基于磁棒旋转搜索的手术导航用电磁跟踪方法研究

发布时间：2021-02-14 01:34

　　微创理念是现代临床医学的重要思想,由于其具有创伤小、痛苦低、恢复快、操作简单等一系列优势,广受医患双方的青睐。介入式微创手术是在医学影像系统的指导下导引治疗器械至病变处进行操作的手术方式,作为微创医学的重要分支,近年来取得了长足的发展。手术过程中的医学影像导航是介入治疗发展中的关键问题之一,传统的X光导航存在辐射剂量大、只能实现二维导航、需要使用造影剂等诸多缺陷,而新兴的基于电磁跟踪的导航方法具有良好的应用前景。本文主要研究用于介入手术导航的电磁跟踪方法。由于以往的电磁跟踪方法大都依赖磁场模型、依赖迭代算法,故而增加了方法的复杂度并影响了其稳定性和跟踪精度。本文在回顾以往电磁跟踪方法的基础上,通过对磁场源磁场特性的分析,提出了基于磁棒旋转搜索的电磁跟踪新思路。该方法采用几何非迭代的算法,能够极大地降低电磁跟踪方法的算法复杂度,提高其稳定性；另外,由于该方法不依赖或较少依赖磁场分布的理论模型,可以从根本上消除由于磁场实际分布与理论分布之间的差异而带来的定位/跟踪误差,取得良好的效果。本文首先提出了基于磁棒旋转搜索的正交磁棒方法和双独立磁棒方法两类电磁跟踪方法,提出了机械扫描和电扫描两类旋... 

【文章来源】：复旦大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：135 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
目录
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 微创医学
        1.1.2 介入治疗
        1.1.3 介入式手术导航
    1.2 电磁跟踪和电磁导航
        1.2.1 电磁跟踪
        1.2.2 介入手术电磁导航
        1.2.3 电磁跟踪的研究现状
        1.2.4 电磁跟踪的其他应用领域
    1.3 电磁跟踪方法综述
        1.3.1 系统配置
        1.3.2 磁场模型
        1.3.3 跟踪算法
        1.3.4 校准方法
    1.4 本文的研究内容
    1.5 本文的主要创新点
第2章 基于磁棒旋转搜索的方法
    2.1 引言
    2.2 磁场源特性分析
        2.2.1 磁场描述
        2.2.2 磁场特性分析
    2.3 基于磁棒旋转搜索的电磁跟踪方法
        2.3.1 旋转的引入
        2.3.2 单磁棒磁场的二义性
        2.3.3 六自由度跟踪的实现
    2.4 系统实现方式
        2.4.0 旋转实现方式
        2.4.1 磁场源的选择
        2.4.2 磁场激励方式
        2.4.3 传感器
    2.5 系统设计
    2.6 本章小结
第3章 位置和方向算法
    3.1 刚体的空间旋转
    3.2 正交磁棒方法
        3.2.1 坐标系定义
        3.2.2 位置算法
        3.2.3 方向算法
    3.3 双独立磁棒方法
        3.3.1 坐标系定义
        3.3.2 位置算法
        3.3.3 方向算法
    3.4 本章小结
第4章 搜索策略
    4.1 搜索过程
    4.2 搜索步长策略
        4.2.1 定步长策略
        4.2.2 可变搜索步长
        4.2.3 自适应步长策略
    4.3 跟踪方向判断参数
    4.4 初始方向判断参数
        4.4.1 水平方向判断参数
        4.4.2 垂直方向判断参数
        4.4.3 独立磁棒方法的初始方向判断
    4.5 本章小结
第5章 仿真研究和性能评估
    5.1 仿真方法
        5.1.1 引言
        5.1.2 有限元电磁场仿真和ANSYS
        5.1.3 模型建立和旋转磁场仿真
        5.1.4 仿真方法
    5.2 正交磁棒方法仿真研究
        5.2.1 误差分布
        5.2.2 跟踪步数分布
        5.2.3 统计性能
        5.2.4 讨论
    5.3 双磁棒方法仿真研究
        5.3.1 误差分布
        5.3.2 步数分布
        5.3.3 统计性能
        5.3.4 讨论
    5.4 对比研究
    5.5 本章小结
第6章 原型设计和实验验证
    6.1 原型设计
        6.1.1 系统设计
        6.1.2 硬件设计
        6.1.3 软件设计
        6.1.4 原型系统照片
    6.2 实验方案
        6.2.1 实验设备
        6.2.2 实验方法
        6.2.3 系统参数预标定
        6.2.4 修正后的位置算法
    6.3 实验结果
        6.3.1 位置误差
        6.3.2 方向误差
        6.3.3 跟踪性能
    6.4 性能分析和讨论
    6.5 本章小结
第7章 可变旋转轴电磁跟踪方法初探
    7.1 旋转轴和电扫描
    7.2 可变旋转轴电扫式方法
        7.2.1 可变旋转轴正交磁棒方法
        7.2.2 变旋转轴双磁棒方法
    7.3 仿真结果
    7.4 本章小结
第8章 总结和展望
    8.1 本文工作总结
    8.2 后续工作展望
参考文献
后记
攻读博士学位期间论文发表情况


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FLANN的三轴磁强计误差校正研究[J]. 吴德会,黄松岭,赵伟.  仪器仪表学报. 2009(03)
[2]基于磁阻传感器的消化道诊查胶囊的位置检测[J]. 何文辉,颜国正,郭旭东.  仪器仪表学报. 2006(10)
[3]体内微型诊疗装置磁定位简化模型的实验研究[J]. 侯文生,郑小林,彭承琳,彭小燕,吴旭东.  仪器仪表学报. 2005(09)
[4]人体全消化道生理参数遥测胶囊体外连续跟踪定位方法[J]. 姜萍萍,颜国正,田社平,王文兴.  上海交通大学学报. 2005(06)
[5]基于磁场方式的内窥镜体内三维定位方法研究[J]. 刘心宇,陈新,林东,张庆辉,田村进一.  福州大学学报(自然科学版). 2001(01)



本文编号：3032903