片上化永磁体定位跟踪系统与方法技术方案

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，SOPC硬件系统集成在一块FPGA上，参数校正平台包括磁传感器阵列平板和若干磁体平台；磁传感器阵列平板上布置有传感器阵列，传感器阵列由若干三轴磁传感器组成；磁体平台用于布置永磁体，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传感器阵列探测；本发明专利技术还提供了一种片上化永磁体定位跟踪方法，基于该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；本发明专利技术能够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。追踪。追踪。

【技术实现步骤摘要】
片上化永磁体定位跟踪系统与方法


[0001]本专利技术属于医疗辅助器械
，特别涉及一种片上化永磁体定位跟踪系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]本专利技术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；
[0011]所述参数校正环节的步骤如下：
[0012]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；
[0013]12)，安装磁传感器阵列平板和磁体平台；
[0014]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；
[0015]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
ij
；
[0016]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
i
及灵敏度系数K
i
；
[0017]所述定位跟踪环节的步骤如下：
[0018]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；
[0019]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。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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
[0025]图1是本专利技术基于FPGA的片上化永磁体定位跟踪系统结构功能示意图。
[0026]图2是本专利技术参数校正平台示意图。
[0027]图3是本专利技术磁传感器阵列示意图。
[0028]图4是本专利技术基于FPGA的片上化控制器的控制流程图。
[0029]图5是本专利技术基于FPGA的片上化控制器的进入参数校正区控制流程图。
[0030]图6是本专利技术基于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
[0031]下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。
[0032]由于磁定位跟踪不存在视线遮挡问题，因此有望替代
技术介绍
所述的光学追踪，在医疗手术中获得应用。
[0033]本专利技术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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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，本专利技术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。
[0037]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。
[0038]在本专利技术的一个实施例中，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，本专利技术中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.片上化永磁体定位跟踪系统，其特征在于，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(1)和若干磁体平台(2)；所述磁传感器阵列平板(1)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(6)组成；所述磁体平台(2)用于布置永磁体，所述磁体平台(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。2.根据权利要求1所述片上化永磁体定位跟踪系统，其特征在于，所述程序处理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。3.根据权利要求1所述片上化永磁体定位跟踪系统，其特征在于，所述参数校正平台还包括光学平台(3)，所述光学平台(3)上固定有平板支撑夹(5)和若干支杆(4)，所述平板支撑夹(5)用于夹紧固定所述磁传感器阵列平板(1)，各所述磁体平台(2)分别安装于一个支杆(4)上。4.根据权利要求1所述片上化永磁体定位跟踪系统，其特征在于，所述磁传感器阵列平板(1)竖直安装，其磁传感器安装面朝向所述磁体平台(2)。5.根据权利要求1所述片上化永磁体定位跟踪系统，其特征在于，所述磁体平台(2)和所述三轴磁传感器(6)的数量均大于5。6.一种片上化永磁体定位跟踪方法，基于权利要求1所述片上化永磁体定位跟踪系统实现，其特征在于，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(1)和磁体平台(2)；13)，利用三坐标测量机测量各三轴磁传感器(6)的三维坐标和各磁体平台(2)的三维坐标；14)，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
ij
；15)，将所述各三轴磁传感器(6)的三维坐标、各磁体平台(2)的三维坐标和各三轴磁传感器(6)测得的磁场强度导入磁偶极子数学...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋伟伦，庄健，吕毅，
申请(专利权)人：西安交通大学医学院第一附属医院，
类型：发明
国别省市：