一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统，所述方法包括：设置传感节点，利用传感节点进行数据采集，对采集的数据进行预处理；对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算并将融合解算后的数据发送至后台处理单元；所述后台处理单元对接收到的数据进行解析，将不同传感节点解析后的数据进行融合重构出人体姿态。本发明专利技术公开了一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统，所述方法通过设置传感节点采集数据，通过数据预处理及融合解算，最后解析重构出人体姿态，提高了姿态捕捉精度。

【技术实现步骤摘要】
一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统
本专利技术涉及计算机
，更具体的，涉及一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统。
技术介绍
随着经济社会的发展，工作节奏的加快，环境的污染，胃肠道疾病成为影响人类健康的常见的疾病，如胃癌、肠癌等，且多为常见病、多发病，它对人类的健康有很大的威胁，内窥镜系统由于其高安全性、高可靠性等优点，作为判断胃肠道疾病的有效手段被广泛应用。在基于内窥镜的手术中，，助理或护士需根据医生进行手术的进展，需调整内窥镜的位置和/或角度，以满足医生进行手术操作的需求。若助理或护士是新手，没有与医生配合的相关经验，使其在手术过程中，无法准确及时地控制相应的医疗仪器调整到医生所需的位置和/或角度，影响手术的正常进行，导致手术风险的增加。因此精确的获取或捕捉到手术中医生的姿态对于进一步控制医疗设备具有重要意义，在当前对于姿态的捕捉方法精度较低，无法准确重构人体姿态，因此亟需一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统。
技术实现思路
为了解决上述至少一个技术问题，本专利技术提出了内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统。为了解决上述的技术问题，本专利技术第一方面公开了内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，包括：设置传感节点，利用传感节点进行数据采集，对采集的数据进行预处理；对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算并将融合解算后的数据发送至后台处理单元；所述后台处理单元对接收到的数据进行解析，将不同传感节点解析后的数据进行融合重构出人体姿态。本方案中，所述传感节点为惯性测量单元或光学动作捕捉单元。本方案中，所述的对采集的数据进行数据预处理为采用低通滤波和递推平均滤波对采集的数据进行滤波去噪处理。本方案中，所述采用低通滤波和递推平均滤波对采集的数据进行滤波去噪处理具体步骤为：第一步：设置递推平均滤波的窗口N，其中N为正整数；第二步：计算当前时刻采集数据与前N-1个采样点数据的均值作为当前时刻的采样值，表达公式为：其中，Xi(t)表示当前时刻的采样值；第三步：将窗口向前移动一个步长，采样到的新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个采样值，重复第二步。本方案中，对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算所采用的解算算法为卡尔曼滤波算法或扩展卡尔曼滤波算法。本方案中，将不同传感节点解析后的数据进行融合重构出人体姿态是通过四元数姿态变换算法进行人体姿态的重构。本方案中，在设置传感节点之前将对待捕捉姿态的人员进行三维扫描，获取人体的生理结构信息作为基础数据，所述生理结构信息包括身高，体宽、臂长、腿长。本专利技术第二方面提供了一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉系统，包括存储器和处理器，所述存储器中包括一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法程序，所述一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：设置传感节点，利用传感节点进行数据采集，对采集的数据进行预处理；对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算并将融合解算后的数据发送至后台处理单元；所述后台处理单元对接收到的数据进行解析，将不同传感节点解析后的数据进行融合重构出人体姿态。本方案中，所述传感节点为惯性测量单元或光学动作捕捉单元。本方案中，所述惯性测量单元和光学动作捕捉单元均穿戴式或粘贴式结构。本专利技术公开了一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法及系统，所述方法通过设置传感节点采集数据，通过数据预处理及融合解算，最后解析重构出人体姿态，提高了姿态捕捉精度。附图说明图1示出了本专利技术一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法流程图。图2示出了本专利技术中低通滤波和递推平均滤波对采集的数据进行滤波去噪处理流程图。图3示出了内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉系统框图。具体实施方法为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。本专利技术的内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法主要适用于基于医疗内窥镜手术中捕捉手术操作人员的姿态，过设置传感节点采集数据，通过数据预处理及融合解算，最后解析重构出人体姿态，提高了姿态捕捉精度。。当然，本专利技术并不限制内窥镜的种类及手术系统，任何采用本专利技术的技术方案都将落入本专利技术保护范围内。图1示出了本专利技术一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法流程图。如图1所示，专利技术第一方面公开了内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，包括：S102：设置传感节点，利用传感节点进行数据采集，对采集的数据进行预处理；在一个具体的实施例中，设置传感节点是采集数据的前提，具体的可以设置在待采集人员也即手术操作人员的身体不同关节节点，如手指、手腕、小臂、大臂、肩部、腰间、大腿、小腿等处，可以根据具体的采集的需要决定设置传感节点的数量，也可以根据捕捉不同姿态信息的需要仅设置在上肢或仅设置在下肢。在设置完毕传感节点后，可以设定固定的动做，如双臂自然下垂、双臂自然平举，来对传感节点采集的数据进行校准，采集到传感节点的数据后，需要对数据进行预处理进行滤波，本专利技术中不限定具体的滤波方式，例如若传感节点为陀螺仪时可以采用低通滤波的方式，如果是去除随机误差则可以采用中值滤波的方法，此外传感节点为加速度计时，为消除其确定性误差，则可以建立确定性误差模型进行误差的消除。需要说明的是，当传感节点为加速度计时加速度计的随机误差主要体现在高动态条件下采集加速度时，在采集的数据会出现脉冲噪声，这种噪声的出现是由加速度计动态运动时重力场引入运动加速度而导致数据变化的不确定性造成的。在一个具体的实施例中，内窥镜可以为硬管式内窥镜或纤维内窥镜或电子内窥镜，所述纤维内窥镜：由内窥镜镜体和冷光源两部分组成，镜体内有两条光导纤维束:一条叫光束，另一条叫像束，一端对准目镜，另一端通过物镜片对准被观测物表面，医生通过目镜能够非常直观地看到脏器表面的情况，便于及时准确地诊断病情。所述电子内窥镜：不再以光纤传像，而代之以光敏集成电路摄像系统，主要所能显示的不但影像质量好，光亮度强，而且图像大，可以检查出更细小的病变，而且电子内窥镜的外径更细，图像更加清晰和直观，操作方便。S104：对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算并将融合解算后的数据发送至后台处理单元；需要说明的是，所述的姿态融合与解算是根据传感节点的数据通过解算算法得到姿态角信息，所述姿态是用来描述一个刚体的自身坐标系和参考坐标系之间的角位置关系，有多种数学表示方法，其中常见本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，其特征在于，/n设置传感节点，利用传感节点进行数据采集，对采集的数据进行预处理；/n对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算并将融合解算后的数据发送至后台处理单元；/n所述后台处理单元对接收到的数据进行解析，将不同传感节点解析后的数据进行融合重构出人体姿态。/n

