基于最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量旋轉(zhuǎn)角快速測(cè)定的電磁跟蹤系統(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)單次激勵(lì)磁場(chǎng)源線圈快速測(cè)定 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量旋轉(zhuǎn)角，進(jìn)而對(duì)作為跟蹤目標(biāo)的磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行定位的電磁跟蹤系統(tǒng) 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁跟蹤是一種利用磁場(chǎng)源與磁場(chǎng)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)域的研宄熱點(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、等優(yōu) 點(diǎn)；但同時(shí)存在依賴(lài)?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，本研宄組提出了一種基于最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量旋轉(zhuǎn)角檢測(cè)的電磁跟蹤方法 (發(fā)明專(zhuān)利號(hào)：ZL 2010 1 0179332. 2)，該方法不依賴(lài)于磁場(chǎng)理論模型、采用非迭代的幾何 算法實(shí)現(xiàn)定位。與傳統(tǒng)磁跟蹤方法相比，該方法的算法簡(jiǎn)潔有效、運(yùn)算速度快。
[0003] 這種電磁跟蹤方法可以通過(guò)搜索最大磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)。在搜索的過(guò)程中，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，通過(guò)幾何方法可以計(jì)算出傳感器的空間位置。
[0004] 這種通過(guò)搜索最大磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的電磁跟蹤方法可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位和跟 蹤。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；并且搜索 過(guò)程只能在步進(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跟蹤實(shí)時(shí)性高、靈活性強(qiáng)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(guò)快速測(cè)定最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量旋轉(zhuǎn)角實(shí) 現(xiàn)的電磁跟蹤方法。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、三 軸合成的總磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值由單軸最大值合成以及線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度和線圈所產(chǎn)生的 磁感應(yīng)強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系的特性，采用相同強(qiáng)度電流激勵(lì)的線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度 乘以不同的電流系數(shù)來(lái)代替不同強(qiáng)度電流激勵(lì)的線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，快速求解最大 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量旋轉(zhuǎn)角，即合成的總磁感應(yīng)強(qiáng)度指向磁場(chǎng)傳感器時(shí)的旋轉(zhuǎn)角，從而對(duì)跟蹤 目標(biāo)(磁場(chǎng)傳感器）進(jìn)行定位。
[0007] 本發(fā)明的特點(diǎn)之一在于不依賴(lài)于某種假定的磁場(chǎng)模型建立磁場(chǎng)源與磁場(chǎng)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)分別單次激勵(lì)每個(gè)磁場(chǎng)源的線圈，根據(jù)磁場(chǎng)傳感器所測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度就可 以快速求解最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的旋轉(zhuǎn)角，有效提高跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和靈活性。
[0008] 為了便于說(shuō)明，先定義如下三個(gè)坐標(biāo)系： 坐標(biāo)系1 :為磁場(chǎng)源1的坐標(biāo)系。組成磁場(chǎng)源1的線圈I、線圈II和線圈III的軸 線分別沿該坐標(biāo)系的Xl軸、Yl軸和Zl軸。磁場(chǎng)源1的中心點(diǎn)即該坐標(biāo)系原點(diǎn)0,坐標(biāo)為 (0,0,0)。該坐標(biāo)系也是系統(tǒng)坐標(biāo)系xyz。
[0009] 坐標(biāo)系2 :為磁場(chǎng)源2的坐標(biāo)系。組成磁場(chǎng)源2的線圈I、線圈II和線圈III的軸 線分別沿該坐標(biāo)系的X2軸、Y2軸和Z2軸。磁場(chǎng)源2的中心點(diǎn)即該坐標(biāo)系原點(diǎn)0'，在系統(tǒng) 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(足。該坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸與系統(tǒng)坐標(biāo)系中的相應(yīng)坐標(biāo)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(biāo)系3 :為三軸磁場(chǎng)傳感器的坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系的X3軸、Y3軸和Z3軸方向分別 與三軸磁場(chǎng)傳感器相應(yīng)檢測(cè)軸方向一致，原點(diǎn)與三軸磁場(chǎng)傳感器的中心點(diǎn)重合。
