基于磁定位参考的RFID标测系统

技术领域

本发明属于医疗器械的目标物定位技术领域，特别是涉及一种基于磁定位参考的RFID标测系统。

背景技术

现代医疗技术中，可以通过导管、鞘管等耗材介入生物体，对生物体组织进行治疗。但是在术中，需要对导管、导丝、导引器(鞘管)、探针等目标物进行精准的定位和跟踪。在不同的生物体组织进行介入治疗时，对定位的精度需求不同，通常是精度越高越好，定位越准确越好。

基于RFID的定位方法是通过已知位置RFID的读写器，对RFID标签进行定位，通常采用测距方法进行定位，基于测距的方法是指通过各种测距技术对目标设备与各标签之间的实际距离进行估计，再通过几何方式来估计目标设备的位置。目标设备、RFID标签和RFID的读写器之间距离检测是基于RFID的读写器发出和回传的无线射频信号来进行估算的。

导管、导丝、导引器(鞘管)、探针等目标物需要接入人体组织内，根据介入治疗的需要进行定位，而这些目标物通常物理尺寸非常小，并不便于在目标物上安装传感器以及相应的信号传输线缆，考虑到RFID的定位方法中对RFID标签的定位通过RFID的读写器和RFID标签之间的无线射频信号来实现，无须进行有线的电信号传输，而这一特点，正好可以应用于人体组织内的导管、导丝、导引器(鞘管)、探针等目标物进行精准的定位和跟踪。

发明内容

本发明的目的在于，将RFID定位技术应用于人体组织内医疗器械的目标物定位，将RFID定位系统做了适应性改进，将RFID定位和磁定位相结合，提出了一种基于磁定位参考的RFID标测系统，在无CT情况下实现手术中的实时定位，建立三维模型，精准定位病灶点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于磁定位参考的RFID标测系统，包括RFID定位装置、磁场定位装置、定位目标物和标测工作站，

所述定位目标物上设置了相对位置关系已知的RFID标签及磁传感器，

所述RFID定位装置用于发出射频信号并根据RFID标签反馈的反射射频信号计算出RFID标签的初始坐标；

所述磁场定位装置用于根据生成的磁场获取磁传感器的坐标；

所述标测工作站用于根据所述RFID标签的初始坐标和所述磁传感器的坐标计算出所述定位目标物的坐标。

作为本发明的优选方案，所述定位目标物的坐标的计算公式为：

x＝β*x

y＝β*y

z＝β*z

其中，(x,y,z)为所述定位目标物的坐标，(x

作为本发明的优选方案，所述RFID定位装置包括射频信号天线和RFID阅读器，

所述射频信号天线发出射频信号，并接收所述RFID标签反馈的反射射频信号；

所述RFID阅读器根据所述射频信号和所述反射射频信号的相位差，计算出所述RFID标签和射频信号天线之间的相对距离，并且所述相对距离、射频信号天线的坐标和RFID标签坐标联立方程，计算出所述RFID标签的初始坐标。

作为本发明的优选方案，所述相对距离、射频信号天线的坐标和RFID标签坐标联立的方程为：

其中，R

作为本发明的优选方案，所述RFID标签的初始坐标(x

作为本发明的优选方案，所述RFID定位装置还包括RFID参考标签，

所述射频信号天线还接收所述RFID参考标签反馈的反射参考射频信号；

所述RFID阅读器根据所述射频信号和所述反射参考射频信号的相位差，计算出所述RFID参考标签和射频信号天线之间的相对参考距离，并根据所述相对参考距离对所述RFID标签的初始坐标进行校正，得到校正后的RFID标签初始坐标，所述校正后的RFID标签初始坐标用于和所述磁传感器的坐标计算出所述定位目标物的坐标。

作为本发明的优选方案，所述射频信号天线设置在所述定位目标物周围，所述射频信号天线的个数大于或等于3。

作为本发明的优选方案，所述射频信号为高频电磁波。

作为本发明的优选方案，所述定位目标物为圆柱体，并且所述RFID标签及磁传感器为片状结构，片状结构的所述RFID标签及磁传感器嵌入所述定位目标物，并且与圆柱体的轴线垂直。

作为本发明的优选方案，若干所述RFID标签平行设置于所述定位目标物中，两个磁传感器位于若干所述RFID标签两端，且两个磁传感器均与若干所述RFID标签平行。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的系统包括RFID定位装置、磁场定位装置、定位目标物和标测工作站，定位目标物上设置了相对位置关系已知的RFID标签及磁传感器，RFID定位装置用于获取RFID标签的初始坐标；磁场定位装置用于根据生成的磁场获取磁传感器的坐标；标测工作站根据RFID标签的初始坐标和磁传感器的坐标计算出定位目标物的坐标。通过本发明的系统将RFID定位和磁定位相结合，提出了一种基于磁定位参考的RFID标测系统，在无CT情况下实现手术中的实时定位，建立三维模型，精准定位病灶点。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种基于磁定位参考的RFID标测系统的系统图；

