專利名稱：一種基于正交磁棒旋轉(zhuǎn)搜索的電磁跟蹤方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于電磁跟蹤的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(tài)進(jìn)行檢測和實時跟蹤的方法。該方法可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的導(dǎo)航，亦可運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實、三維超聲成像等領(lǐng)域。典型的電磁跟蹤系統(tǒng)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(yuǎn)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(jù)模型估算的磁場和實測磁場之間的關(guān)系列方程組，采用某種最優(yōu)化算法，可以迭代地解出待測物體的空間位置和姿態(tài)?，F(xiàn)有電磁跟蹤方法大都依據(jù)某種磁場理論分布模型。目前采用最廣泛的無限遠(yuǎn)偶極子模型，該模型僅在磁棒直徑遠(yuǎn)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(jìn)的磁場模型。但是，這些改進(jìn)的磁場模型與真實的磁場分布仍然存在區(qū)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(chǎn)生的磁場分布無法嚴(yán)格符合設(shè)定的磁場理論模型。這一差異性嚴(yán)重地制約了電磁跟蹤的性能和精度?，F(xiàn)有的方法一般采用后期校準(zhǔn)來修正這一問題。校準(zhǔn)采用三維空間的插值實現(xiàn)，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(guān)系。這種校準(zhǔn)在一定程度上緩解模型與真實磁場差異造成的誤差，但費(fèi)時費(fèi)力，往往在設(shè)備重新布置時需要重新進(jìn)行，而且無法從根本上解決問題?，F(xiàn)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(guān)系要求比較簡單。但是迭代的算法具有計算復(fù)雜度高、易發(fā)散、存在局部極值點(diǎn)等問題。 這些問題極大地提高了電磁跟蹤算法的復(fù)雜性，進(jìn)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(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可靠性好、計算復(fù)雜度低的電磁跟蹤系統(tǒng)和方法。本發(fā)明提出的電磁跟蹤系統(tǒng)，由三部分構(gòu)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(yīng)傳感器或磁通門傳感器等。傳感器的選擇依據(jù)測量范圍和精度的要求進(jìn)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(xiàn)磁棒軸線所在方向的改變，即磁棒的旋轉(zhuǎn)。磁棒旋轉(zhuǎn)依據(jù)下文所述的搜索策略，旋轉(zhuǎn)搜索傳感器，當(dāng)磁棒鎖定傳感器時，依據(jù)下文所述的位置和姿態(tài)算法，計算傳感器六自由度的位置和姿態(tài)。磁棒采用脈沖直流的激勵方式，這有利于消除環(huán)境金屬物質(zhì)造成的渦流干擾，并抵消地磁場和環(huán)境鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的背景磁場干擾。對于本發(fā)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(xiàn)場強(qiáng)的峰值搜索?？刂铺幚盹@示裝置一般由嵌入式系統(tǒng)(或其它微處理器)和顯示器組成，其功能是實現(xiàn)其他組件的控制、數(shù)據(jù)的采集和處理、跟蹤結(jié)果的顯示輸出等工作。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。