基于惯性传感与arm+dsp双核平台的便携式手术定位系统

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1、基于惯性传感与ARM+DSP双核平台的便携式手术定位系统PortableSurgeryNavigationSystemwithInertialSensingandARM+DSPPlatform学科专业：光学工程研究生：杜承阳指导教师：陈晓冬教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十一月摘要介入式内窥手术作为一种新型手术类型，因其创口小、二次感染可能性小等特点而引发了广泛的关注。在带来诸多便利的同时，介入式内窥手术也存在着不可忽视的缺点，那就是其精度要求过高，给医生的手术操作带来了巨大的挑战。传统上，医生只能通过内镜成像结果，并结合自身经验，对手术器械所处位置

2、以及应采取的操作进行估计，上述过程存在误差。一方面，可能会给病人带来不必要的痛苦。另一方面，也存在着临床事故的隐患。所以针对介入式内窥手术的器械前端定位技术也逐渐成为该领域的研究热点。目前，应用最广泛的手术定位技术，是通过放射造影得到手术器械在人体内的二维定位结果。该方法一方面会丢失三维位置信息，另一方面也会产生不必要的放射伤害。同时，电磁定位技术也得到了广泛的研究，该类系统通过电磁传感技术完成手术定位。但是电磁传感对磁干扰的高敏感性，使这类系统难以应对手术室中复杂的电磁环境。针对上述问题，本文设计并实现了一种新型的基于惯性传感的手术定位方案。在该系统中，通过将M

3、EMS惯性传感模块安装于待定位的手术器械前端来完成手术定位任务。较电磁定位技术，本文的惯性定位方案具备更好的鲁棒性以及更为低廉的造价。考虑到手术室的实际应用条件，本文还设计了一套抗干扰算法。同时，本文通过嵌入式方案实现了系统的便携式小型化，节省了手术室宝贵的空间。本文的工作主要包括了：1．基于惯性传感，设计手术定位的姿态跟踪与位置定位算法，其中包含抗干扰算法模块，以降低手术定位过程中传感器可能受到的干扰。2．基于OMAP-L138ARM+DSP双核平台，构建手术定位系统。ARM通过Linux操作系统，完成系统的控制及UI显示。DSP完成传感器数据处理，以及定位结果

4、的解算。3．搭建手术定位评估平台，并基于此对本文提出的手术定位进行全面的评估与测试。关键词：手术定位；惯性传感；MEMS传感器；磁场干扰ABSTRACTAsanewkindofsurgery,Interventionalendoscopicsurgery(IES)hascausedwideinterests,asitsbenefitsofsmallwoundandlowinfectionrisk.Despiteofsuchconvenience,IESalsohasdefectsthatcannotbeignored,whichisitshighaccuracyr

5、equirements.Traditionally,surgeonscanonlyguessendoscopes’orientationandpositionbyimagingresultsandtheirownexperiences.Suchprocessmayhaveunavoidableerrors,whichmightbringaboutunnecessarypainstopatients,andalsohashiddendangerformedicalnegligence.Asaresult,surgicalnavigationtechniquehasb

6、ecomeafocusinrelativefield.Bynow,themostappliedmethodforsurgicalnavigationistouseradiationangiographytodetermineinstruments’position.However,itwilllosepositioninformation,andalsobringunnecessaryradiationdamage.Atthesametime,electromagneticpositionisalsowelldeveloped.Insuchsystems,elec

7、tromagneticsensingtechniqueisadoptedtodeterminethepositionandorientation.However,electromagneticsensinghasahighresponsetomagneticdisturbance,whichmakesithardtohandlewiththecomplexelectromagneticenvironmentinoperatingrooms.Toovercomeproblemsmentionedabove,thispaperproposesanewsurgicaln

8、aviga