[0011] 磁場(chǎng)源產(chǎn)生的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的旋轉(zhuǎn)角定義如下： 水平旋轉(zhuǎn)角：指從坐標(biāo)系1 (或坐標(biāo)系2)的原點(diǎn)到三軸磁場(chǎng)傳感器中心點(diǎn)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(zhuǎn)角：指從坐標(biāo)系1 (或坐標(biāo)系2)的原點(diǎn)到三軸磁場(chǎng)傳感器中心點(diǎn)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(wèi)）。
[0013] 本發(fā)明提出的電磁跟蹤系統(tǒng)，由四部分構(gòu)成：一個(gè)三軸磁場(chǎng)傳感器裝置、由兩組三 軸正交線圈組成的磁場(chǎng)源裝置、一個(gè)可控恒流源裝置、一個(gè)控制處理顯示裝置；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖2所示。其中： 所述三軸磁場(chǎng)傳感器裝置附著于跟蹤目標(biāo)，用于測(cè)量跟蹤目標(biāo)所在位置處三個(gè)正交方 向的磁場(chǎng)；三軸磁場(chǎng)傳感器裝置包括一個(gè)三軸分量磁場(chǎng)傳感器和一個(gè)信號(hào)調(diào)理/模擬-數(shù) 字（AD)轉(zhuǎn)換模塊；三軸分量傳感器分別用來(lái)檢測(cè)所在位置三個(gè)正交方向X3、Y3和Z3的磁 感應(yīng)強(qiáng)度，其輸出經(jīng)后續(xù)信號(hào)調(diào)理/模擬-數(shù)字（AD)轉(zhuǎn)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(cè)量范圍和精度的要求，可以采用磁阻傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器或磁 通門(mén)傳感器等。
[0014] 所述磁場(chǎng)源裝置包括兩個(gè)相對(duì)位置和姿態(tài)已知的磁場(chǎng)源（即磁場(chǎng)源1和磁場(chǎng)源 2)，其組成和結(jié)構(gòu)完全相同，分別由纏繞在軟磁性鐵氧體磁芯上的三個(gè)中心點(diǎn)重合且相互 正交的線圈組成。這樣，在與磁場(chǎng)源中心點(diǎn)等距離的球面上，單軸線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度最大值由單軸最 大值合成。兩個(gè)磁場(chǎng)源裝置中心點(diǎn)之間的距離為rf，且三組對(duì)應(yīng)線圈相互平行。線圈需要 保證很好的正交性和對(duì)稱(chēng)性，其中線圈的截面形狀可采用方形或者圓形等。分別對(duì)三個(gè)線 圈通以相同強(qiáng)度的直流電，可分別在每個(gè)線圈的軸線方向產(chǎn)生單軸磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值，并 且三軸合成磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值由三個(gè)單軸最大值合成；由于線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度和其產(chǎn)生的 磁感應(yīng)強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，可以采用相同強(qiáng)度電流激勵(lì)的線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度乘 以不同的電流系數(shù)來(lái)代替不同強(qiáng)度電流激勵(lì)的線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此，可以得到 關(guān)于磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)到的總磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流系數(shù)的表達(dá)式，根據(jù)這個(gè)表達(dá)式的單調(diào)性， 可以求解總磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時(shí)的電流系數(shù)。利用這個(gè)電流系數(shù)，同樣可以計(jì)算出一組最大 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的旋轉(zhuǎn)角（此時(shí)合成最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量指向磁場(chǎng)傳感器）信息，利用兩個(gè) 磁場(chǎng)源的兩組旋轉(zhuǎn)角信息和兩個(gè)磁場(chǎng)源的相對(duì)位置，可以通過(guò)幾何方法計(jì)算出傳感器的位 置，從而實(shí)現(xiàn)定位和跟蹤。
[0015] 所述恒流源裝置由恒流源及相關(guān)控制電路組成，為構(gòu)成磁場(chǎng)源的線圈提供激勵(lì)電 流，即恒流源輸出直流電流，控制處理顯示裝置通過(guò)控制電路使得恒流源輸出的電流交替 激勵(lì)磁場(chǎng)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(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交替激勵(lì)磁場(chǎng)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(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)下文所述的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量旋轉(zhuǎn)角快速測(cè)定算法計(jì)算最大磁 感應(yīng)強(qiáng)度矢量對(duì)應(yīng)的一組旋轉(zhuǎn)角；另一方面，當(dāng)計(jì)算得到磁場(chǎng)源裝置中的兩個(gè)磁場(chǎng)源的最 大磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角時(shí)，根據(jù)下文所述的位置算法計(jì)算磁場(chǎng)傳感器的空間位置 坐標(biāo)。顯示輸出單元將磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)，顯示輸出單元由顯示器實(shí)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(chǎng)源1的最大磁感 應(yīng)強(qiáng)度矢量旋轉(zhuǎn)角快速測(cè)