基于多传感器的内窥镜跟踪定位与数字人动态同步显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术设计了一种基于多传感器的内窥镜跟踪定位与数字人动态同步显示装置，包括内窥镜前端姿态采集模块，通讯与控制中心，励磁线圈模块，PC处理中心四部分构成。内窥镜前端探头中放置微型的多传感器系统，包括MEMS三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴磁场传感器，可以实时的探测内窥镜探头载体在转动和移动过程当中的传感信息变化，根据不同的内镜结构，利用无线或者有线的通讯方式，将传感信息周期性导入通讯与控制中心，控制中心根据跟踪定位的算法需求，周期性的驱动外场线圈，同时将传感器信息进行初步处理后传入PC机中，PC经过姿态解算后，利用数字人模型实现对内窥镜的动态同步显示。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多传感器跟踪定位领域，尤其适合内窥镜探头等微小区域的方位探測。
技术介绍
在医疗上，医生一般通过内窥镜采集到的图像，依靠经验来对病变位置进行判断，具有较大误差。而在ー些特殊场合下，医生需要结合内窥镜得到的病变位置信息，配合手术等措施进行综合治疗，因此对病变位置的方位精度要求较高。在日本，美国一些发达国家， 胶囊内窥镜应用逐渐普遍，对其定位和控制也是目前的研究热点。目前国内外采用的内镜定位技术，多为采用以磁场分布为核心的测算方法，分为体内置磁场传感器，体外多点磁场源，或者体内磁场发射源，体外数十个探测器阵列两种。以磁场分布为核心的定位系统，需要耗费大量的磁场源或磁场传感器探測装置，定位的速度和精度都有所下降，而且以体内放置的磁场源，一般为磁偶极子，其磁场发射范围有限，作为永磁体其使用寿命和磁场衰減等都会干扰到长期使用，本专利应用传感技术对空间位置进行解算，采用电磁场线圈产生磁场，磁场稳定且衰减较小，实现方法较为快捷。多传感器的姿态测量系统，已经广泛应用在航天，卫星姿态等领域，但是由于传感器的体积和精度原因，一直无法适用于微型探测领域。近年来，随着微型MARG多传感器模组(MEMS三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴磁强计)的诞生，使得多传感定位技术的应用层面逐渐扩大，甚至可以嵌入手机进行翻转跟踪，本专利的设计更加微型化，即为将微型多传感器模组置于内窥镜探头中，实现微小载体下姿态的精准測量。多传感器的姿态定位算法，其核心思想是利用陀螺仪的姿态累积保证姿态跟踪的连续性，以辅助传感器结合卡尔曼滤波方法，来修正陀螺仪的累积误差，从而保证姿态跟踪的精确性，这种方法适合于姿态变化缓慢的大型载体的定位。本专利在此基础上进行方法优化，适应了内窥镜等小载体对快速姿态跟踪的需求。在内窥镜的绝对位置定位上，相比其它的定位技木，例如，利用机械特性进行定位，精度较低且结构复杂，而对磁场源进行全空间建模则过于复杂，不易实现。数字人技木，目前主要应用在医学图像还原，人体结构分析等领域，大多数是应用在静态的病理分析上，在同步跟踪方面的应用较少，本专利应用OPEN GL技术，将定位信息与数字人技术结合，实现了对定位信息的动态综合显示。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种基于多传感器的内窥镜跟踪定位与数字人动态同步显示的一体化装置。该一体化装置，通过多传感器技术和磁场定位技术，实现对姿态的高速采集和准确定位，通过与数字人显示技术结合，实现了定位信息的动态显示，使内窥镜的定位跟踪结果更加直观。该装置利用的方法是将多传感器模组微缩到内窥镜探头前端，探头作为载体在发生姿态旋转时，通过传感信息的解算，可以得到大地坐标系到载体坐标系的转换矩阵的具体表达，以大地坐标系为基准，转换矩阵就对应了当前载体的姿态。在完成姿态解算的同吋，间歇通电人体附近的多个励磁线圈，利用线圈磁场的特殊分布，并结合当前具体姿态，综合得到载体所在的空间位置。