【技术特征摘要】
1.一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，其特征在于，
设置传感节点，利用传感节点进行数据采集，对采集的数据进行预处理；
对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算并将融合解算后的数据发送至后台处理单元；
所述后台处理单元对接收到的数据进行解析，将不同传感节点解析后的数据进行融合重构出人体姿态。


2.根据权利要求1所述的一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，其特征在于，所述传感节点为惯性测量单元或光学动作捕捉单元。


3.根据权利要求1所述的一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，其特征在于，所述对采集的数据进行数据预处理为采用低通滤波和递推平均滤波对采集的数据进行滤波去噪处理。


4.根据权利要求3所述的一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，其特征在于，所述采用低通滤波和递推平均滤波对采集的数据进行滤波去噪处理具体步骤为：
第一步：设置递推平均滤波的窗口N，其中N为正整数；
第二步：计算当前时刻采集数据与前N-1个采样点数据的均值作为当前时刻的采样值，表达公式为：

其中，Xi(t)表示当前时刻的采样值；
第三步：将窗口向前移动一个步长，采样到的新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个采样值，重复第二步。


5.根据权利要求1所述的一种内窥镜手术中基于惯性测量单元的姿态捕捉方法，其特征在于，对预处理后的采集数据进行姿态融合与解算所采用的解算...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙殿珉，段星光，王正杰，李建玺，刘治，宋锐，赵洪华，周乐来，陈永健，王海滨，田广野，杜文青，
申请(专利权)人：山东省肿瘤防治研究院山东省肿瘤医院，
类型：发明
国别省市：山东;37