本文是一篇工程硕士论文，文章为解决目前肺穿刺手术中存在的问题，提出了基于矩形环流电磁定位的肺穿刺活检针定位系统，较传统电磁定位技术，文章设计的系统在原理、硬件、算法上都有所改进，使其更适用于肺穿刺手术。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
世界卫生组织（WHO）下属的国际癌症研究机构（IARC）发布的2020年全球癌症负担状况最新估计报告显示，2020年全球新发癌症病例1929万例，癌症死亡病例996万例。在中国，每10分钟就有55人死于癌症。癌症将成为21世纪人类死亡的首要原因和世界各国提高预期寿命的最重要障碍。在所有癌症病例中，肺癌的死亡人数达到180万例，占总死亡人数的18%，是死亡率最高的癌症。而在中国，肺癌的新发病例有82万，占总新发病例的17.9%，死亡病例有71万，占总死亡人数的23.8%，具体数据如图 1.1所示[1]。由这一系列数据可以看出，研究肺癌的有效诊断和治疗方法具有重要的意义。
在发现疑似肺癌的肿块时，常用的诊断方法有支气管镜检查、细胞学检查、X射线等，但是活体组织检查（活检）和病理分析才是诊断肺癌的金标准[2]，并且足量的活检样本是进行高质量病理分析的前提，获取活检样本最常用的方法是进行肺穿刺手术。肺穿刺手术常在CT引导下进行，如图 1.2所示，医生通过患者胸部CT图片判断肿瘤的位置及大小，并在遵循尽量避免伤害较大气管和血管的原则下，规划手术的穿刺路径、入针点以及入针角度。并将活检针一部分依照预定方案插入人体中，对病人进行CT扫描，医生观察活检针在人体中的相对位置，并调整活检针的进针路径，如此反复多次，直至活检针到达预计肿瘤位置，取样活体组织，手术结束[3]。肺穿刺手术需要依赖医生的经验规划穿刺路径并灵活调整每次的进针方向和长度，如若刺破较大的肺气管和血管，将会引发气胸、肺萎陷、肺出血、感染等术后并发症，严重时会危及生命[4]。手术过程通常持续30-60分钟，这期间需要病人保持同一姿势并呼吸平稳，否则会影响医生的判断。这对身体不适的患者来说也难以完成。一场肺穿刺手术大概需要病人进行7-8次CT扫描[2]，国际辐射防护委员会（ICRP）的研究显示，人体每增加1mSv的X射线照射剂量，患恶性肿瘤的概率将增加万分之零点五[5]，多次进行CT扫描必然会导致患者短时间内接收大量X射线辐射，增加患癌几率。因此，根据上述肺穿刺手术中存在的问题，如何在保证手术精度的前提下设计肺穿刺辅助系统，对活检针进行定位，为医生提供活检针相对人体实时位置参考，辅助医生进行路径规划和活检针姿态调整，较少病人CT扫描次数，便成了当前研究的热点问题。
1.2 国内外现状
1.2.1 肺穿刺活检针定位系统研究现状
肺穿刺辅助系统包含三维人体重建、肺穿刺路径规划和活检针实时定位。依据人体CT扫描图片对人体进行三维重建，包括肺部气管、血管和重要器官的重建，然后根据重建模型进行肺穿刺最优路径规划，并在手术过程中利用无线定位技术和人体重建模型实时显示活检针在人体中的相对位置，这样便可以为医生进行肺穿刺手术提供可视化参考。
肺穿刺手术活检针的定位技术一直是肺穿刺手术中研究的热点和难点。由于活检针的体积较小，并且为保证医生灵活手术，不宜使用体积和质量较大的传感器与之配合。同时，活检针将进入人体，造成视线的阻挡。因此在研究活检针定位方法时，需要满足可穿透、设备小型等要求。在探究活检针定位系统对手术的作用时，L.Wei等人利用建立人体呼吸运动模型，实时计算活检针在人体中的位置[6]。Schwarz等人利用电磁定位技术对带有肺部疾病的猪进行活检，在所有30例样本中，29例的实验结果有效，20例样本被成功确诊，并且没有出现并发症[7]。在Schwarz等人的后续研究中继续改进实验，对60例样本进行实验时，可以达到100%的成功率[8]。国内在此领域的研究较少，杨纯杰等人利用双激光定位系统对活检针进行导航，在做的对比实验中，利用导航系统的实验组活检成功率高、调针次数和CT扫描次数都比较少。穿刺时间也大大缩减[9]。W Huang等人利用实时图像融合技术对活检针进行追踪，结果显示，在32例样本中，穿刺成功30例，成功率达93.8%[10]。Jiang S等人设计了一套由CT引导的穿刺机器人系统，同时提出了一种减少呼吸运动引起的穿刺误差的方法，可以使穿刺精度提高2.4倍[11]。
第2章 基于矩形环流磁场模型的活检针五自由度定位原理
2.1 电磁定位原理
