基于電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電磁跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤系統(tǒng)及方法。本發(fā)明由三軸磁傳感器裝置、磁場(chǎng)源裝置、可控恒流源裝置和控制處理顯示裝置組成。本發(fā)明用可控恒流源激勵(lì)三個(gè)正交的線圈組成磁場(chǎng)源；控制處理顯示裝置通過(guò)控制恒流源裝置輸出的各路激勵(lì)電流強(qiáng)度，使磁場(chǎng)源產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值按照搜索策略進(jìn)行掃描，并最終指向三軸磁傳感器裝置；根據(jù)兩個(gè)磁場(chǎng)源掃描并最終指向三軸磁傳感器所獲得的兩組角度信息以及它們中心點(diǎn)之間的距離信息，計(jì)算傳感器六自由度的位置和姿態(tài)。本發(fā)明不依賴于某種假定的磁場(chǎng)模型或迭代算法，穩(wěn)定性高，計(jì)算復(fù)雜度低，可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的導(dǎo)航，亦可運(yùn)用于虛擬（增強(qiáng)）現(xiàn)實(shí)、三維超聲成像等領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】基于電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種通過(guò)控制磁場(chǎng)源線圈激勵(lì)電流實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的電磁跟蹤的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁跟蹤是一種利用磁場(chǎng)源與磁傳感器之間的磁場(chǎng)耦合關(guān)系，獲得跟蹤目標(biāo)空間位置和空間姿態(tài)的方法，在微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航中具有廣泛的應(yīng)用前景，成為目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相較于其他跟蹤方式，電磁跟蹤具有無(wú)損傷、無(wú)輻射、無(wú)遮擋問(wèn)題、操作簡(jiǎn)便、定位準(zhǔn)確、定位信息完備(可實(shí)現(xiàn)三維六自由度定位:三自由度位置和三自由度方向)等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)存在依賴?yán)碚摯艌?chǎng)模型、迭代算法復(fù)雜、易受干擾等問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)磁跟蹤方法存在的問(wèn)題，本研究組提出了一種基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤方法，該方法不依賴于磁場(chǎng)理論模型、采用非迭代的幾何算法實(shí)現(xiàn)三維六自由度定位。與傳統(tǒng)磁跟蹤方法相比，本方法的算法簡(jiǎn)潔、運(yùn)算速度快；通過(guò)簡(jiǎn)單的標(biāo)定即可實(shí)現(xiàn)更高的定位精度。
[0003]磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)，即機(jī)械掃描的搜索方式:根據(jù)通電螺線管產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值沿軸線方向的原理，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制處于不同位置的兩個(gè)螺線管旋轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)通電螺線管軸線指向傳感器時(shí)，傳感器可以分別檢測(cè)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，然后根據(jù)兩個(gè)螺線管之間的距離(已知)及螺線管由初始位置到指向傳感器的旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)幾何方法可以計(jì)算出傳感器的空間位置和姿態(tài)。
[0004]這種通過(guò)機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電磁跟蹤的方式能夠準(zhǔn)確定位，但其定位速度受到步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺線管旋轉(zhuǎn)速度的限制，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差；并且機(jī)械掃描只能在步進(jìn)電機(jī)有限的旋轉(zhuǎn)平面中進(jìn)行，搜索靈活性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種可以顯著提高跟蹤實(shí)時(shí)性和掃描靈活性的基于電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤方法和系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明提出的電磁跟蹤方法與系統(tǒng)，是通過(guò)電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電磁跟蹤。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種由三個(gè)纏繞在軟磁鐵氧體磁芯上的、中心點(diǎn)重合且相互正交的線圈組成的磁場(chǎng)源模型，根據(jù)單線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值方向?yàn)槠漭S線方向以及三軸合成的總磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值由單軸最大值合成的特性，通過(guò)控制三軸線圈激勵(lì)電流實(shí)現(xiàn)合成的總磁感應(yīng)強(qiáng)度指向的旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)跟蹤目標(biāo)(磁傳感器)進(jìn)行搜索定位。
