[發(fā)明專利]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

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510123915.6
• 申請(qǐng)日: 2015-03-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104776865B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄔小玫;沙敏;王一楓;丁寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D5/12
• 分類號(hào): G01D5/12;G01B7/004;G01B7/30
• 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(shù)領(lǐng)域

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)

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)域的研究熱點(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?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，本研究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)明專利號(hào)：ZL 2010 1 0179332.2），該方法不依賴于磁場(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。

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。

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

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)。

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。

本發(fā)明的特點(diǎn)之一在于不依賴于某種假定的磁場(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。

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X1軸、Y1軸和Z1軸。磁場(chǎng)源1的中心點(diǎn)即該坐標(biāo)系原點(diǎn)O，坐標(biāo)為。該坐標(biāo)系也是系統(tǒng)坐標(biāo)系XYZ。

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)O’，在系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為。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。

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。

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X1Y1平面（或X2Y2平面）的投影與X1軸（或X2軸）之間的夾角（或）。

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X1Y1平面（或X2Y2平面）的投影之間的夾角（或）。

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：