本发明提出一种耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的校准定位方法，包括：将与耳鼻喉电磁导航系统相连的跟踪装置夹在耳鼻喉手术器械的末端，将位置读取装置与耳鼻喉电磁导航系统相连，跟踪装置及位置读取装置在磁场发生器的磁场范围内；将位置读取装置固定住，将器械尖端抵在位置读取装置的基准槽处，手持器械末端沿周向转动，过程中采集n个跟踪装置内线圈的坐标位置信息；通过最小二乘法得到器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信息；将上述计算结果与耳鼻喉电磁导航系统中相关坐标系进行矩阵算法的转换，得到器械尖端在耳鼻喉电磁导航

　　(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 116999164 A (43)申请公布日 2023.11.07 (21)申请号 0.0 (22)申请日 2023.08.18 (71)申请人 山东威高医疗科技有限公司 地址 264200 山东省威海市高区初村镇山 海路288-11号医疗器械产业园C区7号 楼3层 (72)发明人 王炳强孙嘉祥孙世民 (74)专利代理机构 威海科星专利事务所 37202 专利代理师 李沫 (51)Int.Cl. A61B 34/20 (2016.01) 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (54)发明名称 耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的 校准定位方法 (57)摘要 本发明提出一种耳鼻喉电磁导航系统下耳 鼻喉手术器械的校准定位方法，包括 ：将与耳鼻 喉电磁导航系统相连的跟踪装置夹在耳鼻喉手 术器械的末端，将位置读取装置与耳鼻喉电磁导 航系统相连，跟踪装置及位置读取装置在磁场发 生器的磁场范围内 ；将位置读取装置固定住，将 器械尖端抵在位置读取装置的基准槽处，手持器 械末端沿周向转动，过程中采集n个跟踪装置内 线圈的坐标位置信息；通过最小二乘法得到器械 尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信息；将上述 计算结果与耳鼻喉电磁导航系统中相关坐标系 A 进行矩阵算法的转换，得到器械尖端在耳鼻喉电 4 磁导航系统中的精准位置。上述校准定位方法能 6 1 9 在耳鼻喉电磁导航系统下，精准定位多种耳鼻喉 9 9 6 手术器械尖端的位置。 1 1 N C CN 116999164 A 权利要求书 1/2页 1.一种耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的校准定位方法，其特征在于：包括以 下步骤： 步骤1、将跟踪装置夹在耳鼻喉手术器械的末端，将跟踪装置的连接线与耳鼻喉电磁导 航系统相连，并保证将跟踪装置置于磁场发生器的磁场范围中； 步骤2、将位置读取装置的连接线与耳鼻喉电磁导航系统相连，并且保证位置读取装置 在磁场发生器的磁场范围内； 步骤3、在磁场范围中，将位置读取装置固定住，将步骤1中的耳鼻喉手术器械的尖端持 续抵在位置读取装置的基准槽处，手持耳鼻喉手术器械末端使其沿着周向转动，在转动的 过程中，使耳鼻喉手术器械末端和尖端的连线与基准槽的底面所在水平面之间的夹角处在 30°～60°的范围，在转动过程中，按照预设时间间隔采集n个跟踪装置内线圈的坐标位置信 息，n大于等于200，n为整数； 步骤4、跟踪装置内线圈的位置与耳鼻喉手术器械尖端的相对位置距离为固定值，利用 步骤3采集到的n个数据，通过最小二乘法得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下 的位置信息； 步骤5、将步骤4计算得到的耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信息与 耳鼻喉电磁导航系统中磁场发生器坐标系、图像坐标系及标定模板坐标系进行矩阵算法的 转换，从而得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉电磁导航系统中的精准位置。 2.