采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法及实现系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于电磁跟踪【技术领域】，具体为一种采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法及实现系统。本发明方法包括：由三轴磁传感器采集一组在磁场源扫描过程中产生的磁感应强度；对采集到的这组磁感应强度值进行滤波及插值等预处理；对经过预处理的数据做基于最小二乘法的余弦函数曲线拟合；最后确定拟合曲线的最大值以及这个最大值对应的磁场源的旋转角度。本发明可用于电磁跟踪系统，该类电磁跟踪系统通常还包括可旋转的磁场源的单元、三轴磁传感器单元以及控制处理单元。本发明采用余弦函数曲线拟合方法准确检测磁感应强度最大值位置，可以提高旋转磁场指向磁传感器的精确度，进而提升电磁跟踪系统的定位精度。
【专利说明】采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法及实现系统
【技术领域】
[0001]本发明属于电磁跟踪【技术领域】，具体涉及一种电磁跟踪系统的磁感应强度最大值测量的优化方法及其实现系统。
【背景技术】
[0002]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跟踪目标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(增强)现实、三维超声成像等领域。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。通过磁场源在固定位置产生磁场，然后利用附着在跟踪目标上的传感器测得的磁感应强度数据，求解出跟踪目标的空间位置和姿态。
[0003]基于磁场旋转的电磁跟踪方法是通过磁传感器捕捉磁感应强度最大值，确定旋转磁场源(由电磁线圈构成)产生的磁感应强度最大值指向固定在跟踪目标上的磁传感器，从而计算出跟踪目标相对于磁场源的位置和姿态。因此，如果采用两个相对距离已知的磁场源，进行交替激励地旋转搜索，并使它们产生的磁感应强度最大值最终指向磁传感器，即可以获取跟踪目标与两个磁场源之间的几何关系，非迭代地计算出跟踪目标六自由度的位置和姿态。相比迭代的位置和姿态算法，非迭代算法计算速度快、运算简单、性能稳定、对硬件配置要求低，可以克服迭代算法需要依赖无限远偶极子模型、计算复杂度高、易发散、存在局部极值点等的问题。
[0004]然而，对于上述基于旋转磁场的电磁跟踪系统，由于旋转角度(或者说磁传感器采样)的非连续性和磁场畸变的影响，很难实现磁感应强度最大值精确指向传感器。角度的非精确性将会导致基于角度进行计算的位置精度下降，并进一步降低姿态精度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种能够提高基于旋转磁场源电磁跟踪系统的定位精度的测量磁感应强度最大值的方法及实现系统。
[0006]本发明涉及的旋转磁场源电磁跟踪系统，其组成包括磁场源单元、三轴磁传感器单元和控制处理单元三部分。其中磁场源单元可以通过旋转扫描实现磁感应强度最大值的任意指向；这种旋转可以通过机械系统或电子系统实现。三轴磁传感器单元包括三轴磁传感器、信号调理电路和模数转换电路；其中三轴磁传感器可以采集三个正交方向的磁感应强度值并通过矢量合成的方式获得磁传感器所在位置的磁感应强度的大小和方向；信号调理电路对三轴磁传感器的输出信号进行放大、滤波等处理；模数转换电路则将信号调理电路输出的模拟信号转换成数字信号，并送入控制处理单元进行进一步的处理。控制处理单元一方面控制磁场源的旋转扫描并为组成磁场源的电磁线圈提供合适的激励电流；另一方面，对三轴磁传感器单元采集到的数据进行处理并进行曲线拟合。[0007]本发明提出的采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法，具体步骤如下: 首先，进行数据采集，磁传感器采集磁场源旋转(称为扫描，其范围根据跟踪目标可能出现的范围确定，最大不超过360° )过程中产生的磁感应强度数据；
