[發明專利]基于鑒相技術的電磁跟蹤系統及方法

有效

• 申請號: 201810298617.4
• 申請日: 2018-04-04
• 公開（公告）號: CN108662973B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 鄔小玫;黃興曼
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01B7/30
• 分類號: G01B7/30;A61B34/20
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于電磁跟蹤技術領域，具體為基于鑒相技術的電磁跟蹤系統及方法。本發明的電磁跟蹤系統包括磁場源模塊、磁傳感器模塊以及控制模塊。磁場源模塊包含磁場源和交流恒流源，磁場源是由三個相互正交的線圈組成，交流恒流源為線圈提供激勵電流；磁傳感器模塊包含一個三軸磁傳感器和信號調理模塊；控制模塊包含激勵控制電路、AD轉換及采樣電路以及處理器；本發明按照一定次序對磁場源的線圈施加一定幅度、頻率的正余弦信號，利用鑒相算法得到合成磁感應強度的平方和余弦激勵信號平方的相位差，利用相位差獲取投影角和磁場源指向磁傳感器時的旋轉角度，實現對目標的定位。本發明測量精度高、定位速度快、抗干擾能力強，可應用于微創手術的導航，也可用于虛擬（增強）現實，三維超聲成像等領域。

技術領域

本發明屬于電磁跟蹤技術領域，具體涉及一種電磁跟蹤系統及方法。

背景技術

電磁跟蹤技術是一種利用電磁場的空間分布信息對跟蹤目標進行定位的方法，在微創手術導航系統、虛擬現實等領域具有非常廣泛的應用前景。和其他的跟蹤方式相比，電磁跟蹤具有無損傷、無輻射、無光路遮擋，操作簡單方便的特點。但是，傳統的電磁跟蹤方法一般依賴于磁場源理論模型，采用性能不夠穩定的迭代算法等問題。

為解決上述問題，專利201110123757.6提出了一種基于“微處理器的雙磁棒旋轉搜索電磁跟蹤系統”，這種方法不依賴于磁場源理論模型，且采用簡單的幾何算法即可實現定位；但該方法的旋轉磁場是通過步進電機控制螺旋管的旋轉實現磁場的，旋轉速度受步進電機帶動螺線管旋轉速度的限制，系統的實時性較差。為提高系統的定位速度，專利ZL201510123915.6提出了一種“基于最大磁感應強度矢量旋轉角快速測定的電磁跟蹤方法及系統”,通過測定最大磁感應強度矢量旋轉角，實現對三軸磁傳感器的定位。該方法提高了系統的定位速度，但極易受噪聲干擾，后續提出的改進方法提高了系統的抗噪聲能力，卻以犧牲定位速度為代價。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠在保持系統定位速度的基礎上改善抗噪聲性能的電磁跟蹤系統及方法。

本發明是在專利ZL 201510123915.6的基礎上，提出一種基于鑒相技術確定目標點在磁場源中投影角，進而實現跟蹤定位，在保持系統定位速度的基礎上大大改善抗噪聲性能。

本發明提出的基于鑒相技術的電磁跟蹤系統，包括：磁場源模塊，磁傳感器模塊以及控制模塊。其中：

所述磁場源模塊，包含磁場源和交流恒流源。磁場源是由三個纏繞在磁芯上的、中心點重合且相互正交的線圈組成，線圈通電后即產生磁場；交流恒流源為構成磁場源的線圈提供激勵電流，即交流恒流源在控制模塊的控制下輸出正余弦電流按一定順序激勵磁場源的各線圈；

所述磁傳感器模塊，包含一個三軸磁傳感器以及相應的信號調理電路。三軸磁傳感器附著于被跟蹤目標，測量跟蹤目標所處位置的三軸正交磁感應強度，輸入到信號調理電路中；信號調理電路對三軸磁傳感器檢測到的數據進行濾波和放大。濾波的作用是為了減小高頻和工頻干擾，放大的作用的將磁傳感器輸出的微弱電信號進行放大到與ADC輸入信號動態范圍匹配，從而提高轉換精度。

所述控制模塊，包含激勵控制電路、AD轉換與采樣電路以及處理器。激勵控制電路在處理器的控制下實現對磁場源各線圈激勵電流的通斷；AD轉換電路與采樣電路采集磁場源的余弦激勵信號及目標點所處位置的合成磁感應強度，兩路模擬信號經AD轉換后變成兩路數字信號輸入到處理器中進行處理，處理器對采樣得到的余弦激勵信號進行平方運算得到信號1，對合成磁感應強度信號進行平方運算得到信號2，再計算信號1和信號2的相位差；進而計算投影角，并進一步計算旋轉角，實現對目標點的跟蹤定位。

為便于進一步描述本發明，定義如下的坐標系：

該坐標系對應于磁場源，三個坐標軸分別沿組成磁場源的中心點重合且相互正交的三個線圈的軸線方向，坐標原點為(0，0，0)，對應于三個線圈重合的中心點。