本發(fā)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(diào)理和模擬-數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)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V、 Y’和V的磁場，其輸出經(jīng)后續(xù)信號調(diào)理和模擬-數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)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(fā)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(qū)動電路12、13和14，三組電磁鐵線圈9、10和11分別由控制驅(qū)動電路12、13和14控制驅(qū)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(qiáng)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。本發(fā)明中，所述控制處理顯示裝置4由控制單元17、算法單元18、顯示輸出單元19 組成?？刂茊卧?7包括兩個部分采樣處理模塊16和脈沖直流控制模塊15。采樣處理模塊16用于采樣處理來自信號調(diào)理和模擬-數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換模塊8的信號；脈沖直流控制模塊15提供對三軸正交線圈9、10和11的激勵控制；由于電磁鐵采用脈沖直流的激勵方式， 可將脈沖直流的激勵的每周期分三個時間段，前兩個時間段分別激勵三軸正交線圈9、10 和11合成主磁棒和副磁棒，第三個時間段三軸正交線圈均不激勵。將主、副磁棒合成激勵時測得的磁場與第三時間段的磁場相減作為對應(yīng)磁棒在傳感器位置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。這種脈沖直流的激勵方式有利于消除環(huán)境金屬物質(zhì)造成的渦流干擾，并抵消地磁場和環(huán)境鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的背景磁場干擾。本發(fā)明提出的基于上述的電磁跟蹤系統(tǒng)的電磁跟蹤方法，其步驟為，通過直流脈沖激勵方式交替激勵由正交三軸線圈裝置3模擬的兩個可旋轉(zhuǎn)的正交磁棒，分別產(chǎn)生磁場分布情況已知的電磁場；用三軸磁場傳感器裝置2測量其所在位置的磁場大小和方向，用控制處理顯示裝置4根據(jù)搜索策略進(jìn)行搜索，并計算求得其六自由度的空間位置和空間姿態(tài)；其中
所述的直流脈沖激勵方式交替激勵，是將每個激勵周期分三個時間段，在脈沖直流激勵周期的第一個時間段，在χ軸發(fā)射線圈上給予sin α cos β安培的激勵電流，在y軸發(fā)射線圈上給予cosacosii安培的激勵電流，在ζ軸發(fā)射線圈上給予sini3安培的激勵電流， 以合成大小為1安培電流激勵的(若需改變電流強(qiáng)度，可按比例調(diào)整各軸的激勵電流強(qiáng)度)、 從χ軸旋轉(zhuǎn)水平角度α、垂直角度β的主磁棒；在脈沖直流激勵周期的第二個時間段，在χ 軸發(fā)射線圈上給予sin (a+90° )安培的激勵電流，在y軸發(fā)射線圈上給予cos ( a+90° ) 安培的激勵電流，在ζ軸發(fā)射線圈上給予0安培的激勵電流，用于合成與前一時間段合成主磁棒相正交的副磁棒；在脈沖直流激勵周期的第三時間段，各軸線圈均不給予激勵電流； 將各磁棒激勵時測得的磁場與第三時間段的磁場(環(huán)境磁場強(qiáng)度)相減作為對應(yīng)磁棒在傳感器位置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度；
