基于梯度计电磁定位系统的腔内医疗设备闭合形式姿态估计

Closed-Form Pose Estimation of Endoluminal Medical Devices via Gradiometer-Based Electromagnetic Localization System

嵌入式磁跟踪技术在腔道内医疗设备的远程导航中具有极具吸引力的前景。然而，现有的六自由度位姿恢复方法通常需要预先标定的工作空间场图或迭代非线性优化。本文提出了一种基于梯度计的电磁定位系统（GELS），这是一种闭式跟踪框架，利用紧凑型磁力计阵列作为嵌入式准梯度计来估计局部磁场和梯度张量。这些量通过欧拉齐次关系映射为源与阵列之间的位移，进而利用至少三个非共线源进行多源Procrustes配准来恢复阵列的朝向和位置。该算法要求已知源位置和阵列几何结构，但无需预先标定的工作空间场图、初始位姿猜测或标定过的激励源矩。恢复的位姿还可作为移动磁参考框架，实现概念验证级的子级偶极子定位任务。针对不同传感器阵列配置和激励模式的台架实验表明，序列平均位置误差为10.80毫米至15.57毫米，最高更新频率为14.49赫兹，求解器中位运行时间为172.00微秒。基于扰动的误差传播分析进一步识别出传感器间不一致性和偶极子模型失配是主要的精度限制因素，从而为未来传感器阵列和磁源设计以减少位姿估计误差提供了指导。