[0007]本發(fā)明的特點(diǎn)之一在于不依賴于某種假定的磁場(chǎng)模型建立磁場(chǎng)源與磁傳感器之間的耦合關(guān)系，避免了由于磁場(chǎng)源實(shí)際分布與理想磁場(chǎng)源不一致而產(chǎn)生的定位誤差；本發(fā)明的特點(diǎn)之二在于采用非迭代的幾何算法，計(jì)算復(fù)雜度低，不僅可大幅度提高定位速度，還避免了迭代算法可能收斂到局部最優(yōu)解或發(fā)散等問(wèn)題造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。本發(fā)明的特點(diǎn)之三，在于通過(guò)快速改變磁場(chǎng)源三個(gè)正交線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)合成的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度指向的快速自由改變，有效提高跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和搜索(掃描)的靈活性。[0008]為了便于說(shuō)明，先定義如表1所示的五組坐標(biāo)系:
表1坐標(biāo)系定義
【權(quán)利要求】
1.一種基于電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:由一個(gè)三軸磁傳感器裝置、一個(gè)磁場(chǎng)源裝置、一個(gè)可控恒流源裝置和一個(gè)控制處理顯示裝置組成；其中: 所述三軸磁傳感器裝置附著于跟蹤目標(biāo)上，用于測(cè)量所在位置三個(gè)正交方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度； 所述磁場(chǎng)源裝置包括相對(duì)位置和姿態(tài)已知的第一磁場(chǎng)源I和第二磁場(chǎng)源2，兩個(gè)磁場(chǎng)源分別由三個(gè)纏繞在軟磁鐵氧體材料做成的磁芯上、中心點(diǎn)重合且相互正交的線圈組成；兩個(gè)磁場(chǎng)源中心點(diǎn)之間的距離為d，且三組對(duì)應(yīng)線圈相互平行； 所述可控恒流源裝置為各線圈提供激勵(lì)電流；分別改變?nèi)S線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度，可控制第一磁場(chǎng)源1、第二磁場(chǎng)源2產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向的改變； 所述控制處理顯示裝置通過(guò)控制可控恒流源裝置輸出的各路激勵(lì)電流強(qiáng)度，使磁場(chǎng)源產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值按照一定的搜索策略進(jìn)行掃描，并最終指向三軸磁傳感器裝置；根據(jù)兩個(gè)磁場(chǎng)源掃描并最終指向三軸磁傳感器所獲得的兩組角度信息以及它們中心點(diǎn)之間的距離信息，由位置和姿態(tài)算法，計(jì)算傳感器六自由度的位置和姿態(tài)； 磁場(chǎng)源裝置和三軸磁傳感器裝置的空間位置及姿態(tài)，由如下定義的五個(gè)坐標(biāo)系描述:第一坐標(biāo)系1:由第一磁場(chǎng)源I的初始位置和姿態(tài)定義的坐標(biāo)系，組成第一磁場(chǎng)源I的三個(gè)線圈的軸線分別沿該坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，該坐標(biāo)系也是系統(tǒng)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)為(0,0,0)； 第二坐標(biāo)系2:由第二磁場(chǎng)源2的初始位置和姿態(tài)定義的坐標(biāo)系，組成第二磁場(chǎng)源2的三個(gè)線圈的軸線分別沿該坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，第二坐標(biāo)系2的原點(diǎn)在系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(d，0，0)，各坐標(biāo)軸與系統(tǒng)坐標(biāo)系中的相應(yīng)坐標(biāo)軸平行； 第三坐標(biāo)系3:第一坐標(biāo)系I的X軸旋轉(zhuǎn)至第一磁場(chǎng)源I產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向時(shí)所構(gòu)成的坐標(biāo)系； 第四坐標(biāo)系4:第二坐標(biāo)系2的X軸旋轉(zhuǎn)至第二磁場(chǎng)源2產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向時(shí)所構(gòu)成的坐標(biāo)系； 第五坐標(biāo)系5:原點(diǎn)與三軸磁傳感器的中心點(diǎn)重合,坐標(biāo)軸方向分別與三軸磁傳感器相應(yīng)檢測(cè)軸方向一致的坐標(biāo)系； Xn、Yn、Zn表示坐標(biāo)系η的三個(gè)坐標(biāo)軸；η=1, 2,…，5; 描述三軸磁傳感器裝置空間位置和姿態(tài)以及磁場(chǎng)源產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向的角度定義如下: 經(jīng)度角:指從第一坐標(biāo)系I的原點(diǎn)到三軸磁傳感器中心點(diǎn)之間的連線在XlYl平面的投影與Xl軸之間的夾角；或者磁場(chǎng)源產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向在XlYl平面的投影與Xl軸之間的夾角； 