式。基于静磁场的定位技术利用永磁体作为磁源和跟踪的目标，在空间中利用磁传感器检测磁场强度，进而反算出永磁目标的位置和方向信息。其优势在于不需要为磁源提供额外的能量且实现简单，可以应用于跟踪小范围内无线目标，如用于检查人体肠胃道的无线胶囊内窥镜；缺点是易受周围环境中磁场的影响，定位范围小。基于电磁场的定位技术是利用交变的信号激励电磁线圈在空间中产生变化的磁场，利用磁传感器或者电磁线圈作为跟踪目标，感应变化的磁场，计算出目标相对于激励线圈的位置和方向参数。电磁定位技术通常使用单个或多个线圈作为信号源在空间中产生变化的磁场，使用两轴或者三轴正交线圈感应变化的磁场，输出相应的电压信号，进而计算出感应线圈的位置和方向参数。激励信号为周期变化的信号，多使用正弦信号，也可以使用脉冲信号完成定位。基于磁场的定位跟踪技术在人机交互、虚拟现实、微创无创手术等领域有着广泛的应用。
[0006]总结当前的技术手段，现有的一些电磁定位技术存在以下问题：1)需要对软镜末端的磁传感器进行供电，需要多股电源线通过软镜内部，占用其非常有限的空间，如不通过软镜内部布局电源线，就需要将电源线和软镜并成一股，占用有限的腔道空间，造成腔内拥挤控制困难，难以满足实际应用的需求。
[0007]2)使用电磁定位方法定位软镜末端，就需要在软镜末端重新设计改造，即将磁传感器或电磁发射端嵌入到软镜末端，不利于产品快速推广和普及。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是如何实现软镜在体内的定位跟踪。考虑到上述因素，本专利技术提供一种面向软镜的磁导航系统和方法。所述系统和方法可在体内软镜发生形变的同时，实时给出软镜末端的位置和形状信息。
[0009]一种面向软镜(4)的磁导航系统，所述面向软镜(4)的磁导航系统包括：可自由弯曲的软镜(4)、嵌套在所述软镜(4)末端的多个永磁环(1,2,3)、体外磁定位传感器阵列(5)、定位导航系统服务器(6)、以及显示器(7)；所述体外磁定位传感器阵列(5)用于检测所述软镜(4)末端的磁场信息；所述定位导航系统服务器(6)与软镜(4)、体外磁定位传感器阵列(5)、以及显示器(7)相连接；其中，所述多个永磁环(1,2,3)的尺寸满足条件：所述多个永磁环(1,2,3)的内径略大于软镜(4)的末端直径，并且所述多个永磁环(1,2,3)的外径小于要应用到的人体腔道的直径。
[0010]可选地，所述定位导航系统服务器(6)包括位姿解算模块、以及图像融合模块，其中：所述位姿解算模块用于根据所述体外磁定位传感器阵列(5)检测软镜(4)末端的所述多个永磁环(1,2,3)产生的磁场信号，解算所述软镜(4)在人体腔道里的位姿；所述图像融合模块用于融合由所述位姿解算模块得到的所述软镜(4)在人体腔道里的位姿和术前CT模型，将镜管部分的虚拟镜管图像和器官的三维模型融合，在显示器(7)上形成三维图像。
[0011]可选地，所述定位导航系统服务器(6)还包括软镜(4)末端形状重建模块，其中：所述软镜(4)末端形状重建模块用于根据所述位姿解算模块得到的多个永磁环(1,2,3)的位姿，构建基于软镜(4)材质的曲率约束和基于所述多个永磁环(1,2,3)安装间距的距离约束的贝塞尔曲线，来拟合体内软镜(4)的形状信息。
[0012]一种用于所述的面向软镜(4)的磁导航系统的方法，该方法包括以下步骤：步骤1、定位前的固件注册步骤，包括：1.1)通过COMSOL仿真软件搭建定位系统，仿真出磁感应强度分布模型；其中，所述定位系统包括体外磁定位传感器阵列(5)和多个永磁环(1,2,3)；1.2)将所述多个永磁环(1,2,3)的位姿与其在所述位姿下的磁感应强度组成数据对，建立由大量数据对组成的数据集；1.3)基于所述数据集对神经网络进行训练、验证和测试，得到具有较高精度的磁定位网络；步骤2、实际定位步骤，包括：2.1)当所述体外磁定位传感器阵列(5)被固定以进行测量时，建立以所述体外磁定位传感器阵列(5)的中心为原点的定位坐标系；2.2)将所述体外磁定位传感器阵列(5)中不同位姿的磁定位传感器测得的磁场数据作为所述磁定位网络的输入，通过所述磁定位网络预估出所述多个永磁环(1,2,3)的位姿；2.3)建立基于磁偶极子的多个永磁环(1,2,3)的磁通量密度模型，构建目标误差
方程；2.4)将预估出的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿作为最优化算法的初始解，通过最优化算法进一步迭代求解，使得目标误差方程趋近于最小值，从而得到最终的所述多个永磁环(1,2,3)的位姿。
[0013]有益效果：本专利技术的技术方案具有以下优点：1.嵌入软镜末端的为永磁环而非磁定位传感器，无需为其额外供电，节约了软镜空间；2.采用圆环形状的永磁环可直接嵌套在软镜末端，无需大范围改变软镜原有的设计，大大降低了集成成本；3.能简便地在软镜末端的不同位置加装永磁环，装配简单，可实现对软镜的不同区域进行位姿估算和形状重建。
附图说明
[0014]图1为现有技术中具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统的结构图；图2为本专利技术的面向软镜的磁导航系统的结构图。
具体实施方式
[0015]下面将结合附图，对现有技术、以及本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0016]目前已知的，与本专利技术相近似的技术方案如以下专利所示：CN113367795A《一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统》。
[0017]图1为现有技术中一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统的结构图。如图1所示，该现有技术专利的技术方案为：一种具有磁定位功能的输尿管软镜及输尿管镜位姿估测系统。输尿管软镜其特征在于，所述先端部(1)设置有第一磁定位传感器，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向软镜(4)的磁导航系统，其特征在于，所述面向软镜(4)的磁导航系统包括：可自由弯曲的软镜(4)、嵌套在所述软镜(4)末端的多个永磁环(1,2,3)、体外磁定位传感器阵列(5)、定位导航系统服务器(6)、以及显示器(7)；所述体外磁定位传感器阵列(5)用于检测所述软镜(4)末端的磁场信息；所述定位导航系统服务器(6)与软镜(4)、体外磁定位传感器阵列(5)、以及显示器(7)相连接；其中，所述多个永磁环(1,2,3)的尺寸满足条件：所述多个永磁环(1,2,3)的内径略大于软镜(4)的末端直径，并且所述多个永磁环(1,2,3)的外径小于要应用到的人体腔道的直径。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位导航系统服务器(6)包括位姿解算模块、以及图像融合模块，其中：所述位姿解算模块用于根据所述体外磁定位传感器阵列(5)检测软镜(4)末端的所述多个永磁环(1,2,3)产生的磁场信号，解算所述软镜(4)在人体腔道里的位姿；所述图像融合模块用于融合由所述位姿解算模块得到的所述软镜(4)在人体腔道里的位姿和术前CT模型，将镜管部分的虚拟镜管图像和器官的三维模型融合，在显示器(7)上形成三维图像。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述定位导航系统服务器(6)还包括软镜(4)末端形状重建模块，其中：所述软镜(4)末端形状重建模块用于根据所述位姿解算模块得到的多个永磁环(1,2,3)的位姿，构建基于软镜(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岩丁，韩建达，王鸿鹏，吕博文，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：