所述的搜索策略為正交磁棒組的主磁棒在兩個正交平面內(nèi)依次旋轉(zhuǎn)，副磁棒始終與即時的主磁棒保持正交；根據(jù)磁棒指向傳感器裝置時傳感器測得的磁場強(qiáng)度最大的特性，鎖定主磁棒指向傳感器的位置；其中磁棒旋轉(zhuǎn)角度采用自適應(yīng)步長，即每次旋轉(zhuǎn)的角度根據(jù)傳感器距離正交磁棒組的距離的增大而減小。具體來說，本發(fā)明用于正交磁棒搜索電磁跟蹤的搜索策略，具體過程可分為兩個階段初始搜索階段和實時跟蹤階段。系統(tǒng)開始工作時進(jìn)行初始搜索，從旋轉(zhuǎn)的初始指向出發(fā)執(zhí)行搜索。初始搜索時，由于初始指向離傳感器實際指向距離不確定，故搜索可能耗時較長。當(dāng)完成初始搜索后，由于短時間內(nèi)傳感器運(yùn)動距離有限，故磁棒當(dāng)前指向距離傳感器實際指向較近，可以在有限步數(shù)內(nèi)完成跟蹤，保證跟蹤的實時性，故這一階段稱為實時跟蹤階段。由于搜索過程是三維空間中的搜索，而磁棒旋轉(zhuǎn)只能在一個平面內(nèi)進(jìn)行，故實時跟蹤搜索過程分兩步進(jìn)行，即正交磁棒組的主磁棒在兩個正交平面內(nèi)依次旋轉(zhuǎn)，例如，先在水平面內(nèi)搜索，再在垂直面內(nèi)搜索。在主磁棒搜索過程中，副磁棒始終與即時的主磁棒保持正交。 這樣經(jīng)過兩次搜索，當(dāng)主磁棒指向傳感器時，停止搜索，實現(xiàn)對傳感器位置的鎖定。主磁棒在每個平面上開始搜索時，先向一個方向試探，若場強(qiáng)增大，則表示試探方向正確，否則反向搜索。找到正確方向后，沿該方向一步步搜索，直至場強(qiáng)減小，則主磁棒的前一個搜索位置即為當(dāng)前搜索平面里的最大場強(qiáng)方向。本發(fā)明的搜索策略具有自適應(yīng)調(diào)整搜索步長的特點(diǎn)。搜索步長是主副磁棒每次旋轉(zhuǎn)的角度，步長決定了磁棒指向的角度分辨率，進(jìn)而影響了系統(tǒng)誤差。初始搜索由于對實時性要求較低，可采用固定步長的方法，一般設(shè)定為系統(tǒng)最短的步長(該最短的步長可根據(jù)系統(tǒng)對定位精度和磁場變化的分辨率確定)。實時跟蹤時，由于隨著傳感器離正交磁棒組距離的增加，相同角度差對應(yīng)的實際距離相應(yīng)增加，若在整個區(qū)域采用一致的步長，會導(dǎo)致在較近處步數(shù)增多，跟蹤速度減慢，在較遠(yuǎn)處誤差增大。為了解決這個問題，可以根據(jù)傳感器當(dāng)前位置設(shè)定步長，步長大小隨傳感器與正交磁棒組之間距離的增大而減小。由于傳感器短時間內(nèi)運(yùn)動距離有限，所以當(dāng)前位置可以作為下一時刻位置的粗略估計，用來設(shè)定搜索步長。這種自適應(yīng)步長的跟蹤方法能夠有效的平衡系統(tǒng)的跟蹤速度和精度，保證主磁棒迅速有效地搜索到傳感器，實現(xiàn)跟蹤速度和跟蹤范圍的優(yōu)化。本發(fā)明的電磁跟蹤方法中，所述的求空間位置的算法如下根據(jù)主磁棒在兩正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度α、β和采用一維磁場標(biāo)定求得的傳感器與磁棒之間的距離r，傳感器三自由度的空間位置為:X =r cos α COS β , y =r sin α cos β , ζ =r sin β。本發(fā)明的電磁跟蹤方法中，所述的求空間姿態(tài)的算法如下采用非迭代算法，將在傳感器坐標(biāo)系F3測得的主、副磁棒磁場強(qiáng)度，旋轉(zhuǎn)變換到當(dāng)前正交磁棒坐標(biāo)系F2，主磁
棒y軸、ζ軸上的磁場強(qiáng)度分量為0, Bi = A2^i = [||Α|0,0]Γ，副磁棒χ軸、ζ軸上的磁
場強(qiáng)度分量為0，B2 = A32A =[0，||S2_:f ,從而求得旋轉(zhuǎn)矩陣A32，又已知原始坐標(biāo)系 F1經(jīng)過水平旋轉(zhuǎn)α、垂直旋轉(zhuǎn)β后得到當(dāng)前正交磁棒坐標(biāo)系F2，得旋轉(zhuǎn)矩陣A12，從而根據(jù)J13 [AriT1An的關(guān)系，計算傳感器三自由度的空間姿態(tài)A13，所有旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換成歐