图2是本发明实施例1中一种基于磁定位参考的RFID标测系统定位算法流程图；

图3是本发明实施例1中直导管中RFID标签及磁传感器排布的样例图；

图4是本发明实施例1中环状导管RFID标签及磁传感器排布的样例图；

图5是本发明实施例2中一种采用人体外的RFID标签对目标物上RFID标签的初始坐标进行校正的系统；

图6是本发明实施例2中实现人体外的RFID标签对目标物上RFID标签坐标的校正算法流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种基于磁定位参考的RFID标测系统，系统框图如图1所示，系统包括RFID定位装置、磁场定位装置、定位目标物和标测工作站。RFID定位装置包括射频信号天线组和RFID阅读器。定位目标物包括能进入心脏，肺部，消化道或血管等体内区域的目标物。标测工作站还包括病人信息管理模块、射频数据处理模块、导管定位跟踪模块、三维建模模块等。

本发明通过基于RFID的标测系统主要解决了如何结合参考磁定位结果和RFID射频信号计算定位，获取目标物在人体组织内空间中准确位置的问题，公开了一种通过接收射频信号计算目标物和磁定位相结合，实现人体内空间中准确位置的系统和方法。术中，RFID定位装置中的所有天线将实时的接收待测标签及参考标签反射的射频信号，并经过阅读器解析后将RFID射频信号定位计算结果反馈给标测工作站，同时磁场定位装置将磁传感器的参考位置反馈给标测工作站，标测工作站将自动计算定位目标物上的RFID标签的空间坐标并以此进行三维建模，获取目标物的精确定位，从而精准定位病灶点。

图1为基于磁定位参考的RFID标测系统示意图。101为标测工作站，负责存储、管理病人基本信息和治疗数据、射频数据处理、术中实时导管定位跟踪及三维建模等。102为阅读器与工作站连接线，103为RFID阅读器，阅读器与工作站连接线102负责定位目标物108上的RFID标签和标测工作站101之间进行信息传输。RFID阅读器通电之后能够通过天线105发送高频电磁波，高频电磁波的工作频率为13.56MHz，然后将定位目标物108上的RFID标签反射回去的反射射频信号采集下来，RFID阅读器接收到的反射射频信号经过解析后，将有效信息传输至标测工作站101。104为天线连接线。105为天线，天线有多个，分布在患者周围俯视患者，图1中用四个天线为例进行说明，而实际上本发明的方案并不限制天线的个数。106为天线支架。107位患者，定位过程中，患者平躺在磁定位发生器109上。108为定位目标物，上面分布有若干RFID标签和少量参考磁传感器。109为磁定位发生器，发生器平行于XOY平面放置，作用是在患者周围建立磁场并记录定位目标物108上的参考磁定位标签的位置。110为磁定位发生器连线，111为描述系统所用的三维空间坐标系。

图2为定位算法流程图。

201为获取天线到目标物上RFID标签的距离。通过每个天线上接收到的射频信号相位，得到目标物上RFID标签到每个天线的距离，通常，用于测距的相位是周期信号，但是本案中，高频电磁波的工作频率为13.56MHz，对应的波长为20米，在本系统中，检测的距离是小于20米的，完全可以将实际应用场景下的测量范围包含在内，所以不需要考虑测量距离跨越多个相位周期的问题，不用对相位进行修正，可以直接通过射频信号的相位求得目标物上RFID标签到每个天线的距离，实例中有4组天线，所以分别得到4组天线到目标物上某一RFID标签上的距离。

202为计算目标物上RFID标签的位置。若在步骤201中4组天线到某一RFID标签上的距离为R

其中(x

203为获得目标物上参考磁传感器的位置。磁传感器可以在磁场发生器的作用下得到准确的空间位置。

204为用参考磁传感器的位置修正RFID标签的位置。在定位目标物上，临近RFID标签分布着少量参考磁传感器。在已知参考磁传感器空间位置坐标的情况下可利用RFID标签和参考磁传感器的空间位置相对关系计算出一个RFID标签的位置(x

x＝β*x

y＝β*y

z＝β*z

其中(x,y,z)为目标物上RFID标签的定位结果，β为定位权重。

图3和图4给出了定位目标物为导管时，RFID标签和磁传感器排布的样例图，出于定位精度考虑，RFID标签和磁传感器排布需要考虑以下条件：

1、RFID标签应按照不同临床应用的需求放置，且优先放置在导管上容易形变的位置，这样更有利于精准描述导管的形态。

2、磁传感器应放置在导管的端点或中间不易形变的位置，这样能起到对关键点的定位作用且不易损坏。

图3是直导管中RFID标签和磁传感器排布的样例图，301为定位导管，上面分布的多个RFID标签303及少量参考磁传感器302。参考磁传感器302位于两侧，负责对中间位置的多个RFID标签进行位置修正，303为导管上的RFID标签，对多个RFID标签之间的间距以及磁传感器与RFID标签之间的间距，没有特殊要求，避免直接接触即可，互相接触失去了修正定位的意义同时可能产生干扰。