之后，由OPEN GL的建模技术，将接受观测的人体的体重和身高输入，在MFC界面仿真得到ー个包括器官模型在内的透视的数字人模型，并将姿态和位置信息传输给PC机，在数字人内，以合适比例建立动态的内窥镜模型，从而完成姿态和位置的定位，实现内窥镜在人体内移动过程的同步再现。该装置包括内窥镜前端姿态采集模块、通讯与控制中心、励磁线圈模块，PC处理中心四个主要部分，其具体结构和连接关系分别如下；内窥镜前端姿态采集模块由固定在内窥镜探头处的多传感器系统构成，所述的多传感器系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁场传感器，这三个传感器同时由3. 3V的电源供电，各传感器的SDA和SCL数据线合并在一条信息通路，对内窥镜探头的姿态和位置变化过程中空间矢量的分布进行测量输出，前端探头与通讯与控制中心直接相连。 通讯与控制中心该部分以单片机为核心，外部挂载多种通讯方式，包括串ロ，I2C以及无线接收装置，同时对外置的励磁线圈进行数字选通控制，该通讯与控制中心作为通讯的中介模块，位于人体外部，作为传统内窥镜图像处理器的辅助功能部分，以内窥镜头的多传感信息为输入连接内窥镜的输出端，以数字选通和串ロ作为输出分别连接励磁线圈和PC机。励磁线圈模块包含三个多匝、密绕的铜线圈构成的励磁线圈，根据定位算法需求在一定周期内循环通电和放电，构建符合定位需求的环绕磁场，三个励磁线圈放置在病床下部，正对人体腹腔中心部位，分别与通讯与控制中心的数字选通端相连，通过单片机的IOロ来进行数字控制。PC处理中心与通讯控制中心的串ロ输出端连接进行数据通讯，波特率为38400，传输速率约110KHZ，在MFC的环境下，包含两个独立软件功能模块，分别为(I)传感信息姿态解算模块主要利用跟踪定位算法，根据多传感器系统采集到的信息，在PC机中完成对姿态角和位置信息的解算；(2).同步模型显示模块为了便于人机交互，以PC的图形构建功能，创建数字人和跟踪的内窥镜模型，以模型动作仿真真实环境，方便医生进行对比诊断。前端采集模块中涉及的传感模组结构，针对软管有线内窥镜和胶囊无线内窥镜可以分别设计不同的传感器的位置结构和通讯方式，扩展了姿态定位技术的应用范围和灵活性；而且，所采用的多传感器系统，既包含目前常用的三轴陀螺仪对倾角等姿态变化进行积分，又加入三轴加速度计和三轴磁场传感器对姿态的误差进行修正，姿态定位精度较高。采用多个励磁线圈选通定位的方法，对人体无伤害，而且其特殊组合位置，保证了人体位于其磁场强度较大的区域，方便解算和测量。本专利技术所述的励磁线圈采用多匝，圆柱密绕的方式，并且采用定制的160mm非标准大直径绕制，其磁场分布范围较广，相比采用磁偶极子的点磁场而言，具有更好的空间对称性和磁场强度，便于传感器进行高精度采集；磁场线圈位于人体下方。通过上述装置，可以实现在内窥镜的诊断过程中，对人体内的姿态和位置进行ー体化的跟踪和显示，方便医生的操作和对比观察，一体化的装置，便于医生对内镜位置的直观认识，结合内窥镜镜头采集到的图像和PC机内的数字模型，可相对准确的判断出病变位置，在实际使用中，用户主要通过以下几个步骤来完成对该装置的初始化和使用第1、将内窥镜放置于标定的水平面上，并作初始化数据采集与传感器灵敏度标定，排除定位范围内的磁干扰的手机等电磁干扰设备，以及其他软磁性的物质，为磁场定位清理环境干扰，输入人体的体重和身高数据，为数字人建模提供比例标准。第2、启动通讯控制中心，将各通讯通道开启，预备开始数据采集和控制，励磁线圈按照算法需求进行高速选通， 构建不同点的瞬态磁场。第3、将内窥镜连接软管或者采用胶囊内窥镜，送入人体，系统开始连续数据采集，通讯控制中心周期性的采集传感信息并传回PC中进行姿态解算。第4、PC内姿态解算和同步显示双线程完成，通过数据通道，将姿态信息从不同线程中进行通讯，同步数字人显示模型不断刷新，实现“连续”动态跟踪。第5、重复第3歩-第4步的过程，对内窥镜镜头的运动和方位实时探測和跟踪。本专利技术的优点和积极效果a)采用多传感定位，精度较高。同传统的利用磁场空间分布或者采用加速度和地磁的欧拉角定位方式，该装置采用三传感器的融合定位，角度定位的精度较高。