[發明專利]一種基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤方法及系統

有效

• 申請號: 201010179332.2
• 申請日: 2010-05-20
• 公開（公告）號: CN101852868A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 葛鑫;鄔小玫;方祖祥;賴大坤
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01V3/00
• 分類號: G01V3/00;G01C21/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于電磁跟蹤技術領域，具體涉及用于電磁跟蹤的方法和系統。

背景技術

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物體的位置和方向進行檢測和實時跟蹤的方法。該方法可應用于微創手術的導航，亦可運用于虛擬現實、三維超聲成像等領域。典型的電磁跟蹤系統一般由磁場源(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。傳感器通常附著待定位的物體上，磁場源位于固定參考系的某幾個位置。假定磁場符合某種分布模型(如無限遠偶極子模型)，利用多個或多軸的磁場源和傳感器的磁場耦合，根據模型估算的磁場和實測磁場的關系列方程組，采用某種最優化算法迭代地解出待測物體的空間位置和方向。

現有電磁跟蹤方法的缺點之一是大都依據某種磁場分布模型。目前采用最廣泛的是無限遠偶極子模型，該模型僅在磁棒直徑遠小于磁棒與傳感器距離時有效。為了解決這一問題，研究人員提出了一些改進的磁場模型，但是，磁場模型與真實的磁場分布仍然不可避免地存在區別。由于磁場源體積做不到無窮小以及磁場源線圈繞制或形狀等因素不理想，磁場源產生的磁場分布無法嚴格符合設定的磁場模型。這一差異性嚴重地制約了電磁跟蹤的性能和精度。現有的方法通常采用后期校準來修正這一問題，校準采用三維空間的插值實現，測量一部分真實位置，再尋找測量位置和真實位置的映射關系。校準能夠在一定程度上減小模型與真實磁場差異造成的誤差，但校準過程費時費力，往往在設備重新布置時需都要要進行，更關鍵的是無法從根本上解決問題。

現有電磁跟蹤方法的另一個缺點是一般采用迭代的算法。迭代算法對磁場源和傳感器之間的耦合關系要求比較簡單。但是迭代的算法具有計算復雜度高、易發散、存在局部極值點等問題。這些問題極大地提高了電磁跟蹤算法的復雜性，而降低了其可靠性。采用非迭代的算法，能夠較大地提高電磁跟蹤系統的性能。

發明內容

本發明的目的在于提出一種可靠性好、計算復雜度低的電磁跟蹤方法和系統。

本發明提出的電磁跟蹤方法，是一種新穎的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤方法。本方法根據磁棒指向傳感器時傳感器測得的磁場強度最大的特性，采用雙磁棒跟蹤傳感器進行搜索定位，應用幾何算法計算得到傳感器的空間位置；并進一步依據磁棒指向傳感器時傳感器測出的磁場方向沿著磁棒軸線方向的原理，應用幾何算法計算得到傳感器的空間姿態。

本方法的特點之一在于利用磁棒旋轉搜索傳感器，采用幾何算法確定傳感器的空間位置和空間姿態，而不依賴于某種假定的磁場模型。本方法的特點之二在于采用非迭代的算法，可以快速有效地實現對傳感器位置和方向的跟蹤。本方法的特點還包括采用脈沖直流磁場，可實現六自由度的電磁跟蹤等。

本發明提出用于雙磁棒搜索電磁跟蹤的搜索策略。該搜索策略具有自適應調整步長的特點，能夠保證磁棒迅速有效地搜索到傳感器，從而實現優化的跟蹤速度和跟蹤范圍。

本發明提出用于雙磁棒搜索電磁跟蹤的待測物體位置和方向算法。該方法利用兩磁棒指向傳感器時三者的幾何關系確定傳感器的位置，利用指向時傳感器位置的磁場方向沿磁棒軸線方向確定傳感器的方向。方法具有純幾何和非迭代的特點。

當磁棒以固定中心在空間旋轉時，空間某處的傳感器檢測到的磁場強度在磁棒指向傳感器時達到最大。本發明利用這一原理，采用兩個磁棒在空間旋轉搜索傳感器，以計算傳感器的空間位置。進一步，當磁棒指向傳感器時，該處磁場的空間指向是沿著磁棒軸線的，本發明據此計算傳感器的空間姿態。這樣，可以通過兩根磁棒旋轉搜索實現對傳感器的六自由度電磁跟蹤。

本發明提出的電磁跟蹤系統，由傳感器、磁場源、旋轉控制裝置和控制處理顯示裝置組成。傳感器附著于待跟蹤物體。旋轉控制裝置控制磁棒旋轉指向空間或半空間任意方向。磁棒旋轉依據下文所述的旋轉策略，旋轉搜索傳感器，當磁棒鎖定傳感器時，依據下文所述的位置和方向算法，計算傳感器六自由度的位置和方向。控制處理顯示裝置一般采用一臺pc機或服務器，對其他組件(如傳感器、磁場源、旋轉控制裝置等)進行控制，并進行數據的采集和處理、跟蹤結果的顯示輸出等。

磁棒采用脈沖直流的激勵方式，這有利于消除環境金屬物質造成的渦流干擾，并抵消地磁場和環境鐵磁性物質產生的背景磁場干擾。對于本發明而言，其意義更在于可以保證每個時刻只有一根磁棒被激勵，從而能夠順利地實現場強的峰值搜索并確定磁場方向。傳感器可以采用磁阻傳感器、霍爾效應傳感器或磁通門傳感器等。傳感器的選擇依據測量范圍和精度的要求進行。