采用二階多項(xiàng)式曲線擬合確定磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的方法及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電磁跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種采用二階多項(xiàng)式曲線擬合確定磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的方法及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。本發(fā)明方法包括：由三軸磁傳感器采集一組在磁場源掃描過程中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；對采集到的這組磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行濾波及插值等預(yù)處理；對經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)做基于最小二乘法的多項(xiàng)式曲線擬合；最后確定擬合曲線的最大值以及這個(gè)最大值對應(yīng)的磁場源的旋轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明可用于電磁跟蹤系統(tǒng)，該類電磁跟蹤系統(tǒng)通常還包括可旋轉(zhuǎn)的磁場源的單元、三軸磁傳感器單元以及控制處理單元。本發(fā)明采用二階多項(xiàng)式曲線擬合方法準(zhǔn)確檢測磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值位置，可以提高旋轉(zhuǎn)磁場指向磁傳感器的精確度，進(jìn)而提升電磁跟蹤系統(tǒng)的定位精度。
【專利說明】采用二階多項(xiàng)式曲線擬合確定磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的方法及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種電磁跟蹤系統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值測量的優(yōu)化方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁跟蹤(Electromagnetic Tracking),或稱電磁場定位，是一種利用磁場或電磁場對跟蹤目標(biāo)的空間位置和空間姿態(tài)進(jìn)行檢測和實(shí)時(shí)跟蹤的方法。該方法可應(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。電磁跟蹤系統(tǒng)一般由磁場源(如永磁鐵、電磁鐵線圈)、磁場傳感器、控制處理單元三部分組成。通過磁場源在固定位置產(chǎn)生磁場，然后利用附著在跟蹤目標(biāo)上的傳感器測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，求解出跟蹤目標(biāo)的空間位置和姿態(tài)。
[0003]基于磁場旋轉(zhuǎn)的電磁跟蹤方法是通過磁傳感器捕捉磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值，確定旋轉(zhuǎn)磁場源(由電磁線圈構(gòu)成)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值指向固定在跟蹤目標(biāo)上的磁傳感器，從而計(jì)算出跟蹤目標(biāo)相對于磁場源的位置和姿態(tài)。因此，如果采用兩個(gè)相對距離已知的磁場源，進(jìn)行交替激勵(lì)地旋轉(zhuǎn)搜索，并使它們產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值最終指向磁傳感器，即可以獲取跟蹤目標(biāo)與兩個(gè)磁場源之間的幾何關(guān)系，非迭代地計(jì)算出跟蹤目標(biāo)六自由度的位置和姿態(tài)。相比迭代的位置和姿態(tài)算法，非迭代算法計(jì)算速度快、運(yùn)算簡單、性能穩(wěn)定、對硬件配置要求低，可以克服迭代算法需要依賴無限遠(yuǎn)偶極子模型、計(jì)算復(fù)雜度高、易發(fā)散、存在局部極值點(diǎn)等的問題。
[0004]然而，對于上述基于旋轉(zhuǎn)磁場的電磁跟蹤系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)角度(或者說磁傳感器采樣)的非連續(xù)性和磁場畸變的影響，很難實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值精確指向傳感器。角度的非精確性將會導(dǎo)致基于角度進(jìn)行計(jì)算的位置精度下降，并進(jìn)一步降低姿態(tài)精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高基于旋轉(zhuǎn)磁場源電磁跟蹤系統(tǒng)的定位精度的測量磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的方法及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明涉及的旋轉(zhuǎn)磁場源電磁跟蹤系統(tǒng)，其組成包括磁場源單元、三軸磁傳感器單元和控制處理單元三部分。其中磁場源單元可以通過旋轉(zhuǎn)掃描實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的任意指向；這種旋轉(zhuǎn)可以通過機(jī)械系統(tǒng)或電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。三軸磁傳感器單元包括三軸磁傳感器、信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中三軸磁傳感器可以采集三個(gè)正交方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并通過矢量合成的方式獲得磁傳感器所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向；信號調(diào)理電路對三軸磁傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、濾波等處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路則將信號調(diào)理電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送入控制處理單元進(jìn)行進(jìn)一步的處理?？刂铺幚韱卧环矫婵刂拼艌鲈吹男D(zhuǎn)掃描并為組成磁場源的電磁線圈提供合適的激勵(lì)電流；另一方面，對三軸磁傳感器單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行曲線擬合。本發(fā)明提出的采用多項(xiàng)式曲線擬合確定磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的方法，具體步驟為:
首先，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，磁傳感器采集磁場源旋轉(zhuǎn)(稱為掃描，其范圍根據(jù)跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)的范圍確定，最大不超過360° )過程中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)；
然后，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括濾波和插值；
然后，對經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)做基于最小二乘法的二階多項(xiàng)式曲線擬合；即用基于最小二乘法的二階多項(xiàng)式擬合算法估算出擬合函數(shù)的系數(shù)；
最后，確定擬合曲線的最大值(即這組磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的最大值)以及這個(gè)最大值對應(yīng)的磁場源的旋轉(zhuǎn)角度。
