惯性混合位姿跟踪电路及其工作方法技术

惯性混合位姿跟踪电路，包括：九轴IMU电路、蓝牙收发电路、开关电源与接口电路、STM32L1单片机核心电路和纽扣电池，开关电源与接口电路、蓝牙收发电路、九轴IMU电路分别与STM32L1单片机核心电路进行电气连接，纽扣电池连接到开关电源与接口电路来为整个惯性混合位姿跟踪电路供电，惯性混合位姿跟踪电路固定在被跟踪的手术器械上，通过蓝牙收发电路与光学跟踪系统进行通信，将九轴IMU电路输出的三轴加速度计数据、三轴陀螺仪数据和三轴磁强计数据发送给光学跟踪系统的主控电路进行处理。还提供了工作方法。理。还提供了工作方法。理。还提供了工作方法。

【技术实现步骤摘要】
惯性混合位姿跟踪电路及其工作方法


[0001]本专利技术涉及医学图像处理的
，尤其涉及一种惯性混合位姿跟踪电路，以及这种惯性混合位姿跟踪电路的工作方法，主要适用于手术导航的领域。

技术介绍

[0002]定位设备是手术导航系统中最为核心的部分，其定位的实时性及精度直接影响到手术导航系统的安全性和精确性，从而影响最终的手术成功率。手术导航中定位设备采用的定位技术主要有机械定位系统、超声定位系统、电磁定位系统和光学定位系统四种。光学定位系统属于非接触的空间定位方法，它在精度、可靠性、使用方便性等方面都具有显著的优势，是目前使用最为广泛的定位技术。
[0003]光学定位系统虽然具有较高的定位精度，但是在使用时需要保持目标与相机之间的定位光线不被遮挡，然而在实际手术中，手术室空间有限，患者周边配备着各种手术设备，很难保证一直保持不遮挡定位光线，尤其是在腹腔镜和手术器械需要灵活使用的手术中，更无法保持光线的畅通。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种惯性混合位姿跟踪电路，其能够解决在手术器械上的标记点被部分遮挡时对手术器械的准确位置和姿态跟踪。
[0005]本专利技术的技术方案是：这种惯性混合位姿跟踪电路，其包括：九轴IMU电路、蓝牙收发电路、开关电源与接口电路、STM32L1单片机核心电路和纽扣电池，开关电源与接口电路、蓝牙收发电路、九轴IMU电路分别与STM32L1单片机核心电路进行电气连接，纽扣电池连接到开关电源与接口电路来为整个惯性混合位姿跟踪电路供电，惯性混合位姿跟踪电路固定在被跟踪的手术器械上，通过蓝牙收发电路与光学跟踪系统进行通信，将九轴IMU电路输出的三轴加速度计数据、三轴陀螺仪数据和三轴磁强计数据发送给光学跟踪系统的主控电路进行处理。
[0006]本专利技术惯性混合位姿跟踪电路固定在被跟踪的手术器械上，通过蓝牙收发电路与光学跟踪系统进行通信，将九轴IMU电路输出的三轴加速度计数据、三轴陀螺仪数据和三轴磁强计数据发送给光学跟踪系统的主控电路进行处理，因此能够解决在手术器械上的标记点被部分遮挡时对手术器械的准确位置和姿态跟踪。
[0007]还提供了惯性混合位姿跟踪电路的工作方法，其包括以下步骤：
[0008](1)PS端根据九轴IMU数据采用卡尔曼滤波器方法得到表征手术器械姿态信息的俯仰角θ、横滚角γ和航向角ψ，以及当前时刻手术器械的姿态旋转矩阵：
[0009][0010](2)计算出手术器械上原点与未被遮挡标记点的三维空间位移:
△
X
n
、
△
Y
n
和
△
Z
n
，根据矩阵变换得到原点的空间三维坐标X
0 Y0Z0：
[0011][0012](3)PS端将此坐标通过以太网发送给上位机来计算得到手术器械的空间坐标与位姿，为了提高系统的跟踪频率，对光学跟踪系统的数据和九轴惯性测量单元的数据进行同步化处理。
附图说明
[0013]图1是根据本专利技术的惯性混合位姿跟踪电路的工作方法的流程图。
[0014]图2是根据本专利技术的光学跟踪系统转动θ角度后的位置示意图。
具体实施方式
[0015]这种惯性混合位姿跟踪电路，其包括：九轴IMU电路、蓝牙收发电路、开关电源与接口电路、STM32L1单片机核心电路和纽扣电池，开关电源与接口电路、蓝牙收发电路、九轴IMU电路分别与STM32L1单片机核心电路进行电气连接，纽扣电池连接到开关电源与接口电路来为整个惯性混合位姿跟踪电路供电，惯性混合位姿跟踪电路固定在被跟踪的手术器械上，通过蓝牙收发电路与光学跟踪系统进行通信，将九轴IMU电路输出的三轴加速度计数据、三轴陀螺仪数据和三轴磁强计数据发送给光学跟踪系统的主控电路进行处理。
