[发明专利]一种基于正交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空间位置和空间姿态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。传感器通常附着在待定位的物体上，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之间的关系列方程组，采用某种最优化算法，可以迭代地解出待测物体的空间位置和姿态。

现有电磁跟踪方法大都依据某种磁场理论分布模型。目前采用最广泛的无限远偶极子模型，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，一些研究人员提出了一些改进的磁场模型。但是，这些改进的磁场模型与真实的磁场分布仍然存在区别。这是由于磁场源体积的存在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理论模型。这一差异性严重地制约了电磁跟踪的性能和精度。现有的方法一般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，通过测量一部分真实位置，寻找测量位置和真实位置的映射关系。这种校准在一定程度上缓解模型与真实磁场差异造成的误差，但费时费力，往往在设备重新布置时需要重新进行，而且无法从根本上解决问题。

现有电磁跟踪方法大多采用迭代的算法。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，进而降低了其可靠性。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系统和方法。

本发明提出的电磁跟踪系统，由三部分构成：一个三轴磁场传感器装置、一个可以模拟空间任意指向的正交三轴线圈装置、一个控制处理显示装置。传感器装置附着于待跟踪物体，用于测量三个正交方向的磁场，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。正交三轴线圈由控制处理显示装置提供直流脉冲激励，用以模拟轴线所在方向为空间任意方向的两个正交的磁棒；通过同时改变输出到正交线圈三轴上的直流脉冲电流大小，实现磁棒轴线所在方向的改变，即磁棒的旋转。磁棒旋转依据下文所述的搜索策略，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姿态算法，计算传感器六自由度的位置和姿态。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。控制处理显示装置一般由嵌入式系统（或其它微处理器）和显示器组成，其功能是实现其他组件的控制、数据的采集和处理、跟踪结果的显示输出等工作。其结构如图2所示。 

本发明中，所述三轴磁场传感器装置2包括三轴分量传感器5、6、7，和一个信号调理和模拟-数字（AD）转换模块8，三轴分量传感器5、6、7分别用来检测三个正交方向X’、Y’和Z’的磁场，其输出经后续信号调理和模拟-数字（AD）转换模块8送入控制处理显示装置4，由控制处理显示装置4中的采样处理模块16采样处理。

本发明中，所述正交三轴线圈装置3包括：三组电磁铁线圈9、10、11,和3个控制驱动电路12、13和14，三组电磁铁线圈9、10和11分别由控制驱动电路12、13和14控制驱动。三组电磁铁线圈几何中心重合，且为保证三轴线圈合成的电磁铁线圈在相同距离情况下轴线上磁场强度最大，且该处磁场方向沿着轴线，这里三轴线圈均为简单的棒状电磁体。另外，电磁铁采用脉冲直流的激励方式，由控制处理显示装置4控制脉冲直流的激励。