[0007]本發(fā)明方法可用于基于旋轉(zhuǎn)磁場確定跟蹤目標(biāo)(磁傳感器固定在跟蹤目標(biāo)上)六自由度位置和姿態(tài)的非迭代電磁跟蹤系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明中，所述數(shù)據(jù)采集是在磁場源掃描的過程中完成。磁場源以設(shè)定的步長(指每次旋轉(zhuǎn)的角度)旋轉(zhuǎn)掃描，掃描范圍根據(jù)跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)的范圍確定，最大為360°。不失一般性，假設(shè)磁場源可分別在水平和垂直平面中掃描，則可實(shí)現(xiàn)磁場源產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的空間任意指向。
[0009]具體來說，三軸磁傳感器在磁場源每旋轉(zhuǎn)一個(gè)設(shè)定的角度(步長)后采集一次其所在空間位置的三個(gè)正交方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號，該信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后存儲；當(dāng)磁場源完成一個(gè)平面的掃描，即可采集到一組磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)；在磁場源掃描范圍一定的情況下，這組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量由磁場源掃描的步長決定:步長越小，數(shù)據(jù)量越大，采集時(shí)間越長；步長越大，數(shù)據(jù)量越小，采集時(shí)間越短。
[0010]本發(fā)明中，所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括濾波和插值，即為了消除采集數(shù)據(jù)中的高頻干擾信號的低通濾波，以及在磁場源旋轉(zhuǎn)步長較大、造成數(shù)據(jù)量不足時(shí)的線性插值。
`[0011]由于采集到的一組磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)中包含有較多干擾信號，需要通過數(shù)字濾波器減小干擾的影響。本發(fā)明設(shè)計(jì)了 22階FIR低通濾波器，用于消除高頻電磁干擾。又因?yàn)榍€擬合方法需要足夠的數(shù)據(jù)才能達(dá)到較好的擬合效果，如前所述，采集數(shù)據(jù)的數(shù)量與磁場源的掃描范圍及旋轉(zhuǎn)步長有關(guān)；在掃描范圍一定的情況下，步長越小，采集到的數(shù)據(jù)就越多；但小步長會造成數(shù)據(jù)采集的效率下降。實(shí)際系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)步長可人工設(shè)定。本發(fā)明在設(shè)定的磁場源旋轉(zhuǎn)步長較大時(shí)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值處理。
[0012]本發(fā)明中，組成磁場源的電磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況如圖1所示(其中根據(jù)右手螺旋定律確定的電磁線圈軸線方向?yàn)闄M坐標(biāo)中的90°)，所述的多項(xiàng)式曲線擬合是用一個(gè)如式(I)的二次多項(xiàng)式來描述圖1的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線:
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)磁場源電磁跟蹤系統(tǒng)中采用二階多項(xiàng)式曲線擬合確定磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的方法，所述旋轉(zhuǎn)磁場源電磁跟蹤系統(tǒng)，其組成包括磁場源單元、三軸磁傳感器單元和控制處理單元三部分；其中磁場源單元通過旋轉(zhuǎn)掃描實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的任意指向；三軸磁傳感器單元包括三軸磁傳感器、信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中三軸磁傳感器采集三個(gè)正交方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并通過矢量合成的方式獲得磁傳感器所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向；信號調(diào)理電路對三軸磁傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、濾波等處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路則將信號調(diào)理電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送入控制處理單元進(jìn)行進(jìn)一步的處理；控制處理單元一方面控制磁場源的旋轉(zhuǎn)掃描并為組成磁場源的電磁線圈提供合適的激勵(lì)電流；另一方面，對三軸磁傳感器單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行曲線擬合； 其特征在于確定磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的具體步驟如下: (一)首先，數(shù)據(jù)采集； (二)然后，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括低通濾波和插值； (三)然后，對經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)做基于最小二乘法的二階多項(xiàng)式曲線擬合； (四)最后，確定擬合曲線的最大值即這組磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的最大值以及這個(gè)最大值對應(yīng)的磁場源的旋轉(zhuǎn)角度； 步驟(一)所述數(shù)據(jù)采集是在磁場源掃描的過程中完成；磁場源以設(shè)定的步長旋轉(zhuǎn)掃描，掃描范圍根據(jù)跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)的范圍確定，最大為360° ； 三軸磁傳感器在磁場源每旋轉(zhuǎn)一個(gè)步長后采集一次其所在空間位置的三個(gè)正交方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號，該信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲；當(dāng)磁場源完成一個(gè)平面的掃描，即可采集到一組磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù) ； 步驟(二)所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括為了消除采集數(shù)據(jù)中的高頻干擾信號的低通濾波，以及在磁場源旋轉(zhuǎn)步長較大，造成數(shù)據(jù)量不足時(shí)的線性插值； 所述低通濾波采用一種22階FIR低通濾波器，濾波器的截止頻率根據(jù)磁場源產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號的頻帶范圍確定； 所述線性插值，即在相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)之間插入一個(gè)大小為該兩數(shù)據(jù)均值的數(shù)據(jù)； 步驟(三)所述的基于最小二乘法的二階多項(xiàng)式曲線擬合，是用如下式所示的一個(gè)二階多項(xiàng)式:
2.—種相應(yīng)于權(quán)利要求1所述方法的基于旋轉(zhuǎn)磁場源的電磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括實(shí)現(xiàn)掃描的可旋轉(zhuǎn)磁場源單元，固定在跟蹤目標(biāo)上用于采集所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的三軸磁傳感器單元，以及實(shí)現(xiàn)對磁場源旋轉(zhuǎn)/激勵(lì)控制、對三軸磁傳感器單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和二價(jià)多項(xiàng)式曲線擬合計(jì)算、擬合曲線的最大值以及這個(gè)最大值對應(yīng)的磁場源的旋轉(zhuǎn)角度的確定的控制處理單元。
【文檔編號】G01R33/02GK103675719SQ201310688641
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】鄔小玫, 丁寧, 王一楓, 沙敏 申請人:復(fù)旦大學(xué)