[0016]本专利技术惯性混合位姿跟踪电路固定在被跟踪的手术器械上，通过蓝牙收发电路与光学跟踪系统进行通信，将九轴IMU电路输出的三轴加速度计数据、三轴陀螺仪数据和三轴磁强计数据发送给光学跟踪系统的主控电路进行处理，因此能够解决在手术器械上的标记点被部分遮挡时对手术器械的准确位置和姿态跟踪。
[0017]优选地，所述九轴IMU电路选用ICM
‑
20948惯性测量单元，当光学跟踪系统中手术器械上的标记点部分被遮挡时，处理器系统PS端根据九轴IMU数据采用卡尔曼滤波器方法得到表征手术器械姿态信息的俯仰角、横滚角和航向角，以及当前时刻手术器械的姿态旋转矩阵，再计算出手术器械上原点与未被遮挡标记点的三维空间位移，根据矩阵变换得到原点的空间三维坐标，PS端将此坐标通过以太网发送给上位机来计算得到手术器械的空间坐标与位姿，并且PS端将惯性测量单元的数据插入到两次光学跟踪系统的数据之间，以便提高跟踪频率。
[0018]如图1所示，还提供了惯性混合位姿跟踪电路的工作方法，其包括以下步骤：
[0019](1)PS端根据九轴IMU数据采用卡尔曼滤波器方法得到表征手术器械姿态信息的俯仰角θ、横滚角γ和航向角ψ，以及当前时刻手术器械的姿态旋转矩阵：
[0020][0021](2)计算出手术器械上原点与未被遮挡标记点的三维空间位移:
△
X
n
、
△
Y
n
和
△
Z
n
，
根据矩阵变换得到原点的空间三维坐标X
0 Y0Z0：
[0022][0023](3)PS端将此坐标通过以太网发送给上位机来计算得到手术器械的空间坐标与位姿，为了提高系统的跟踪频率，对光学跟踪系统的数据和九轴惯性测量单元的数据进行同步化处理。
[0024]优选地，所述步骤(3)中，PS端在光学跟踪系统每两次更新之间，混合跟踪系统基于前一次光学跟踪系统采集到的位置及姿态，利用惯性跟踪系统得到的位置和姿态对混合跟踪结果进行更新，PS端将惯性测量单元的数据插入到两次光学跟踪系统的数据之间。
[0025]以上所述，仅是本专利技术的较佳实施例，并非对本专利技术作任何形式上的限制，凡是依据本专利技术的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本专利技术技术方案的保护范围。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.惯性混合位姿跟踪电路，其特征在于：其包括：九轴IMU电路、蓝牙收发电路、开关电源与接口电路、STM32L1单片机核心电路和纽扣电池，开关电源与接口电路、蓝牙收发电路、九轴IMU电路分别与STM32L1单片机核心电路进行电气连接，纽扣电池连接到开关电源与接口电路来为整个惯性混合位姿跟踪电路供电，惯性混合位姿跟踪电路固定在被跟踪的手术器械上，通过蓝牙收发电路与光学跟踪系统进行通信，将九轴IMU电路输出的三轴加速度计数据、三轴陀螺仪数据和三轴磁强计数据发送给光学跟踪系统的主控电路进行处理。2.根据权利要求1所述的惯性混合位姿跟踪电路，其特征在于：所述九轴IMU电路选用ICM
‑
20948惯性测量单元，当光学跟踪系统中手术器械上的标记点部分被遮挡时，处理器系统PS端根据九轴IMU数据采用卡尔曼滤波器方法得到表征手术器械姿态信息的俯仰角、横滚角和航向角，以及当前时刻手术器械的姿态旋转矩阵，再计算出手术器械上原点与未被遮挡标记点的三维空间位移，根据矩阵变换得到原点的空间三维坐标，PS端将此坐标通过以太网发送给上位机来计算得到手术器械的空间坐标与位姿，并且PS端将惯性测量单元的数据插入到两次光学跟踪系统的数据之间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨峰，赵黎明，
申请(专利权)人：艾瑞迈迪医疗科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：