电磁定位系统的理论基础主要是毕奥-萨伐尔（毕萨）定律和法拉第电磁感应定律。根据毕萨定律可以建立由磁场发射源产生磁场的描述模型，即空间点相对于磁场发射源的空间位置与该点磁感应强度的关系，再根据法拉第电磁感应定律，磁感应强度可由磁场中传感器产生的感应电压计算获得，因此，利用磁场描述模型和传感器感应电压，可以建立传感器位姿与感应电压的耦合关系。
1820年丹麦物理学家发现电流具有磁效应，同年，法国物理学家毕奥和萨伐尔发表了论文，提出了直线电流对磁针作用的实验规律，随后数学家拉普拉斯将实验规律整理成了载流导线的磁场公式，即毕萨定律。
测量空间中的磁感应强度可用法拉第电磁感应定律，如式(2-3)。该定律揭示了空间中磁感应强度与感应线圈上感应电动势之间的关系。
𝑣(𝑡)=−𝑁𝑑Φ𝑑𝑡=−𝑁𝑑𝑑𝑡∬𝐵𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝑆𝑆 (2-3)
其中𝑣(𝑡)是感应电动势，Φ是通过线圈的磁通量，𝑑𝛷/𝑑𝑡表示磁通量的变化率，𝑁是感应线圈的匝数，𝑆为感应线圈的面积，𝜃是线圈法线与空间中磁感应强度方向的夹角。由式(2-3)可看出，感应电压与磁通量的变化率成正比，并且磁通量的变化率只与线圈匝数，线圈面积和磁感应强度有关，若其他量确定，便可以通过测量感应线圈上的感应电动势来确定该点的磁感应强度。
2.2 常用磁场描述模型
2.2.1 磁偶极子模型
电磁定位的原理是通过电磁发射源的磁场描述模型建立传感器位姿信息与感应电压的关系，故描述电磁发射源的磁场数学模型精度会直接影响电磁定位系统性能的好坏。描述磁场的方法主要有磁偶极子模型和圆环积分模型。
在推导过程中，多处用到了近似处理，在线圈半径远小于测量距离时，选择忽略线圈半径，同时在计算积分的过程中，泰勒级数展开式也只取了第一项，这些处理方式让最终的表达式得到了简化，使计算更加容易，但也让磁场模型丧失了部分定位精度。
在使用较大半径线圈或者定位距离较短的应用场景中，通常当定位距离小于线圈半径的4倍时，磁偶极子模型的偏差较高，会使定位系统的精度变差，可使用圆环积分模型来描述磁场。
为弥补磁偶极子模型和圆环积分模型的缺点，设计一种矩形环流磁场模型，该模型由四个载流长直导线磁场模型进行矢量叠加得到，具有近距范围内磁场描述准确，计算简单等特点。
第3章 肺穿刺活检针定位系统实验装置 ................................ 21
3.1 肺穿刺活检针定位系统总体设计 ................................ 21
3.2 电磁发射板设计 ............................. 23
第4章 肺穿刺活检针定位算法 ............................. 45
4.1 感应电压解调 ....................................... 45
4.1.1 解调目标 ................................ 45
4.1.2 同步解调 ......................... 47
第5章 实验验证和数据分析 ......................... 65
5.1 系统初始化 ........................ 65
5.2 校准 ...................................... 66
第5章 实验验证和数据分析
5.1 系统初始化
在进行系统验证之前，需要对系统进行初始化，即对用到的参数进行集中定义并赋具体的值，对程序运行过程中储存的信号样本和产生的参数进行定义并预留内存，具体需要预定义的参数如表 5-1所示。
系统初始化具体操作步骤为：
（1）开启总电源，将信号模块的USB总线与计算机连接，在Windows设备管理器中确认电脑已识别信号采集卡和四个信号发生器；将传感器与信号和信号盒连接；将电磁发射板与信号盒连接。
（2）开启信号发生器上位机管理软件，如图所示，确认每个发射线圈激励电流信号频率如表 3-3所示。每个信号的电压幅值为15𝑉。
（3）开启MATLAB并将运行文件夹导航至代码所在目录。运行“RunSetup.m”脚本，进行系统参数预定义，在短暂停顿后，出现“系统初始化完成”则认为初始化完成。
第6章 总结与展望
6.1 总结
文章为解决目前肺穿刺手术中存在的问题，提出了基于矩形环流电磁定位的肺穿刺活检针定位系统，较传统电磁定位技术，文章设计的系统在原理、硬件、算法上都有所改进，使其更适用于肺穿刺手术，具体完成的工作如下：
（1）建立了矩形环流的发射磁场描述模型和传感器五自由度耦合方程。基于电磁定位方式的活检针
