[發(fā)明專利]跟蹤電磁場中的對象

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010116078.5
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號(hào): CN111624547A
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·A·赫雷拉;A·懷爾斯;A·丁克;M·寇普希克
• 申請（專利權(quán)）人: 北方數(shù)字化技術(shù)公司
• 主分類號(hào): G01S5/02
• 分類號(hào): G01S5/02;G01C21/16;A61B34/20
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 劉瑜

電磁跟蹤(EMT)系統(tǒng)包括被跟蹤設(shè)備、跟蹤設(shè)備和計(jì)算設(shè)備。EMT系統(tǒng)被配置為在跟蹤設(shè)備處接收由被跟蹤設(shè)備生成的電磁信號(hào)，基于該電磁信號(hào)來確定被跟蹤設(shè)備相對于跟蹤設(shè)備的一組可能的位置和取向，接收表示被跟蹤設(shè)備的運(yùn)動(dòng)的測量出的慣性值，基于該組可能的位置和取向中的至少一個(gè)位置和取向來確定與被跟蹤設(shè)備的運(yùn)動(dòng)相對應(yīng)的估計(jì)的慣性值，確定表示估計(jì)的慣性值與測量出的慣性值之間的差的差值，響應(yīng)于確定差值而從該組中確定特定位置和特定取向，并且生成包括特定位置和特定取向的輸出。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及跟蹤復(fù)雜磁場中的對象，具體地，基于慣性測量單元(IMU)的電磁(EM)信號(hào)和慣性信號(hào)確定對象的位置和取向。

背景技術(shù)

電磁跟蹤(EMT)系統(tǒng)用于輔助醫(yī)療程序中儀器和解剖結(jié)構(gòu)的定位、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)環(huán)境和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)環(huán)境等。這樣的系統(tǒng)可以基于測量出的傳輸磁場的場力線來確定傳感器的位置。

發(fā)明內(nèi)容

電磁跟蹤(EMT)系統(tǒng)可以用于跟蹤用于諸如醫(yī)療應(yīng)用、AR/VR應(yīng)用等之類的許多應(yīng)用的設(shè)備。例如，在AR/VR環(huán)境中，EMT系統(tǒng)可以用于跟蹤設(shè)備相對于耦合到用戶的頭戴式顯示器(HMD)的位置和/或取向。用戶的HMD的顯示器可以在AR/VR界面中在與設(shè)備相對于用戶的實(shí)際位置和取向相對應(yīng)的近似位置和取向處示出設(shè)備的表示。例如，在醫(yī)療環(huán)境中，EMT系統(tǒng)可以確定外科手術(shù)設(shè)備相對于操作者或其他參考框架的位置和取向。用于跟蹤對象的許多附加應(yīng)用是已知的。

EMT系統(tǒng)被配置為基于由被跟蹤設(shè)備的發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁(EM)信號(hào)(也稱為磁信號(hào))來確定被跟蹤設(shè)備相對于接收機(jī)的位置和取向。位置是指被跟蹤設(shè)備的發(fā)射機(jī)相對于接收機(jī)的物理定位(反之亦然)，并且位置數(shù)據(jù)可以表示為位置矢量。取向是指被跟蹤設(shè)備相對于接收機(jī)面對的方向，并且可以表示為取向矩陣。接收機(jī)被配置為對從發(fā)射機(jī)接收到的磁信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以獲得表示被跟蹤設(shè)備相對于接收機(jī)的位置的位置數(shù)據(jù)，并且獲得表示發(fā)射機(jī)相對于接收機(jī)的取向的取向數(shù)據(jù)。從EMT系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)接收到的磁信號(hào)被分解為信號(hào)矩陣。信號(hào)矩陣的元素各自具有相應(yīng)的大小，該大小是接收到的磁信號(hào)的幅度和發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離的函數(shù)。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，可以在接收機(jī)的框架中的坐標(biāo)空間中(例如，其中接收機(jī)表示坐標(biāo)系的原點(diǎn))執(zhí)行對位置和/或取向的計(jì)算。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，可以在發(fā)射機(jī)的框架中的坐標(biāo)空間中(例如，其中發(fā)射機(jī)表示坐標(biāo)系的原點(diǎn))執(zhí)行對位置和/或取向的計(jì)算。

磁信號(hào)包括兩個(gè)歧義，可以在確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置數(shù)據(jù)和取向數(shù)據(jù)之前解析這些歧義。第一歧義包括鎖相環(huán)(PLL)歧義。PLL歧義導(dǎo)致在磁信號(hào)中表示的發(fā)射機(jī)相對于接收機(jī)的八個(gè)可能的取向(例如，四個(gè)右手解和四個(gè)左手解，其中“手”是指坐標(biāo)系的配置)。第二歧義包括半球歧義。半球歧義導(dǎo)致在磁信號(hào)中發(fā)射機(jī)相對于接收機(jī)的兩個(gè)可能的位置的表示。

本文描述的EMT系統(tǒng)包括慣性測量單元(IMU)，其被配置為提供發(fā)射機(jī)的慣性數(shù)據(jù)。慣性數(shù)據(jù)可以包括由一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)測量的線加速度數(shù)據(jù)。慣性數(shù)據(jù)可以包括由一個(gè)或多個(gè)陀螺儀提供的角速度數(shù)據(jù)。盡管對于該示例IMU被描述為耦合到發(fā)射機(jī)，但是IMU可以可替代地耦合到接收機(jī)。

由IMU提供的慣性數(shù)據(jù)被EMT系統(tǒng)用于解析磁信號(hào)的PLL歧義和半球歧義。對于PLL消歧，EMT系統(tǒng)針對發(fā)射機(jī)的四個(gè)可能的右手取向的每一個(gè)計(jì)算(估計(jì))角速度，并將它們與慣性數(shù)據(jù)中包含的測量出的角速度進(jìn)行比較。選擇與同測量出的角速度具有正相關(guān)性的估計(jì)的角速度相關(guān)聯(lián)的取向。對于半球消歧，針對發(fā)射機(jī)相對于接收機(jī)的兩個(gè)可能的位置中的每一個(gè)估計(jì)線速度和線加速度。測量發(fā)射機(jī)的線加速度。EMT系統(tǒng)選擇與同測量出的線加速度具有正相關(guān)性的估計(jì)的線加速度相關(guān)聯(lián)的位置。