緯度角:指從第一坐標(biāo)系I的原點(diǎn)到三軸磁傳感器中心點(diǎn)之間的連線與該連線在XlYl平面的投影之間的夾角；或者磁場(chǎng)源產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向與該指向在XlYl平面投影之間的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述可控恒流源裝置由恒流源、控制電路組成；恒流源輸出的電流強(qiáng)度由控制處理顯示裝置控制；控制電路將恒流源輸出的電流整形為脈沖形式，為磁場(chǎng)源裝置的各線圈提供合適的激勵(lì)電流，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)成第一磁場(chǎng)源1、第二磁場(chǎng)源2的兩組線圈的交替激勵(lì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述控制處理顯示裝置，由控制單元、算法單元和顯示輸出單元組成； 控制單元包括兩個(gè)部分:采樣處理模塊和激勵(lì)電流控制模塊；采樣處理模塊用于采樣處理來(lái)自三軸磁場(chǎng)傳感器裝置的信號(hào)；激勵(lì)電流控制模塊控制可控恒流源裝置對(duì)磁場(chǎng)源裝置的各線圈提供合適強(qiáng)度的激勵(lì)電流； 算法單元一方面根據(jù)采樣處理模塊的輸出數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前三軸磁場(chǎng)傳感器裝置檢測(cè)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，進(jìn)而根據(jù)搜索策略決定組成磁場(chǎng)源各線圈的激勵(lì)電流強(qiáng)度；另一方面，當(dāng)磁場(chǎng)源裝置中的兩個(gè)磁場(chǎng)源形成的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值分別指向磁傳感器時(shí)，計(jì)算磁傳感器的空間位置坐標(biāo)和空間姿態(tài)； 顯示輸出單元將磁傳感器的定位信息顯示/輸出。
4.基于權(quán)利要求1-3之一所述電磁跟蹤系統(tǒng)的電磁跟蹤方法，其特征在于具體步驟為: 三軸磁傳感器裝置測(cè)量其所在位置的三個(gè)正交方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，送至控制處理顯示裝置； 控制處理顯示裝置計(jì)算當(dāng)前的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度值，并根據(jù)搜索策略控制可控恒流源裝置輸出適當(dāng)強(qiáng)度的電流分別激勵(lì)磁場(chǎng)源裝置中第一磁場(chǎng)源I的三軸線圈，第一磁場(chǎng)源I的三軸線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值均沿各自軸向，并按照矢量合成的原理形成方向與各線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度相關(guān)的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值； 改變?nèi)齻€(gè)線圈的激勵(lì)電流強(qiáng)度，從而改變磁場(chǎng)源產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向，對(duì)傳感器進(jìn)行搜索；當(dāng)三軸磁傳感器裝置檢測(cè)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，表明由第一磁場(chǎng)源I產(chǎn)生的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最·大值指向磁傳感器，根據(jù)此時(shí)磁場(chǎng)源裝置的三軸線圈的激勵(lì)電流強(qiáng)度，計(jì)算出此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向在第一坐標(biāo)系I中的經(jīng)緯度角； 磁場(chǎng)源裝置中第二磁場(chǎng)源2通過(guò)與第一磁場(chǎng)源I相似的步驟搜索并最終指向磁傳感器裝置，即獲得另外一組經(jīng)緯度角； 根據(jù)所獲得的兩組經(jīng)緯度角信息，結(jié)合磁場(chǎng)源裝置中第一磁場(chǎng)源I和第二磁場(chǎng)源2中心點(diǎn)之間的距離d，即計(jì)算求得磁傳感器裝置的六自由度空間位置和空間姿態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁跟蹤方法，其特征在于在電控磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，需保證三軸電流合成后的模一致，為簡(jiǎn)化起見，假設(shè)模為1，則軸線為X軸、Y軸、Z軸的三個(gè)線圈的激勵(lì)電流強(qiáng)度F1、F2、F3需滿足下式:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁跟蹤方法，其特征在于關(guān)于空間位置算法如下:設(shè)三軸磁傳感器在第一坐標(biāo)系I中的位置坐標(biāo)為(I ,.Κ , z )，其在XlYl平面內(nèi)的投影(Jr，7，O)到磁場(chǎng)源I和磁場(chǎng)源2的距離分別為H、ft，則位置坐標(biāo)(I，y，z )計(jì)算如下:
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁跟蹤方法，其特征在于空間姿態(tài)算法如下:三軸磁傳感器的空間姿態(tài)表示為第一坐標(biāo)系I到第五坐標(biāo)系5的旋轉(zhuǎn)，由矩陣R15表示:
【文檔編號(hào)】G01C21/00GK103575271SQ201310516908
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】鄔小玫, 沙敏, 王一楓, 丁寧, 金煉 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)