拉角的形式求解；其中，B1是傳感器在主磁棒激勵時測得的坐標(biāo)系F3下的場強(qiáng)，式是將藥旋轉(zhuǎn)到坐標(biāo)系ρ后得到場強(qiáng)，馬是傳感器在副磁棒激勵時測得的坐標(biāo)手P下的場強(qiáng)，B12是島旋轉(zhuǎn)到坐行手J7下的場強(qiáng)。本發(fā)明提出的用于正交磁棒搜索電磁跟蹤的待測物體空間位置和姿態(tài)算法，是利用主磁棒指向傳感器時傳感器測得的主磁棒磁場強(qiáng)度最大的特點(diǎn)進(jìn)行搜索定位。當(dāng)主磁棒鎖定傳感器后，對此時的主磁棒磁場強(qiáng)度進(jìn)行一維磁場標(biāo)定，計算傳感器的空間位置。然后，依據(jù)當(dāng)主磁棒指向傳感器時傳感器處的主磁棒磁場方向沿著主磁棒軸線方向、同時副磁棒的磁場方向與副磁棒軸線方向相反的原理，將傳感器測得的主、副磁棒磁感強(qiáng)度矢量分別旋轉(zhuǎn)至主磁棒為X軸、副磁棒為y軸的坐標(biāo)系中，則旋轉(zhuǎn)變換后的主磁棒磁場強(qiáng)度矢量在相應(yīng)的y軸和ζ軸方向的分量趨近于零，旋轉(zhuǎn)變換后的副磁棒磁場強(qiáng)度矢量在相應(yīng)的χ 軸和ζ軸方向的分量也趨近于零。列方程計算傳感器的空間姿態(tài)。由此實現(xiàn)傳感器六自由度的電磁跟蹤。該方法具有不依賴磁場模型和非迭代的特點(diǎn)。本發(fā)明可靠性好、計算復(fù)雜度低，可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的導(dǎo)航，亦可運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實、三維超聲成像等領(lǐng)域。


圖1為按照本發(fā)明的實施例的裝置部分的視圖。圖2為圖1中的裝置的細(xì)節(jié)框圖。圖3為本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)工作流程框圖。圖4為本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)搜索策略框圖。圖5為本發(fā)明的實施例的待測物體位置算法示意圖。圖6為本發(fā)明的實施例的待測物體姿態(tài)算法涉及的坐標(biāo)系的示意圖。圖7為本發(fā)明的實施例的待測物體姿態(tài)算法的流程圖。圖中標(biāo)號1為電磁跟蹤系統(tǒng)，2為三軸磁場傳感器裝置，3為正交三軸線圈裝置，4 為控制處理顯示裝置。5、6、7分別為傳感器裝置的三軸分量傳感器，8為數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，9、 10、11分別為正交三軸線圈裝置3的三組電磁鐵線圈，12、13、14分別為三組電磁鐵線圈線圈9、10、11的控制驅(qū)動電路，15為脈沖直流控制模塊，16為采樣處理模塊，17為控制處理顯示裝置4的控制單元，18為算法單元，19為顯示輸出單元；20為場強(qiáng)數(shù)據(jù)流，21為主磁棒指向數(shù)據(jù)流，22為初始化過程模塊，23為搜索過程模塊，24為計算過程模塊，25為初始搜索過程模塊，26為實時跟蹤過程模塊，27為位置計算過程模塊，28為姿態(tài)計算過程模塊，29為執(zhí)行顯示輸出過程模塊。
具體實施例方式圖1所示為根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的電磁跟蹤系統(tǒng)1。電磁跟蹤系統(tǒng)1包括三個部分 三軸磁場傳感器裝置2、正交三軸線圈裝置3、控制處理顯示裝置4。傳感器裝置2附著于待跟蹤物體。正交三軸線圈裝置3固定于參考坐標(biāo)系，且三個正交線圈軸線方向分別與參考坐標(biāo)系X軸、Y軸、Z軸一致，正交三軸線圈中心與參考坐標(biāo)系原點(diǎn)重合?？刂铺幚盹@示裝置 4輸出直流脈沖電流，激勵正交三軸線圈，模擬空間任意方向的主、副磁棒，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(xiàn)磁棒的旋轉(zhuǎn)。各部分的分解框圖如圖2所示。傳感器裝置2包括三軸分量傳感器5、6和7，分別用來檢測三個正交方向X’、Y’和Z’的磁場。傳感器選用三軸磁阻傳感器。傳感器輸出經(jīng)后續(xù)的信號調(diào)理和模擬-數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換模塊8送入控制處理顯示裝置4。正交三軸線圈裝置3 —般由三組電磁鐵線圈9、10和11組成，線圈分別由電路 12、13和14控制驅(qū)動。