[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

摘要

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体为一种基于正交磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统及方法。本发明的系统，由三轴磁场传感器装置、可以模拟空间任意指向的正交三轴线圈装置和控制处理显示装置组成。本发明采用直流脉冲交替激励两个正交磁棒，依据磁棒轴线上磁场强度最大且方向沿着轴线的原理，旋转正交磁棒组进行搜索，使三轴磁场传感器测得的主磁棒的磁场强度最大，此时主磁棒指向传感器，进一步通过一维磁场标定和非迭代算法，计算传感器的位置和姿态。本发明的搜索策略采用自适应步长先后在主磁棒所在的两个正交平面内旋转搜索，可快速跟踪传感器位置和方向。本发明可靠性好、计算复杂度低，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。

主权项

一种基于正交磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统，其特征在于：由一个传感器装置、一个正交三轴线圈装置、一个控制处理显示装置组成；所述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；所述正交三轴线圈装置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；该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旋转，来搜索传感器装置；所述控制处理显示装置由嵌入式系统和显示器组成，实现对其他组件的控制、数据的采集和处理、跟踪结果的显示、输出；其中：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，其输出经后续的信号调理和模拟‑数字转换模块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；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、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，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；所述控制处理显示装置4由控制单元17、算法单元18、显示输出单元19组成，所述控制单元17包括两个部分：采样处理模块16和脉冲直流控制模块15，采样处理模块16用于采样处理来自信号调理和模拟‑数字转换模块8的信号；脉冲直流控制模块15提供对三轴正交线圈9、10和11的激励控制；脉冲直流的激励的每个周期分三个时间段，前两个时间段分别激励三轴正交线圈9、10和11合成主磁棒和副磁棒，第三个时间段三轴正交线圈均不激励；将主、副磁棒合成激励时测得的磁场与第三时间段的磁场相减作为对应磁棒在传感器位置产生的磁场强度。