片上化永磁体定位跟踪系统与方法

技术领域

本发明属于医疗辅助器械技术领域，特别涉及一种片上化永磁体定位跟踪系统。

背景技术

在导管类医疗器械的操作中，导管尖端很容易出现被卡住、迂曲成团或误入其他管腔等问题，此时，需要医师不断地转动导管、回退导管或再次插管，在进行这些操作时很有可能会导致管腔损伤或穿孔。为了帮助医师在腔道内更加安全、便捷进行导管操作，研究人员已经研发出了用于消化系统内窥镜检查、支气管镜检查、心脏疾病、神经血管疾病等多方面的磁导航驱动系统设备，在导管头端植入永磁，通过带有磁铁的机械臂，远程遥操作可以实现导管的输送、退出及转向，只需术前CT、超声等配合，术中无需暴露在X射线下。其中，需要进一步实现磁导航驱动系统设备的自动化和智能化，则必须要实现导管头端的位姿反馈。

一种现有技术，手术中机器人通过光学追踪器追踪手术器械的位置，以获得手术部位位置信息。利用光学追踪，最大的问题是容易受遮挡的影响，手术过程中经常被医务人员遮挡导致信号消失。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种片上化永磁体定位跟踪系统与方法，以解决光学追踪过程中易受遮挡影响信号进而导致定位不准确的问题，实现医疗手术中的体内磁器件定位、追踪。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

片上化永磁体定位跟踪系统，包括SOPC硬件系统和参数校正平台；

所述SOPC硬件系统，集成在一块FPGA上，包括程序处理IP核、系统复位IP核、AXI总线IP核、UART的IP核和LCD的IP核；

所述参数校正平台，包括磁传感器阵列平板和若干磁体平台；所述磁传感器阵列平板上布置有传感器阵列，所述传感器阵列由若干三轴磁传感器组成；所述磁体平台用于布置永磁体，所述磁体平台的位置使得其上布置的永磁体的磁感应强度能够被所述传感器阵列探测；

所述UART的IP核接收所述传感器阵列探测的磁感应强度数据，通过所述AXI总线IP核将所述磁感应强度数据发送至程序处理IP核，经程序处理IP核利用差分进化算法解算出永磁体位姿数据，通过AXI总线IP核发送至UART的IP核，并通过LCD的IP核发送永磁体位姿数据至LCD触摸屏。

本发明还提供了一种片上化永磁体定位跟踪方法，基于所述片上化永磁体定位跟踪系统实现，包括参数校正环节和定位跟踪环节；

所述参数校正环节的步骤如下：

11)，建立所述SOPC硬件系统中各部分的通信联系以及所述SOPC硬件系统与所述传感器阵列的通信联系；

12)，安装磁传感器阵列平板和磁体平台；

13)，利用三坐标测量机测量各三轴磁传感器的三维坐标和各磁体平台的三维坐标；

14)，将永磁体依次布设于各磁体平台，在第j个磁体平台时，第i个三轴磁传感器测得的磁场强度为B

15)，将所述各三轴磁传感器的三维坐标、各磁体平台的三维坐标和各三轴磁传感器测得的磁场强度导入磁偶极子数学模型，解算出第i个三轴磁传感器的角度偏差θ

所述定位跟踪环节的步骤如下：

21)，将各三轴磁传感器的角度偏差及灵敏度系数导入磁偶极子数学模型；

22)，通过差分进化算法解算出探测范围内的永磁体的位置及姿态单位向量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、利用所设计的参数校正平台，三坐标测量仪直接测量传感器位置及校准磁铁位姿，减少了校准磁铁的误差。

2、差分进化算法结构简单，采用此算法求解磁铁位姿容易实现、收敛快速、鲁棒性强。

3、可编程片上系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

4、提高了系统的电磁干扰性和信号完整性，保证了永磁体定位跟踪的精度及实时性。

附图说明

图1是本发明基于FPGA的片上化永磁体定位跟踪系统结构功能示意图。

图2是本发明参数校正平台示意图。

图3是本发明磁传感器阵列示意图。

图4是本发明基于FPGA的片上化控制器的控制流程图。

图5是本发明基于FPGA的片上化控制器的进入参数校正区控制流程图。

图6是本发明基于FPGA的片上化控制器的进入定位跟踪区控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

由于磁定位跟踪不存在视线遮挡问题，因此有望替代背景技术所述的光学追踪，在医疗手术中获得应用。

本发明的片上化永磁体定位跟踪系统，主要包括SOPC硬件系统和参数校正平台。

其中，SOPC硬件系统集成在一块FPGA上，是基于FPGA的可编程片上化系统，用可编程逻辑技术以单个FPGA芯片完成磁定位跟踪的主要逻辑功能。

如图1所示，SOPC硬件系统主要包括程序处理IP核(Processing System)、系统复位IP核(System_Reset)、AXI总线IP核(AXI Interconect Block)、UART的IP核(AXI_UART)和LCD的IP核(AXI_LCD)。程序处理IP核为系统复位IP核、AXI总线IP核、UART的IP核提供时钟信号，程序处理IP核为系统复位IP核提供复位信号，系统复位IP核为AXI总线IP核、UART的IP核提供复位信号。

如图2所示，参数校正平台提供传感器的参数校正，其主要包括磁传感器阵列平板1和若干磁体平台2。磁传感器阵列平板1上用于布置传感器阵列，本发明的传感器阵列由若干三轴磁传感器6组成。磁体平台2上用于布置永磁体。磁体平台2的位置使得其上布置的永磁体的磁感应强度能够被传感器阵列探测。