要求三組線圈幾何中心重合，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(qiáng)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，長10cm，直徑Icm的電磁鐵，線圈匝數(shù)100匝。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?？刂铺幚盹@示裝置4由控制單元17、算法單元18、顯示輸出單元19組成?？刂茊卧?7包括兩個部分。脈沖直流控制15提供對三軸正交線圈9、10和11的激勵控制，磁棒激勵采用脈沖直流方式，每周期分三個時間段，前兩個時間段分別激勵三軸正交線圈9、10 和11合成主磁棒和副磁棒，第三個時間段三軸正交線圈均不激勵。將主、副磁棒合成激勵時測得的磁場與第三時間段測得的磁場相減作為對應(yīng)磁棒在傳感器位置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。 這種脈沖直流的激勵方式有利于消除環(huán)境金屬物質(zhì)造成的渦流干擾，并抵消地磁場和環(huán)境鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的背景磁場干擾。對于本發(fā)明而言，采用脈沖直流方式意義更在于可以保證每個時刻只有一根磁棒同時激勵，從而能夠順利地實現(xiàn)場強(qiáng)的峰值搜索。假設(shè)沿著參考坐標(biāo)系X軸正方向為合成的主磁棒的初始方向，y軸正方向為合成的副磁棒的初始方向。在脈沖直流激勵周期的第一個時間段，為合成大小為1安培電流激勵的、在初始方向上旋轉(zhuǎn)水平角度α、垂直角度β 后的主磁棒，須在X軸發(fā)射線圈9上給予sin α COS β安培的激勵電流，在y軸發(fā)射線圈10 上給予cosacosii安培大小的激勵電流，在ζ軸發(fā)射線圈11上給予sini3安培的激勵電流。在脈沖直流激勵周期的第二個時間段，須在χ軸發(fā)射線圈9上給予sin (α+90° )安培的激勵電流，在y軸發(fā)射線圈10上給予cos (α+90° )安培大小的激勵電流，在ζ軸發(fā)射線圈11上給予0安培的激勵電流，用于合成與在初始方向上旋轉(zhuǎn)水平角度α、垂直角度β 后的主磁棒相正交的副磁棒。改變水平角度α的大小、保持垂直角度β不變，即可實現(xiàn)正交磁棒組在水平面的旋轉(zhuǎn)；改變垂直角度β的大小、保持水平角度α不變，即可實現(xiàn)正交磁棒組的主磁棒在垂直面的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)空間或半空間任意位置的指向。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)搜索策略根據(jù)當(dāng)前時刻測得的磁場強(qiáng)度與之前時刻測得的磁場強(qiáng)度的關(guān)系，決定增加或減小一個搜索步長的水平角度α或垂直角度β，搜索步長采用自適應(yīng)步長，控制主磁棒以最佳的方式搜索到傳感器。采樣處理部分16在脈沖直流控制部分15 的同步下，采樣每個時間段的磁場，并作差獲得每個磁棒在當(dāng)前周期內(nèi)的傳感器位置的磁場強(qiáng)度。搜索完成后，控制部分17獲得完成時的主副磁棒各自激勵時的場強(qiáng)數(shù)據(jù)20和主磁棒指向數(shù)據(jù)21 (即水平角度α、垂直角度β)，算法單元18利用這些數(shù)據(jù)，依據(jù)后文的算法計算出傳感器的空間位置和空間姿態(tài)，送顯示輸出單元19顯示。圖3所示為系統(tǒng)的工作流程。開機(jī)后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化。初始化過程22包括水平角度α和垂直角度β的清零以及系統(tǒng)一些基本參數(shù)的設(shè)定等。整個系統(tǒng)工作過程可分為搜索過程23和計算過程Μ。搜索過程包括初始搜索過程25和實時跟蹤過程沈。系統(tǒng)開始工作時進(jìn)行初始搜索，即從主磁棒的初始指向開始搜索。初始搜索時，由于主磁棒的初始指向離傳感器實際指向距離不確定，故搜索可能耗時較長。當(dāng)完成初始搜索后，系統(tǒng)進(jìn)入實時跟蹤過程26，由于短時間內(nèi)傳感器運(yùn)動距離有限，故主磁棒當(dāng)前指向距離傳感器實際指向較近，可以在有限步數(shù)內(nèi)完成跟蹤，保證跟蹤的實時性。