基于相同的构思，还给出了环状导管中RFID标签和磁传感器排布的样例图，如图4所示，灰色的圆片是RFID标签，黑色的圆片是参考磁传感器，其中，参考磁传感器为三个，两个参考磁传感器位于同一直径的两端，另一个参考磁传感器位于环状导管的头端，三个参考磁传感器构成一个面，用于准确定位环状导管的形态，在此基础上，环状导管中参考磁传感器之间设置了多个RFID标签，由于RFID标签的使用，通过无线射频信号就可以定位RFID标签从而精准描述导管的形态，RFID标签和磁定位相结合，可以避免单一定位方式的误差。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，实施例1中，用磁定位传感器获取的坐标直接对目标物上RFID标签的初始坐标(xl,yl,zl)进行校正，获取定位精度较高的目标物坐标，而实施例2中并不将目标物上RFID标签的初始坐标(x

作为具体的实施例，图5示出了一种采用人体外的RFID标签对目标物上RFID标签的初始坐标进行校正的系统，包括定位标测工作站201、RFID参考标签阵列板205，多个天线209、RFID阅读模块203，其他配套设备还包括阅读模块203与定位标测工作站201的连接线202，天线连接线204、天线支架210等，图中还示出了系统所用的空间坐标系211。

定位标测工作站201负责存储、管理病人基本信息和治疗数据、射频数据处理、术中实时导管定位跟踪及三维建模等。RFID阅读模块203负责在RFID标签和定位标测工作站201之间进行信息传输，RFID阅读模块通电之后能够通过天线109发送高频电磁波，然后将目标物上RFID标签208(通常情况下目标物上RFID标签208位于人体内，是需要进行坐标校正的RFID标签)的射频信号采集下来，再经过解析后将校正后的RFID标签坐标传输至定位标测工作站201。RFID参考标签阵列板205平行于XOY平面，RFID参考标签阵列板205上按照预设的位置关系安装了多个RFID参考标签206，作为优选方案，RFID参考标签为多个，并且等间距的分布在参考标签阵列板205上，用于在手术环境中计算对RFID定位目标物208的定位数据。

RFID参考标签206在参考标签阵列板205上的分布方式为等间距均匀分布，等间距分布后，RFID定位目标物208在任意一个位置都有大致相同数量的RFID参考标签可以用于坐标校正，定位的一致性较好。另外，即使RFID参考标签206在参考标签阵列板205上等间距均匀分布，仍需要考虑分布的密度，RFID参考标签之间的距离不能过于密集，也不能过于稀疏，过于密集造成的问题是：当RFID参考标签过于密集的时候，筛选出距离最近的RFID参考标签就比较容易扎堆出现在RFID定位目标物208的同一个方向上，而实际上，在筛选RFID参考标签的时候，优选方案是，选出的RFID参考标签能分布在RFID定位目标物208的各个方向上，所以RFID参考标签之间的距离不能过于密集。另外，过于稀疏就不能保证RFID定位目标物能找到足够多的RFID参考标签进行定位校正。

在手术过程中，患者207躺卧于参考标签阵列板205上，RFID定位目标物208在患者的体内，通过多个体外的RFID参考标签206的位置信息可以对体内的RFID定位目标物208进行校正，从而得到校正后的RFID定位目标物208坐标。

需要说明的是，基于本发明的原理，当患者207运动范围超过参考标签阵列板205时，依然可以计算得到RFID定位目标物的坐标，但为了保证较高的精度，需要使RFID定位目标物208上的RFID标签处于RFID参考标签206存在的范围之内，或者与RFID参考标签206的距离较近，优选的，在本实施例中目标物上RFID标签208在水平方向上的运动范围不超过参考标签阵列板205的尺寸范围。209为天线，天线有多个，分布在患者207周围，朝向患者，天线摆放有以下要求：第一，位置要相对固定或易于测算，因为在后续计算中，天线209到RFID参考标签之间的距离是已知的，第二，需要患者的身体在天线和RFID参考标签中间，天线朝向要确保电磁波可以穿过患者身体并能够激活患者身下的RFID参考标签，这样设置的理由在于，由于RFID定位目标物208通常是位于人体体内的，RFID定位目标物208上的RFID标签通过天线发出的射频信号进行定位时，会存在人体带来的电磁波损耗，所以在采用RFID参考标签对RFID定位目标物208上的RFID标签位置进行定位校正时，RFID参考标签也需要与RFID定位目标物208有相同的测试场景，所以将RFID参考标签设计在人体相对于天线的另一侧，因此，RFID参考标签测得的距离和RFID定位目标物208上的RFID标签测得的距离都是经过身体的，都包含有身体的损耗，通过RFID参考标签校正后的RFID定位目标物208定位数据更加趋近于真实值。