根据该结构，UART的IP核接收传感器阵列探测的磁感应强度数据，通过AXI总线IP核将磁感应强度数据发送至程序处理IP核，经程序处理IP核利用差分进化算法解算出永磁体位姿数据，通过AXI总线IP核发送至UART的IP核，并通过LCD的IP核发送永磁体位姿数据至LCD触摸屏。

在本发明的一个实施例中，参数校正平台还包括光学平台3。光学平台3上固定有平板支撑夹5和若干支杆4，平板支撑夹5用于夹紧固定磁传感器阵列平板1，各磁体平台2分别安装于一个支杆4上。其中，磁传感器阵列平板1竖直安装，其磁传感器安装面朝向磁体平台2。为保证定位精度，本发明中，磁体平台2和三轴磁传感器6的数量均应大于5。为便于安装，光学平台3为一块水平的平板，其上有大量的竖向安装孔，支杆4用于在不同的安装孔中安装，实现其位置的方便调整。本发明的永磁体为磁铁，其在磁体平台2上可通过夹持件、凹槽等结构或部件实现安装固定。与此相应，本发明的平板支撑夹5是向上的夹持结构，夹持结构左右对称，将磁传感器阵列平板1夹紧固定，从而使磁传感器阵列平板1呈竖直状态，并将其传感器所在面朝向磁体平台2上安装的永磁体。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，各三轴磁传感器6均布贴片(或胶粘等方式)在磁传感器阵列平板1上，其中磁传感器阵列平板1可以是PCB板或亚克力板等。图3中编号1～16，示出了16个三轴磁传感器6，其安装方式为贴片安装。

如图4所示，利用本发明的片上化永磁体定位跟踪系统，进行定位跟踪的流程包括参数校正环节和定位跟踪环节。

其中，参数校正环节解算出第i个三轴磁传感器的角度偏差θ

参数校正环节的过程如下：

1)，建立SOPC硬件系统中各部分的通信联系以及SOPC硬件系统与所述传感器阵列的通信联系。

11)，将基于FPGA的SOPC硬件系统分别与传感器阵列、LCD触摸屏相连。

12)，上电启动SD卡上中的FPGA硬件电路配置程序，通过LCD上的人机交互界面，配置磁定位跟踪器的片上化控制系统的初始化状态，确保SOPC硬件系统与传感器阵列建立通信。

2)，点击LCD触摸屏参数校正区进入按钮，则进入参数校正区，如图5：

3)，安装磁传感器阵列平板1和磁体平台2。

3.1)，利用光学平台3，将磁传感器阵列平板1夹持在平板支撑夹5。

3.2)，在三坐标测量机上测量各三轴磁传感器6的三维坐标、各磁体平台2的三维坐标，并保存数据。

三轴磁传感器6贴片(或胶粘等)在磁传感器阵列平板1上，由于制造、安装误差，会造成三轴磁传感器6的位置、角度、灵敏度误差，所以首先需要进行参数校正。以三轴磁传感器6所组成的传感器阵列的几何中心为坐标原点，X轴与磁传感器阵列平板1的水平下沿平行，Y轴与磁传感器阵列平板1的竖直下沿平行，Z轴正方向向右侧，组成系统三维坐标系。

3.3)去除环境噪声。

4)将永磁体依次布设于各磁体平台2，在第j个磁体平台2时，第i个三轴磁传感器6测得的磁场强度为B

5)将所测得的传感器阵列中各三维磁传感器6的三维坐标、各磁体平台2的三维坐标以及各三轴磁传感器6的磁场强度数据导入磁偶极子数学模型，解算出第i个三轴磁传感器(6)的角度偏差θ

其中磁偶极子数学模型的表达式为：

其中，H

6)通过最小二乘法求解上述模型，解算出三轴磁传感器的角度偏差θ

7)点击LCD触摸屏参数校正区退出按钮可退出参数校正区，进入主界面，完成参数校正环节。

点击LCD触摸屏定位跟踪区，则进入定位跟踪环节，开始对磁铁进行定位跟踪，如图6，定位跟踪环节的流程如下：

1)导入参数校正环节得到的三轴磁传感器的角度偏差及灵敏度系数。

2)将三轴磁传感器的角度偏差θ

其中H

3)点击开始定位跟踪按钮，通过差分进化算法求解磁偶极子数学模型，解得永磁体位置(a’,b’,c’)及姿态单位向量(m,n,p)。若之前执行过之前步骤，则可直接执行此步。若之前没有执行过，则会弹出消息窗口，显示“模型校正参数未输入”。

4.4)点击LCD触摸屏定位跟踪区按钮可退出定位跟踪区，进入主界面。

利用上述系统和方法的原理，本发明可用于医疗或非医疗的手术中，具体地，永磁体在体内，在体外，则可用铁质器件配合永磁体起到定位和引导作用。为了定位跟踪体内的永磁体，将已经完成校正的磁传感器阵列平板1固定于永磁体的磁场范围内适当位置，与SOPC硬件系统完成通信连接，即可对体内的永磁体进行定位跟踪，其中，算法在程序处理IP核中运行，处理的结果通过LCD的IP核，输出至LCD触摸屏显示。其中，通过高分辨率CT，对人体进行三维重建配准，可将磁体位置及人体三维重建模型一同显示在LCD屏上。

例如，在磁导航气管插管中，可通过头颈部高分辨率CT，进行呼吸道三维重建。利用甲状软骨与声门位置相对固定的解剖特点，在甲状软骨处放置定位磁体，利用磁感应传感器阵列感知定位磁体位置，通过定位磁体、甲状软骨、声门三者之间的位置关系，即可求得声门位置，随后方可进行自动插管。