根据权利要求1所述的耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的校准定位方法，其 特征在于：所述步骤4中通过最小二乘法得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下 的位置信息的过程如下： 把采集到的跟踪装置内线圈的位置信息称之为信标节点；把需要计算得到的耳鼻喉手 术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信息称之为待定位节点；已知n个信标节点的坐 标位置为：(x，y)，(x，y)...(x，y)；信标节点向待定位节点发送数据包，待定位节点测 1 1 1 1 n n 量来自信标节点数据包的信号强度为：(rssi，Issi ，...，rssi)；根据信号传播模型，将这 1 2 n 一系列的RSSI值转换为相应的距离：(d，d ，...，d)；联立待定位节点(x，y)、信标节点坐标 1 2 n (x，y)、两者直接的距离d 得到以下方程组： i i i 上式中，第一个方程减去第二个方程，第二个方程减去第三个方程……第(n‑1)个方程 2 2 减去第n个方程，消去方程组中的未知参数：二次方幂x+y ，就能得到以下方程组： 此方程组的矩阵表示形式为：AX＝B； 上述各个参数分别为： 2 2 CN 116999164 A 权利要求书 2/2页 由于在n个方程中，待定位节点坐标X不会符合方程组AX＝B中的所有方程，因此设置误 差向量为：ε＝AX‑B，取误差向量中误差的平方和，则有： 2 T T E＝ε ＝εε＝(AX‑B) (AX‑B) 若要误差最小，即使E最小，从而将上式对X求导，令导数为0，其表达式为： 由于X是关于待定位节点坐标的矩阵形式： 因此能够获得待定位节点的估计 坐标：(x，y)。 3 3 CN 116999164 A 说明书 1/5页 耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的校准定位方法 技术领域 [0001] 本发明涉及医疗器械的校准定位技术领域，尤其涉及一种耳鼻喉电磁导航系统下 耳鼻喉手术器械的校准定位方法。 背景技术 [0002] 在现有的耳鼻喉电磁导航系统中，所使用的耳鼻喉手术器械尖端的定位方式是将 线圈放置在空心的耳鼻喉手术器械腔体尖端位置处，在磁场发生器的磁场范围中，通过识 别线圈的位置从而确定耳鼻喉手术器械尖端的位置。 [0003] 但在目前耳鼻喉手术市场上，耳鼻喉手术器械多样化，考虑到成本及工艺技术等 原因，无法将各种类型的耳鼻喉手术器械的腔体空心化，从而无法将线圈放置在器械的尖 端，这样便无法对这种耳鼻喉手术器械的尖端进行定位。因此亟需一种耳鼻喉电磁导航系 统下耳鼻喉手术器械的校准定位方法。 发明内容 [0004] 为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻 喉手术器械的校准定位方法，以便在耳鼻喉电磁导航系统下，精准定位多种耳鼻喉手术器 械尖端的位置，保证耳鼻喉手术器械最终的定位精度达到手术的精度要求。 [0005] 为了实现上述目的，本申请提出了一种耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的 校准定位方法，包括以下步骤： [0006] 步骤1、将跟踪装置夹在耳鼻喉手术器械的末端，将跟踪装置的连接线与耳鼻喉电 磁导航系统相连，并保证将跟踪装置置于磁场发生器的磁场范围中； [0007] 步骤2、将位置读取装置的连接线与耳鼻喉电磁导航系统相连，并且保证位置读取 装置在磁场发生器的磁场范围内； [0008] 步骤3、在磁场范围中，将位置读取装置固定住，将步骤1中的耳鼻喉手术器械的尖 端持续抵在位置读取装置的基准槽处，手持耳鼻喉手术器械末端使其沿着周向转动，在转 动的过程中，使耳鼻喉手术器械末端和尖端的连线与基准槽的底面所在水平面之间的夹角 处在30°～60°的范围，在转动过程中，按照预设时间间隔采集n个跟踪装置内线圈的坐标位 置信息，n大于等于200，n为整数； [0009] 步骤4、跟踪装置内线圈的位置与耳鼻喉手术器械尖端的相对位置距离为固定值， 利用步骤3采集到的n个数据，通过最小二乘法得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标 系下的位置信息； [0010] 步骤5、将步骤4计算得到的耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信 息与耳鼻喉电磁导航系统中磁场发生器坐标系、图像坐标系及标定模板坐标系进行矩阵算 法的转换，从而得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉电磁导航系统中的精准位置。 [0011] 在一些实施例中，所述步骤4中通过最小二乘法得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻 喉器械坐标系下的位置信息的过程如下： 4 4 CN 116999164 A 说明书 2/5页 [0012] 把采集到的跟踪装置内线圈的位置信息称之为信标节点；把需要计算得到的耳鼻 喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信息称之为待定位节点；已知n个信标节点 的坐标位置为：(x，y)，(x，y)...(x，y)；信标节点向待定位节点发送数据包，待定位节 1 1 1 1 n n 点测量来自信标节点数据包的信号强度为：(rssi，rssi ，...，rssi)；根据信号传播模型， 1 2 n 将这一系列的RSSI值转换为相应的距离：(d，d ，...，d)；联立待定位节点(x,y)、信标节点 1 2 n 坐标(x ，y)、两者直接的距离d 得到以下方程组： i i i [0013] [0014] 上式中，第一个方程减去第二个方程，第二个方程减去第三个方程……第(n‑1)个 2 2 方程减去第n个方程，消去方程组中的未知参数：二次方幂x+y ，就能得到以下方程组： [0015] [0016] 此方程组的矩阵表示形式为：AX＝B； [0017] 上述各个参数分别为： [0018] [0019] [0020] 由于在n个方程中，待定位节点坐标X不会符合方程组AX＝B中的所有方程，因此设 置误差向量为：ε＝AX‑B，取误差向量中误差的平方和，则有： [0021] 2 T T E＝ε ＝εε＝(AX‑B) (AX‑B) [0022] 若要误差最小，即使E最小，从而将上式对X求导，令导数为0，其表达式为： [0023] [0024] 由于X是关于待定位节点坐标的矩阵形式： 因此能够获得待定位节点 的估计坐标：(x,y)。 [0025] 本申请的该方案的有益效果在于上述耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的 5 5 CN 116999164 A 说明书 3/5页 校准定位方法，能够在耳鼻喉电磁导航系统下，精准定位多种耳鼻喉手术器械尖端的位置， 使耳鼻喉手术器械在导航图像中精准定位，保证耳鼻喉手术器械最终的定位精度达到手术 的精度要求。 附图说明 [0026] 图1示出了实施例中最小二乘定位算法的示意图。 [0027] 图2示出了实施例中各个坐标系转换的示意图。 具体实施方式 [0028] 下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。 [0029] 本申请所涉及的耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的校准定位方法包括以 下步骤： [0030] 步骤1、将跟踪装置夹在耳鼻喉手术器械的末端，将跟踪装置的连接线与耳鼻喉电 磁导航系统的相关端口相连，并保证将跟踪装置置于磁场发生器的磁场范围中。本申请所 涉及的跟踪装置可以采用现有技术中的已知结构，例如采用中国专利83中提 及的跟踪装置。 [0031] 步骤2、将位置读取装置的连接线与耳鼻喉电磁导航系统的相关端口相连，并且保 证位置读取装置在磁场发生器的磁场范围内。为了提高定位的精度，位置读取装置最好处 于磁场发生器的磁场中心范围内，此处的磁场较为稳定。本申请所涉及的位置读取装置可 以采用现有技术中的已知结构，例如采用中国专利83中提及的位置读取装置。 [0032] 步骤3、在磁场范围中，将位置读取装置固定住，将步骤1中的耳鼻喉手术器械的尖 端持续抵在位置读取装置的基准槽处(也就是中国专利83中提及的位置读取 装置中的识别槽)，手持耳鼻喉手术器械末端使其沿着周向转动，在转动的过程中，使耳鼻 喉手术器械末端和尖端的连线与基准槽的底面所在水平面之间的夹角处在30°～60°的范 围，这样当手持耳鼻喉手术器械末端使其沿着周向转动时，耳鼻喉手术器械末端和尖端的 连线的运动轨迹形成圆锥状，在转动过程中，按照预设时间间隔采集n个(n为正整数，n大于 等于200，例如500个，以提高步骤4所算得坐标值的精度)跟踪装置内线圈的坐标位置信息。 耳鼻喉电磁导航系统可以识别在磁场发生器的磁场范围内的线圈位置信息，位置读取装置 与跟踪装置中均有线圈，位置读取装置基准槽的位置为位置读取装置内线圈坐标系的原点 位置。 [0033] 步骤4、跟踪装置内线圈的位置与耳鼻喉手术器械尖端的相对位置距离为固定值， 利用步骤3采集到的n个数据，通过最小二乘法得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标 系下的位置信息。 [0034] 步骤5、将步骤4计算得到的耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信 息与耳鼻喉电磁导航系统中磁场发生器坐标系、图像坐标系及标定模板坐标系进行矩阵算 法的转换，从而得到耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉电磁导航系统中的精准位置。 [0035] 在本实施例中，如图1所示，所述步骤4中通过最小二乘法得到耳鼻喉手术器械尖 端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信息的过程如下： [0036] 把采集到的跟踪装置内线圈的位置信息称之为信标节点；把需要计算得到的耳鼻 6 6 CN 116999164 A 说明书 4/5页 喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的位置信息称之为待定位节点；已知n个信标节点 的坐标位置为：(x，y)，(x，y)...(x，y)；信标节点向待定位节点发送数据包，待定位节 1 1 1 1 n n 点测量来自信标节点数据包的信号强度为：(rssi，rssi ，...，rssi)；根据信号传播模型， 1 2 n 将这一系列的RSSI值转换为相应的距离：(d，d ，...，d)；联立待定位节点(x,y)、信标节点 1 2 n 坐标(x ，y)、两者直接的距离d 得到以下方程组： i i i [0037] [0038] 上式中，第一个方程减去第二个方程，第二个方程减去第三个方程……第(n‑1)个 2 2 方程减去第n个方程，这样就能消去方程组中的未知参数：二次方幂x +y ，就能得到以下方 程组： [0039] [0040] 此方程组的矩阵表示形式为：AX＝B； [0041] 上述各个参数分别为： [0042] [0043] [0044] 由于在n个方程中，待定位节点坐标X不会符合方程组AX＝B中的所有方程，因此设 置误差向量为：ε＝AX‑B，取误差向量中误差的平方和，则有： [0045] 2 T T E＝ε ＝εε＝(AX‑B) (AX‑B) [0046] 若要误差最小，即使E最小，从而将上式对X求导，令导数为0，其表达式为： [0047] [0048] 由于X是关于待定位节点坐标的矩阵形式： 因此能够获得待定位节点 的估计坐标：(x,y)。 [0049] 在本实施例中，所述步骤5的具体过程如下：如图2所示，涉及到多个坐标系分别 7 7 CN 116999164 A 说明书 5/5页 为：磁场发生器坐标系，耳鼻喉器械坐标系，图像坐标系，标定模板坐标系(标定模板为普通 的3D打印的长方体模型，为试验所用)，其转换关系为： [0050] T ＝T T image→tracker track cal [0051] P ＝T P tarcker image→tracker image [0052] 式中：T 为耳鼻喉器械坐标系到磁场发生器坐标系的转换矩阵；T 为图像坐标 track cal 系到耳鼻喉器械坐标系的转换矩阵；T 为图像坐标系到磁场发生器坐标系的转换 image→tracker 矩阵；P 为耳鼻喉手术器械尖端在耳鼻喉器械坐标系下的坐标，即为步骤4所得的待定位 image 节点坐标(x,y)；Ptarcker为耳鼻喉手术器械尖端在磁场发生器坐标系下的坐标。 [0053] 本申请所涉及的耳鼻喉电磁导航系统下耳鼻喉手术器械的校准定位方法，能够在 耳鼻喉电磁导航系统下，精准定位多种耳鼻喉手术器械尖端的位置，使耳鼻喉手术器械在 导航图像中精准定位，保证耳鼻喉手术器械最终的定位精度达到手术的精度要求。 [0054] 以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其 构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。 8 8 CN 116999164 A 说明书附图 1/1页 图1 图2 9 9

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