無論在初始搜索過程還是實時跟蹤過程，當(dāng)主磁棒鎖定傳感器后，系統(tǒng)即進(jìn)入計算過程24。計算過程M包括位置計算過程27和姿態(tài)計算過程28，二者依次進(jìn)行，分別計算傳感器三自由度的位置和三自由度的姿態(tài)，其中姿態(tài)計算算法是依賴于位置計算結(jié)果的。每次計算完成時，執(zhí)行顯示輸出過程四， 實時更新跟蹤結(jié)果。圖4所示是搜索策略的框圖。如前所述，搜索可分為初始搜索和實時跟蹤兩種情況，二者在流程上的區(qū)別主要在步長確定方面。這里的步長指的是單位時間里合成磁棒旋轉(zhuǎn)的角度，步長決定了磁棒指向的角度分辨率，進(jìn)而影響了系統(tǒng)誤差。初始搜索由于對實時性要求較低，可采用固定步長的方法，一般設(shè)定為最短的步長。實時跟蹤時，由于隨著傳感器離正交磁棒組距離的增加，相同角度差對應(yīng)的實際距離相應(yīng)增加，若在整個區(qū)域采用一致的步長，會導(dǎo)致在較近處步數(shù)增多，跟蹤速度減慢，在較遠(yuǎn)處誤差增大。因此，我們提出在實時跟蹤過程中根據(jù)傳感器當(dāng)前位置，設(shè)定步長，步長大小隨傳感器與正交磁棒組之間距離的增大而減小。由于傳感器短時間內(nèi)運(yùn)動距離有限，所以當(dāng)前位置可以作為下一時刻位置的粗略估計，用來設(shè)定搜索步長。這種自適應(yīng)步長的跟蹤方法能夠有效的權(quán)衡系統(tǒng)的跟蹤速度和精度。這里，初始跟蹤采用的步長是0. 5°，實時跟蹤時，當(dāng)距離小于25cm時，設(shè)定步長1°，在距離大于25cm時，設(shè)定步長0.5°。每次搜索啟動時，系統(tǒng)先判定當(dāng)前搜索過程的種類，若為初始搜索階段，則設(shè)定步長為最小值(如0.5° )，否則計算當(dāng)前距離，并據(jù)此設(shè)定步長。首先在主磁棒所在的水平面內(nèi)進(jìn)行正方向搜索(增大水平角度α )，若場強(qiáng)增大，則證明搜索方向正確，否則沿反方向搜索(減小水平角度α)。搜索過程每次前進(jìn)一步，比較當(dāng)前位置與前一個位置測得場強(qiáng)的大小，若發(fā)現(xiàn)場強(qiáng)減小，則說明前一個位置為場強(qiáng)最大位置，轉(zhuǎn)回到并記錄下前一位置的水平角度α，完成主磁棒水平面內(nèi)的搜索。類似的，主磁棒垂直面內(nèi)的搜索也經(jīng)過這樣一個搜索過程，最終實現(xiàn)磁棒指向傳感器方向。圖5所示為位置算法的示意圖。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于正交磁棒組中心。已知主磁棒在傳感器位置的磁場強(qiáng)度，由于完成搜索時主磁棒總是指向傳感器，只需對磁場軸線上的磁場進(jìn)行簡單的一維標(biāo)定，即可利用測得的磁場強(qiáng)度計算距離r。式(1)表示標(biāo)量形式的磁棒軸線上磁場大小與距離的關(guān)系，η匝線圈繞成的磁棒相當(dāng)于η個偶極子環(huán)的疊加。其中Ptl 表示真空磁導(dǎo)率，μ表示偶極子的磁矩。^是每個偶極子環(huán)到傳感器的距離，與磁棒中心到傳感器的距離r的關(guān)系如式(2)所示。其中1為磁棒的長度。實際計算時可以利用有限元分析方法對磁棒軸線上的磁場分布進(jìn)行差值標(biāo)定測得距離r
權(quán)利要求
1.一種基于正交磁棒旋轉(zhuǎn)搜索的電磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于由一個傳感器裝置、一個正交三軸線圈裝置、一個控制處理顯示裝置組成；所述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；所述正交三軸線圈裝置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；該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(xiàn)磁棒軸線所在方向的改變即旋轉(zhuǎn)，來搜索傳感器裝置；所述控制處理顯示裝置由嵌入式系統(tǒng)和顯示器組成，實現(xiàn)對其他組件的控制、數(shù)據(jù)的采集和處理、跟蹤結(jié)果的顯示、輸出；其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