基于最大磁感應強度矢量旋轉角快速測定的電磁跟蹤系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁跟蹤技術領域，具體涉及一種通過單次激勵磁場源線圈快速測定 最大磁感應強度矢量旋轉角，進而對作為跟蹤目標的磁場傳感器進行定位的電磁跟蹤系統(tǒng) 及方法。
【背景技術】
[0002] 電磁跟蹤是一種利用磁場源與磁場傳感器之間的磁場耦合關系，獲得跟蹤目標空 間位置的方法，在微創(chuàng)手術導航中具有廣泛的應用前景，成為目標跟蹤領域的研宄熱點。相 較于其他跟蹤方式，電磁跟蹤具有無損傷、無輻射、無遮擋問題、操作簡便、定位準確、等優(yōu) 點；但同時存在依賴理論磁場模型、迭代算法復雜、易受干擾等問題。針對傳統(tǒng)磁跟蹤方 法存在的問題，本研宄組提出了一種基于最大磁感應強度矢量旋轉角檢測的電磁跟蹤方法 (發(fā)明專利號：ZL 2010 1 0179332. 2)，該方法不依賴于磁場理論模型、采用非迭代的幾何 算法實現(xiàn)定位。與傳統(tǒng)磁跟蹤方法相比，該方法的算法簡潔有效、運算速度快。
[0003] 這種電磁跟蹤方法可以通過搜索最大磁感應強度實現(xiàn)。在搜索的過程中，根據(jù)通 電螺線管產(chǎn)生的磁感應強度最大值沿軸線方向的原理，通過步進電機控制處于不同位置的 兩個螺線管旋轉，當兩個通電螺線管軸線指向傳感器時，傳感器可以分別檢測到最大磁感 應強度，然后根據(jù)兩個螺線管之間的距離（已知）及螺線管由初始位置到指向傳感器的旋轉 角，通過幾何方法可以計算出傳感器的空間位置。
[0004] 這種通過搜索最大磁感應強度實現(xiàn)的電磁跟蹤方法可以實現(xiàn)高精度的定位和跟 蹤。但其定位速度受到步進電機帶動螺線管旋轉速度的限制，系統(tǒng)的實時性較差；并且搜索 過程只能在步進電機有限的旋轉平面中進行，搜索靈活性較差。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種跟蹤實時性高、靈活性強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，是一種通過快速測定最大磁感應強度矢量旋轉角實 現(xiàn)的電磁跟蹤方法。本發(fā)明設計了一種由三個纏繞在軟磁鐵氧體磁芯上的、中心點重合且 相互正交的線圈組成的磁場源模型，根據(jù)單線圈磁感應強度最大值方向為其軸線方向、三 軸合成的總磁感應強度最大值由單軸最大值合成以及線圈激勵電流強度和線圈所產(chǎn)生的 磁感應強度之間存在線性關系的特性，采用相同強度電流激勵的線圈所產(chǎn)生的磁感應強度 乘以不同的電流系數(shù)來代替不同強度電流激勵的線圈所產(chǎn)生的磁感應強度，快速求解最大 磁感應強度矢量旋轉角，即合成的總磁感應強度指向磁場傳感器時的旋轉角，從而對跟蹤 目標(磁場傳感器）進行定位。
[0007] 本發(fā)明的特點之一在于不依賴于某種假定的磁場模型建立磁場源與磁場傳感器 之間的耦合關系，避免了由于磁場源實際分布與理想磁場源不一致而產(chǎn)生的定位誤差；本 發(fā)明的特點之二在于采用非迭代的幾何算法，計算復雜度低，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)散等問題造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。本發(fā)明的特點 之三在于通過分別單次激勵每個磁場源的線圈，根據(jù)磁場傳感器所測得的磁感應強度就可 以快速求解最大磁感應強度矢量的旋轉角，有效提高跟蹤系統(tǒng)的實時性和靈活性。
[0008] 為了便于說明，先定義如下三個坐標系： 坐標系1 :為磁場源1的坐標系。組成磁場源1的線圈I、線圈II和線圈III的軸 線分別沿該坐標系的Xl軸、Yl軸和Zl軸。磁場源1的中心點即該坐標系原點0,坐標為 (0,0,0)。該坐標系也是系統(tǒng)坐標系xyz。
[0009] 坐標系2 :為磁場源2的坐標系。組成磁場源2的線圈I、線圈II和線圈III的軸 線分別沿該坐標系的X2軸、Y2軸和Z2軸。磁場源2的中心點即該坐標系原點0'，在系統(tǒng) 坐標系中的坐標為(足。該坐標系各坐標軸與系統(tǒng)坐標系中的相應坐標軸相互平行，X2 軸與X軸方向相反，Y2軸、Z2軸與Y軸、Z軸方向相同。
