[发明专利]一种基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体涉及用于电磁跟踪的方法和系统。

背景技术

电磁跟踪(Electromagnetic Tracking)，或称电磁场定位，是一种利用磁场或电磁场对物体的位置和方向进行检测和实时跟踪的方法。该方法可应用于微创手术的导航，亦可运用于虚拟现实、三维超声成像等领域。典型的电磁跟踪系统一般由磁场源(如永磁铁、电磁铁线圈)、磁场传感器、控制处理单元三部分组成。传感器通常附着待定位的物体上，磁场源位于固定参考系的某几个位置。假定磁场符合某种分布模型(如无限远偶极子模型)，利用多个或多轴的磁场源和传感器的磁场耦合，根据模型估算的磁场和实测磁场的关系列方程组，采用某种最优化算法迭代地解出待测物体的空间位置和方向。

现有电磁跟踪方法的缺点之一是大都依据某种磁场分布模型。目前采用最广泛的是无限远偶极子模型，该模型仅在磁棒直径远小于磁棒与传感器距离时有效。为了解决这一问题，研究人员提出了一些改进的磁场模型，但是，磁场模型与真实的磁场分布仍然不可避免地存在区别。由于磁场源体积做不到无穷小以及磁场源线圈绕制或形状等因素不理想，磁场源产生的磁场分布无法严格符合设定的磁场模型。这一差异性严重地制约了电磁跟踪的性能和精度。现有的方法通常采用后期校准来修正这一问题，校准采用三维空间的插值实现，测量一部分真实位置，再寻找测量位置和真实位置的映射关系。校准能够在一定程度上减小模型与真实磁场差异造成的误差，但校准过程费时费力，往往在设备重新布置时需都要要进行，更关键的是无法从根本上解决问题。

现有电磁跟踪方法的另一个缺点是一般采用迭代的算法。迭代算法对磁场源和传感器之间的耦合关系要求比较简单。但是迭代的算法具有计算复杂度高、易发散、存在局部极值点等问题。这些问题极大地提高了电磁跟踪算法的复杂性，而降低了其可靠性。采用非迭代的算法，能够较大地提高电磁跟踪系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可靠性好、计算复杂度低的电磁跟踪方法和系统。

本发明提出的电磁跟踪方法，是一种新颖的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪方法。本方法根据磁棒指向传感器时传感器测得的磁场强度最大的特性，采用双磁棒跟踪传感器进行搜索定位，应用几何算法计算得到传感器的空间位置；并进一步依据磁棒指向传感器时传感器测出的磁场方向沿着磁棒轴线方向的原理，应用几何算法计算得到传感器的空间姿态。

本方法的特点之一在于利用磁棒旋转搜索传感器，采用几何算法确定传感器的空间位置和空间姿态，而不依赖于某种假定的磁场模型。本方法的特点之二在于采用非迭代的算法，可以快速有效地实现对传感器位置和方向的跟踪。本方法的特点还包括采用脉冲直流磁场，可实现六自由度的电磁跟踪等。

本发明提出用于双磁棒搜索电磁跟踪的搜索策略。该搜索策略具有自适应调整步长的特点，能够保证磁棒迅速有效地搜索到传感器，从而实现优化的跟踪速度和跟踪范围。

本发明提出用于双磁棒搜索电磁跟踪的待测物体位置和方向算法。该方法利用两磁棒指向传感器时三者的几何关系确定传感器的位置，利用指向时传感器位置的磁场方向沿磁棒轴线方向确定传感器的方向。方法具有纯几何和非迭代的特点。

当磁棒以固定中心在空间旋转时，空间某处的传感器检测到的磁场强度在磁棒指向传感器时达到最大。本发明利用这一原理，采用两个磁棒在空间旋转搜索传感器，以计算传感器的空间位置。进一步，当磁棒指向传感器时，该处磁场的空间指向是沿着磁棒轴线的，本发明据此计算传感器的空间姿态。这样，可以通过两根磁棒旋转搜索实现对传感器的六自由度电磁跟踪。

本发明提出的电磁跟踪系统，由传感器、磁场源、旋转控制装置和控制处理显示装置组成。传感器附着于待跟踪物体。旋转控制装置控制磁棒旋转指向空间或半空间任意方向。磁棒旋转依据下文所述的旋转策略，旋转搜索传感器，当磁棒锁定传感器时，依据下文所述的位置和方向算法，计算传感器六自由度的位置和方向。控制处理显示装置一般采用一台pc机或服务器，对其他组件(如传感器、磁场源、旋转控制装置等)进行控制，并进行数据的采集和处理、跟踪结果的显示输出等。

磁棒采用脉冲直流的激励方式，这有利于消除环境金属物质造成的涡流干扰，并抵消地磁场和环境铁磁性物质产生的背景磁场干扰。对于本发明而言，其意义更在于可以保证每个时刻只有一根磁棒被激励，从而能够顺利地实现场强的峰值搜索并确定磁场方向。传感器可以采用磁阻传感器、霍尔效应传感器或磁通门传感器等。传感器的选择依据测量范围和精度的要求进行。