(diào)理和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)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(jīng)后續(xù)的信號調(diào)理和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)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；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(qū)動電路12、13、 14，三組電磁鐵線圈9、10和11分別由控制驅(qū)動電路12、13和14控制驅(qū)動，三組電磁鐵線圈幾何中心重合，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；所述控制處理顯示裝置4由控制單元17、算法單元18、顯示輸出單元19組成，所述控制單元17包括兩個部分采樣處理模塊16和脈沖直流控制模塊15，采樣處理模塊16用于采樣處理來自信號調(diào)理和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊8的信號；脈沖直流控制模塊15提供對三軸正交線圈9、10和11的激勵控制；脈沖直流的激勵的每個周期分三個時間段，前兩個時間段分別激勵三軸正交線圈9、10和11合成主磁棒和副磁棒，第三個時間段三軸正交線圈均不激勵；將主、副磁棒合成激勵時測得的磁場與第三時間段的磁場相減作為對應(yīng)磁棒在傳感器位置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的電磁跟蹤系統(tǒng)的電磁跟蹤方法，其特征在于通過直流脈沖激勵方式交替激勵由正交三軸線圈裝置3模擬的兩個可旋轉(zhuǎn)的正交磁棒，分別產(chǎn)生磁場分布情況已知的電磁場；用三軸磁場傳感器裝置2測量其所在位置的磁場大小和方向，用控制處理顯示裝置4根據(jù)搜索策略進(jìn)行搜索，當(dāng)主磁棒指向傳感器時搜索完畢；此時根據(jù)磁棒旋轉(zhuǎn)的角度信息和沿主磁棒軸向的磁場強(qiáng)度標(biāo)定信息計算求得其六自由度的空間位置和空間姿態(tài)；所述的直流脈沖激勵方式為交替激勵，是將每個激勵周期分三個時間段，在脈沖直流激勵周期的第一個時間段，在χ軸發(fā)射線圈上給予sin α cos β安培的激勵電流，在y軸發(fā)射線圈上給予cos α cos β安培的激勵電流，在ζ軸發(fā)射線圈上給予sini3安培的激勵電流，以合成大小為1安培電流激勵的、從Χ軸旋轉(zhuǎn)水平角度α、垂直角度β的主磁棒；在脈沖直流激勵周期的第二個時間段，在χ軸發(fā)射線圈上給予sin (α+90° )安培的激勵電流， 在y軸發(fā)射線圈上給予cos (α+90° )安培的激勵電流，在ζ軸發(fā)射線圈上給予0安培的激勵電流，用于合成與前一時間段合成主磁棒相正交的副磁棒；在脈沖直流激勵周期的第三時間段，各軸線圈均不給予激勵電流；將各磁棒激勵時測得的磁場與第三時間段的磁場相減作為對應(yīng)磁棒在傳感器位置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度；所述的搜索策略為正交磁棒組的主磁棒在兩個正交平面內(nèi)依次旋轉(zhuǎn)，副磁棒始終與即時的主磁棒保持正交；根據(jù)磁棒指向傳感器裝置時傳感器測得的磁場強(qiáng)度最大的特性，鎖定主磁棒指向傳感器的位置；其中磁棒旋轉(zhuǎn)角度采用自適應(yīng)步長，即每次旋轉(zhuǎn)的角度根據(jù)傳感器距離正交磁棒組的距離的增大而減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁跟蹤方法，其特征在于所述電磁跟蹤的搜索策略，具體過程分為兩個階段初始搜索階段和實時跟蹤階段；系統(tǒng)開始工作時進(jìn)行初始搜索，從旋轉(zhuǎn)的初始指向出發(fā)執(zhí)行搜索；完成初始搜索后，進(jìn)入實時跟蹤階段，實時跟蹤搜索過程分兩步進(jìn)行，即正交磁棒組的主磁棒在兩個正交平面內(nèi)依次旋轉(zhuǎn)進(jìn)行搜索，在主磁棒搜索過程中，副磁棒始終與即時的主磁棒保持正交；這樣經(jīng)過兩次搜索，當(dāng)主磁棒指向傳感