[0010] 坐標系3 :為三軸磁場傳感器的坐標系。該坐標系的X3軸、Y3軸和Z3軸方向分別 與三軸磁場傳感器相應檢測軸方向一致，原點與三軸磁場傳感器的中心點重合。
[0011] 磁場源產(chǎn)生的最大磁感應強度矢量的旋轉角定義如下： 水平旋轉角：指從坐標系1 (或坐標系2)的原點到三軸磁場傳感器中心點之間的連線 在XlYl平面(或X2Y2平面）的投影與Xl軸(或X2軸）之間的夾角q (或％ )。
[0012] 垂直旋轉角：指從坐標系1 (或坐標系2)的原點到三軸磁場傳感器中心點之間的 連線與該連線在XlYl平面(或X2Y2平面）的投影之間的夾角A (或爲）。
[0013] 本發(fā)明提出的電磁跟蹤系統(tǒng)，由四部分構成：一個三軸磁場傳感器裝置、由兩組三 軸正交線圈組成的磁場源裝置、一個可控恒流源裝置、一個控制處理顯示裝置；系統(tǒng)結構如 圖2所示。其中： 所述三軸磁場傳感器裝置附著于跟蹤目標，用于測量跟蹤目標所在位置處三個正交方 向的磁場；三軸磁場傳感器裝置包括一個三軸分量磁場傳感器和一個信號調理/模擬-數(shù) 字（AD)轉換模塊；三軸分量傳感器分別用來檢測所在位置三個正交方向X3、Y3和Z3的磁 感應強度，其輸出經(jīng)后續(xù)信號調理/模擬-數(shù)字（AD)轉換模塊送入控制處理顯示裝置。傳 感器裝置的選擇依據(jù)測量范圍和精度的要求，可以采用磁阻傳感器、霍爾效應傳感器或磁 通門傳感器等。
[0014] 所述磁場源裝置包括兩個相對位置和姿態(tài)已知的磁場源（即磁場源1和磁場源 2)，其組成和結構完全相同，分別由纏繞在軟磁性鐵氧體磁芯上的三個中心點重合且相互 正交的線圈組成。這樣，在與磁場源中心點等距離的球面上，單軸線圈的磁感應強度最大 值為該線圈的軸線位置，方向沿軸線方向，三軸線圈合成的總磁感應強度最大值由單軸最 大值合成。兩個磁場源裝置中心點之間的距離為rf，且三組對應線圈相互平行。線圈需要 保證很好的正交性和對稱性，其中線圈的截面形狀可采用方形或者圓形等。分別對三個線 圈通以相同強度的直流電，可分別在每個線圈的軸線方向產(chǎn)生單軸磁感應強度最大值，并 且三軸合成磁感應強度最大值由三個單軸最大值合成；由于線圈激勵電流強度和其產(chǎn)生的 磁感應強度之間存在線性關系，可以采用相同強度電流激勵的線圈所產(chǎn)生的磁感應強度乘 以不同的電流系數(shù)來代替不同強度電流激勵的線圈所產(chǎn)生的磁感應強度。因此，可以得到 關于磁場傳感器檢測到的總磁感應強度和電流系數(shù)的表達式，根據(jù)這個表達式的單調性， 可以求解總磁感應強度最大時的電流系數(shù)。利用這個電流系數(shù)，同樣可以計算出一組最大 磁感應強度矢量的旋轉角（此時合成最大磁感應強度矢量指向磁場傳感器）信息，利用兩個 磁場源的兩組旋轉角信息和兩個磁場源的相對位置，可以通過幾何方法計算出傳感器的位 置，從而實現(xiàn)定位和跟蹤。
[0015] 所述恒流源裝置由恒流源及相關控制電路組成，為構成磁場源的線圈提供激勵電 流，即恒流源輸出直流電流，控制處理顯示裝置通過控制電路使得恒流源輸出的電流交替 激勵磁場源裝置的各線圈。
[0016] 所述控制處理顯示裝置由控制單元、算法單元、顯示輸出單元組成?？刂茊卧?括兩個部分：采樣處理模塊和激勵電流控制模塊。采樣處理模塊用于采樣處理來自三軸磁 場傳感器裝置的信號；激勵電流控制模塊控制可控恒流源裝置交替激勵磁場源裝置的各線 圈。算法單元一方面根據(jù)采樣處理模塊的輸出數(shù)據(jù)計算當前三軸磁場傳感器裝置檢測到的 磁感應強度值，進而根據(jù)下文所述的最大磁感應強度矢量旋轉角快速測定算法計算最大磁 感應強度矢量對應的一組旋轉角；另一方面，當計算得到磁場源裝置中的兩個磁場源的最 大磁感應強度矢量對應的旋轉角時，根據(jù)下文所述的位置算法計算磁場傳感器的空間位置 坐標。顯示輸出單元將磁場傳感器的定位信息顯示/輸出。其中，控制單元、算法單元由 微處理器實現(xiàn)，顯示輸出單元由顯示器實現(xiàn)。
[0017] 本發(fā)明提出的基于上述系統(tǒng)的電磁跟蹤方法，其步驟為（以磁場源1的最大磁感 應強度矢量旋轉角快速測