[發明專利]一種基于正交磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤方法及系統

有效

• 申請號: 201110268897.2
• 申請日: 2011-09-13
• 公開（公告）號: CN102426392A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 鄔小玫;王一楓;葛鑫;丁寧;方祖祥;余建國
• 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空間位置和空間姿態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。傳感器通常附著在待定位的物體上，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之間的關系列方程組，采用某種最優化算法，可以迭代地解出待測物體的空間位置和姿態。

現有電磁跟蹤方法大都依據某種磁場理論分布模型。目前采用最廣泛的無限遠偶極子模型，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，一些研究人員提出了一些改進的磁場模型。但是，這些改進的磁場模型與真實的磁場分布仍然存在區別。這是由于磁場源體積的存在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理論模型。這一差異性嚴重地制約了電磁跟蹤的性能和精度。現有的方法一般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，通過測量一部分真實位置，尋找測量位置和真實位置的映射關系。這種校準在一定程度上緩解模型與真實磁場差異造成的誤差，但費時費力，往往在設備重新布置時需要重新進行，而且無法從根本上解決問題。

現有電磁跟蹤方法大多采用迭代的算法。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，進而降低了其可靠性。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系統和方法。

本發明提出的電磁跟蹤系統，由三部分構成：一個三軸磁場傳感器裝置、一個可以模擬空間任意指向的正交三軸線圈裝置、一個控制處理顯示裝置。傳感器裝置附著于待跟蹤物體，用于測量三個正交方向的磁場，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。正交三軸線圈由控制處理顯示裝置提供直流脈沖激勵，用以模擬軸線所在方向為空間任意方向的兩個正交的磁棒；通過同時改變輸出到正交線圈三軸上的直流脈沖電流大小，實現磁棒軸線所在方向的改變，即磁棒的旋轉。磁棒旋轉依據下文所述的搜索策略，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姿態算法，計算傳感器六自由度的位置和姿態。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。控制處理顯示裝置一般由嵌入式系統（或其它微處理器）和顯示器組成，其功能是實現其他組件的控制、數據的采集和處理、跟蹤結果的顯示輸出等工作。其結構如圖2所示。?

本發明中，所述三軸磁場傳感器裝置2包括三軸分量傳感器5、6、7，和一個信號調理和模擬-數字（AD）轉換模塊8，三軸分量傳感器5、6、7分別用來檢測三個正交方向X’、Y’和Z’的磁場，其輸出經后續信號調理和模擬-數字（AD）轉換模塊8送入控制處理顯示裝置4，由控制處理顯示裝置4中的采樣處理模塊16采樣處理。

本發明中，所述正交三軸線圈裝置3包括：三組電磁鐵線圈9、10、11,和3個控制驅動電路12、13和14，三組電磁鐵線圈9、10和11分別由控制驅動電路12、13和14控制驅動。三組電磁鐵線圈幾何中心重合，且為保證三軸線圈合成的電磁鐵線圈在相同距離情況下軸線上磁場強度最大，且該處磁場方向沿著軸線，這里三軸線圈均為簡單的棒狀電磁體。另外，電磁鐵采用脈沖直流的激勵方式，由控制處理顯示裝置4控制脈沖直流的激勵。