器時，停止搜索，實現(xiàn)對傳感器位置的鎖定；其中，主磁棒在每個平面上開始搜索時，先向一個方向試探，若場強(qiáng)增大，則表示試探方向正確，否則反向搜索；找到正確方向后，沿該方向一步步搜索，直至場強(qiáng)減小，則主磁棒的前一個搜索位置即為當(dāng)前搜索平面里的最大場強(qiáng)方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁跟蹤方法，其特征在于在所述初始搜索時采用固定步長；實時跟蹤時，根據(jù)傳感器當(dāng)前位置設(shè)定步長，步長大小隨傳感器與正交磁棒組之間距離的增大而減小，并且以當(dāng)前位置作為下一時刻位置的粗略估計，來設(shè)定搜索步長。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁跟蹤方法，其特征在于所述的求空間位置的算法如下 根據(jù)主磁棒在兩正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度α、β和采用一維磁場標(biāo)定求得的傳感器與磁棒之間的距離r，傳感器三自由度的空間位置為:x =r cos α cos β，y =r sin α cos β , ζ =r sin β ο
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁跟蹤方法，其特征在于所述的求空間姿態(tài)的算法如下采用非迭代算法，將在傳感器坐標(biāo)系F3測得的主、副磁棒磁場強(qiáng)度， 旋轉(zhuǎn)變換到當(dāng)前正交磁棒坐標(biāo)系F2,主磁棒y軸、ζ軸上的磁場強(qiáng)度分量為0， A =為=[|4|，0，0f ,副磁棒χ軸、ζ軸上的磁場強(qiáng)度分量為0,耳=Λ=[0，|冉||，0f ,從而求得旋轉(zhuǎn)矩陣A32，又已知原始坐標(biāo)系F1經(jīng)過水平旋轉(zhuǎn)α、垂直旋轉(zhuǎn)β后得到當(dāng)前正交磁棒坐標(biāo)系F2,得旋轉(zhuǎn)矩陣A12，從而根據(jù)43 =(為2廣42的關(guān)系，計算傳感器三自由度的空間姿態(tài)A13，所有旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換成歐拉角的形式求解；其中，B1是傳感器在主磁棒激勵時測得的坐標(biāo)系 F3卜的場強(qiáng)’ Β'ι是將爲(wèi)旋轉(zhuǎn)到坐標(biāo)系ρ后得到場強(qiáng)，B2是傳感器在副磁棒激勵時測得的坐標(biāo)系罵下的場強(qiáng)，K是馬旋轉(zhuǎn)到坐標(biāo)芊W下的場強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于正交磁棒旋轉(zhuǎn)搜索的電磁跟蹤系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的系統(tǒng)，由三軸磁場傳感器裝置、可以模擬空間任意指向的正交三軸線圈裝置和控制處理顯示裝置組成。本發(fā)明采用直流脈沖交替激勵兩個正交磁棒，依據(jù)磁棒軸線上磁場強(qiáng)度最大且方向沿著軸線的原理，旋轉(zhuǎn)正交磁棒組進(jìn)行搜索，使三軸磁場傳感器測得的主磁棒的磁場強(qiáng)度最大，此時主磁棒指向傳感器，進(jìn)一步通過一維磁場標(biāo)定和非迭代算法，計算傳感器的位置和姿態(tài)。本發(fā)明的搜索策略采用自適應(yīng)步長先后在主磁棒所在的兩個正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)搜索，可快速跟蹤傳感器位置和方向。本發(fā)明可靠性好、計算復(fù)雜度低，可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的導(dǎo)航，亦可運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實、三維超聲成像等領(lǐng)域。
文檔編號G01V3/00GK102426392SQ20111026889
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者丁寧, 余建國, 方祖祥, 王一楓, 葛鑫, 鄔小玫 申請人:復(fù)旦大學(xué)