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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：基于光学和电磁定位及卡尔曼滤波的骨针位置跟踪装置，涉及手术导航技术领域。本发明是为了解决单一的电磁定位方法精度较低且会受磁场干扰，单一的光学定位方法光学信号易被遮挡导致丢失跟踪目标的问题。本发明所述的基于光学和电磁定位及卡尔曼滤波的骨针位置跟踪装置，利用光学传感器和电磁传感器跟踪骨针针尖的位置，分别获得光学跟踪和电磁跟踪时骨针针尖的位置点集，将光学跟踪和电磁跟踪时骨针针尖的位置点集统一到相同坐标系下，并构建骨针针尖的位置观测向量，然后将该位置观测向量代入骨针针尖的位置观测方程中，计算获得骨针针尖的运动状态向量，实现骨针针尖位置的实时跟踪。本发明适用于复杂路径和大负荷的手术中。

主权项：1.基于光学和电磁定位及卡尔曼滤波的骨针位置跟踪装置，其特征在于，包括：光学传感器和电磁传感器，利用光学传感器和电磁传感器跟踪骨针针尖的位置，分别获得光学跟踪和电磁跟踪时骨针针尖的位置点集，将光学跟踪和电磁跟踪时骨针针尖的位置点集统一到相同坐标系下，并构建骨针针尖的位置观测向量，然后将该位置观测向量代入骨针针尖的位置观测方程中，计算获得骨针针尖的运动状态向量，实现骨针针尖位置的实时跟踪；所述光学传感器包括：第一组光学靶点1、第二组光学靶点5和光学跟踪装置3，所述电磁传感器包括：电磁靶点2和电磁跟踪装置4，所述第一组光学靶点1和电磁靶点2相对静止地设置在骨针上，所述第二组光学靶点5设置在电磁跟踪装置4上；通过旋转标定的方式将第一组光学靶点1和电磁靶点2的跟踪位置均注册到骨针针尖的位置，并在旋转标定过程中实时跟踪骨针针尖的位置，利用骨针针尖的位置分别计算光学跟踪和电磁跟踪时骨针针尖的位置点集；光学跟踪和电磁跟踪时骨针针尖的位置点集的获得方法为：根据下式计算光学跟踪第一组光学靶点1时骨针针尖在OPM1坐标系下的位置点集 根据下式计算电磁跟踪电磁靶点2时骨针针尖在EM坐标系下的位置点集其中，为OP坐标系至OPM1坐标系的转换矩阵，为OPM2坐标系至OP坐标系的转换矩阵，为旋转标定过程中获得的OPM2坐标系下骨针针尖的位置点集，为EMS坐标系至EM坐标系的转换矩阵，为旋转标定过程中获得的EMS坐标系下骨针针尖的位置点集，OP坐标系表示光学跟踪装置3的坐标系，OPM1坐标系表示第二组光学靶点5的坐标系，OPM2坐标系表示第一组光学靶点1的坐标系，EM坐标系表示电磁跟踪装置4的坐标系，EMS表示电磁靶点2的坐标系；所述将光学跟踪和电磁跟踪时骨针针尖的位置点集统一到相同坐标系下，包括：根据下式将统一到OPM1坐标系下： 其中，为EM坐标系至OPM1坐标系的转换矩阵，为电磁跟踪电磁靶点2时骨针针尖在OPM1坐标系下的位置点集；利用最小二乘拟合配准方法计算 其中，n为骨针针尖的位置点集中位置点的数量，i＝1,2,...,n，C为位置误差模型系数，为中第i个位置点的位置信息，xi,yi,zi为中第i个位置点的位置信息；所述骨针针尖的位置观测向量zk的表达式为：zk＝[POTkPETk]T，POTk为中k时刻骨针针尖的位置点坐标，PETk为中k时刻骨针针尖的位置点坐标；所述骨针针尖的位置观测方程表达式如下：zk＝Hxk+vk，其中，H为观测矩阵且有I3为三维单位矩阵，03为三维零矩阵，vk为测量噪声矩阵，xk为骨针针尖的运动状态向量；所述测量噪声矩阵vk服从vk～N0,R，其中，和分别为第一组光学靶点1和电磁靶点2的误差均方根；骨针针尖的运动状态向量xk的表达式为： 其中，PTk为k时刻跟踪到骨针针尖的位置坐标，为k时刻跟踪到骨针针尖的运动速度。

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