进一步的，还考虑了多个天线的分布情况，天线与天线之间具有任意距离都能实现测量，优选的，天线之间的距离尽量相等，并且多个天线之间构成正多边形，且使得参考标签阵列板205在所有的天线正中间位置，尽量让RFID标签的各个角度都有天线，避免某些角度天线密集，某些角度天线稀疏。本实施例选用了四个天线，四个天线分布于RFID参考标签阵列板205周围四边形的四个角上，并且相邻的天线之间的距离相等时，这样的设置下，各RFID标签接收到的天线射频信号分布均匀，测量误差最小。

基于上述系统设置，就可以实现人体外的RFID标签对目标物上RFID标签坐标的校正算法，校正算法的流程如图6所示，包括以下步骤：

301，接收标签传回的相位信息和信号强度信息。天线组中的每一个天线都能发送射频信号并接收来自电子标签(包括RFID参考标签和RFID定位目标物)的反馈信号，反馈信号经过解析后将其中包含的相位信息和信号强度信息传给定位标测工作站。

302，对RFID参考标签的定位结果建模。先处理RFID参考标签的信号强度信息，由于信号的发射端和接收端有环境引起的传播路径损耗，所以回波信号强度和传输距离之间的关系可以定量的表达出来，进而根据天线接收到的回波信号强度可以确定天线与标签之间的距离。在该系统中，参考标签RFID的实际坐标已知，对于每一个天线，参考标签RFID到天线之间的距离已知，获取天线接收到参考标签的回波信号强度以后，就可以将回波信号强度和距离之间的数量关系建立起来，即每个天线都能建立距离和回波信号强度模型。

303，利用参考标签评估定位模型。对于每一个天线，用302建立的模型对标签阵列中每一个RFID参考标签进行距离计算，评估计算得到的距离与真实距离之间的差距，据此就能评估每一个天线的测距误差。评估结果为一系列的距离和误差的对应关系，如下表1所示，每一列都是一组对应关系，例如最后一列表示d

表1某天线对n个RFID参考标签的测量距离和测量误差

304，选取优势天线对RFID定位目标物定位。查看每个天线对RFID定位目标物的距离测量值，根据距离测量值查找303中得到的距离和误差的关系，可以得到每个天线组在各自测量结果下的误差。选出误差最小的部分天线组成优势天线组，例如从4个天线中选出3个天线，认为这三个天线组在当前区域内是优势天线组。通过选出的其中一个优势天线计算RFID定位目标物的测量距离，以及计算RFID参考标签的测量距离，并找到距离RFID定位目标物距离最近的三个RFID参考标签，算出这三个RFID参考标签坐标分别为(x

本实施例中，进一步的，依据RFID定位目标物的测量距离找到距离最近的三个RFID参考标签的方法包括：得到优势天线组中的任一天线与待测标签的距离d

本实施例中，仅选取了3组误差最小的天线作为优势天线组，但还可以通过以下方式，根据需要设置优势天线组的个数，即：如果参与定位的天线一共有m个，那么对天线的定位误差从小到大排序后，选择其中前i个天线计算权重，其中i≤m且i≥3。天线的定位误差计算方法包括：扫描后可得到天线与RFID定位目标物的距离d

根据RFID定位目标物的测量距离找距离最近的三个RFID参考标签的过程中，不仅找到

选出优势天线组，并计算出距离误差后，按照以下公式，利用距离误差大小计算权重：

其中w

使用权重w

其中w

305，结合接收信号相位补充定位信息。通过3个优势天线组的接收信号强度直接计算得到目标物上RFID标签的z坐标，通过3个优势天线组的相位值可以计算得到目标物上RFID标签的第二个z坐标，目标物上RFID标签的校正坐标即为这两个z坐标的均值。

其中，z

通过304和305两个步骤，就算出了经人体外的RFID标签对目标物上RFID标签校正后的RFID标签坐标，然后再通过磁传感器对校正后的RFID标签坐标进行第二次校正，通过两种不同类型的校正，使得求取的目标物坐标更加精确。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。