而且，采用多个外部磁场线圈，综合实现位置定位，比单纯利用一个磁场源，采用多个传感器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多传感器的内窥镜跟踪定位与数字人动态同步显示装置，其特征在于该装置包括：内窥镜前端姿态采集模块、通讯与控制中心、励磁线圈模块，PC处理中心四部分构成；内窥镜前端姿态采集模块：由固定在内窥镜探头处的多传感器系统构成，所述的多传感器系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁场传感器，这三个传感器同时由3.3V的电源供电，各传感器的SDA和SCL数据线合并在一条信息通路，对内窥镜探头的姿态和位置变化过程中空间矢量的分布进行测量输出，前端探头和通讯与控制中心直接相连；通讯与控制中心：该部分以单片机为核心，外部挂载多种通讯方式，包括串口，I2C以及无线接收装置，同时对外置的励磁线圈进行数字选通控制，该通讯与控制中心作为通讯的中介模块，位于人体外部，作为传统内窥镜图像处理器的辅助功能部分，以内窥镜头的多传感信息为输入连接内窥镜的输出端，以数字选通和串口作为输出分别连接励磁线圈和PC机；励磁线圈模块：包含三个多匝、密绕的铜线圈构成的励磁线圈，根据定位算法需求在一定周期内循环通电和放电，构建符合定位需求的环绕磁场，三个励磁线圈放置在病床下部，正对人体腹腔中心部位，分别与通讯与控制中心的数字选通端相连，通过单片机的IO口来进行数字控制；PC处理中心：和通讯与控制中心的串口输出端连接进行数据通讯，波特率为38400，传输速率约110KHZ，在MFC的环境下，包含两个独立软件功能模块，分别为：(1)传感信息姿态解算模块：主要利用跟踪定位算法，根据多传感器系统采集到的信息，在PC机中完成对姿态角和位置信息的解算；(2).同步模型显示模块：为了便于人机交互，以PC的图形构建功能，创建数字人和跟踪的内窥镜模型，以模型动作仿真真实环境，方便医生进行对比诊断。...

【技术特征摘要】
1.基于多传感器的内窥镜跟踪定位与数字人动态同步显示装置，其特征在于该装置包括内窥镜前端姿态采集模块、通讯与控制中心、励磁线圈模块，PC处理中心四部分构成； 内窥镜前端姿态采集模块由固定在内窥镜探头处的多传感器系统构成，所述的多传感器系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁场传感器，这三个传感器同时由3. 3V的电源供电，各传感器的SDA和SCL数据线合并在一条信息通路，对内窥镜探头的姿态和位置变化过程中空间矢量的分布进行测量输出，前端探头和通讯与控制中心直接相连； 通讯与控制中心该部分以单片机为核心，外部挂载多种通讯方式，包括串口，I2C以及无线接收装置，同时对外置的励磁线圈进行数字选通控制，该通讯与控制中心作为通讯的中介模块，位于人体外部，作为传统内窥镜图像处理器的辅助功能部分，以内窥镜头的多传感信息为输入连接内窥镜的输出端，以数字选通和串口作为输出分别连接励磁线圈和PC机； 励磁线圈模块包含三个多匝、密绕的铜线圈构成的励磁线圈，根据定位算法需求在一定周期内循环通电和放电，构建符合定位需求的环绕磁场，三个励磁线圈放置在病床下部，正对人体腹腔中心部位，分别与通讯与控制中心的数字选通端相连，通过单片机的IO 口来进行数字控制； PC处理中心和通讯与控制中心的串口输出端连接进行数据通讯，波特率为38400，传输速率约110KHZ，在MFC的环境下，包含两个独立软件功能模块，分别为 (1)传感信息姿态解算模块主要利用跟踪定位算法，根据多传感器系统采集到的信息，在PC机中完成对姿态角和位置信息的解算； (2).同步模型显示模块为了便于人机交互，以PC的图形构建功能，创建数字人和跟踪的内窥镜模型，以模型动作仿真真实环境，方便医生进行对比诊断。2.根据权利要求1所述的装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓冬，王森，欧阳孜孜，汪毅，郁道银，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：