然后，对采集到的数据进行预处理，预处理包括低通滤波和插值；
然后，对经过预处理的数据做基于最小二乘法的余弦函数曲线拟合；即用基于最小二乘法估算余弦函数的四个参数；求出拟合曲线的最大值(即这组磁感应强度数据的最大值);
最后，求出拟合曲线的最大值(即这组磁感应强度数据的最大值)，以及该最大值所对应的磁场源旋转角度。
[0008]本发明方法可用于基于旋转磁场确定跟踪目标(磁传感器固定在跟踪目标上)六自由度位置和姿态的非迭代电磁跟踪系统。
[0009]本发明中，所述数据采集是在磁场源扫描的过程中完成。磁场源以设定的步长(指每次旋转的角度)旋转扫描，扫描范围根据跟踪目标可能出现的范围确定，最大为360°。不失一般性，假设磁场源可分别在水平和垂直平面中扫描，则可实现磁场源产生的磁感应强度最大值的空间任意指向。
[0010]具体来说，三轴磁传感器在磁场源每旋转一个定的角度(即步长)后采集一次其所在空间位置的三个正交方向的磁感应强度信号，该信号经模数转换(ADC)后存储；当磁场源完成一个平面的扫描，即可采集到一组磁感应强度数据。在磁场源扫描范围一定的情况下，这组数据的数据量由磁场源扫描的步长决定:步长越小，数据量越大，采集时间越长；步长越大，数据量越小，采集时间越短。
[0011]本发明中，所述的数据预处理包括滤波和插值，即为了消除采集数据中的高频干扰信号的低通滤波，以及在磁场源旋转步长较大、造成数据量不足时的线性插值。
[0012]由于采集到的一组磁感应强度数据中包含有较多干扰信号，需要通过数字滤波器减小干扰的影响。本发明设计了 22阶FIR低通滤波器，用于消除高频电磁干扰。又因为曲线拟合方法需要足够的数据才能达到较好的拟合效果，如前所述，采集数据的数量与磁场源的扫描范围及旋转步长有关；在扫描范围一定的情况下，步长越小，采集到的数据就越多；但小步长会造成数据采集的效率下降。实际系统的旋转步长可人工设定。本发明在设定的磁场源旋转步长较大时对采集到的数据进行线性插值处理。
[0013]本发明中，组成磁场源的电磁线圈产生的磁感应强度分布情况如图1所示(其中根据右手螺旋定律确定的电磁线圈轴线方向为横坐标中的90°)，所述的余弦函数曲线拟合是用一个如式(I)的余弦函数来描述图1的磁感应强度分布曲线:
【权利要求】
1.一种旋转磁场源电磁跟踪系统中采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法，所述旋转磁场源电磁跟踪系统，其组成包括磁场源单元、三轴磁传感器单元和控制处理单元三部分；其中磁场源单元通过旋转扫描实现磁感应强度最大值的任意指向；三轴磁传感器单元包括三轴磁传感器、信号调理电路和模数转换电路；其中三轴磁传感器采集三个正交方向的磁感应强度值并通过矢量合成的方式获得磁传感器所在位置的磁感应强度的大小和方向；信号调理电路对三轴磁传感器的输出信号进行放大、滤波等处理；模数转换电路则将信号调理电路输出的模拟信号转换成数字信号，并送入控制处理单元进行进一步的处理；控制处理单元一方面控制磁场源的旋转扫描并为组成磁场源的电磁线圈提供合适的激励电流；另一方面，对三轴磁传感器单元采集到的数据进行处理并进行曲线拟合； 其特征在于确定磁感应强度最大值的具体步骤如下: (一)首先，数据采集； (二)然后，对采集到的数据进行预处理，预处理包括低通滤波和插值； (三)然后，对经过预处理的数据做基于最小二乘法的余弦函数曲线拟合； (四)最后，确定拟合曲线的最大值即这组磁感应强度数据的最大值以及这个最大值对应的磁场源的旋转角度； 步骤(一)所述数据采集是在磁场源扫描的过程中完成；磁场源以设定的步长旋转扫描，扫描范围根据跟踪目标可能出现的范围确定，最大为360° ； 三轴磁传感器在磁场源每旋转一个步长后采集一次其所在空间位置的三个正交方向的磁感应强度信号，该信号经模数转换后存储；当磁场源完成一个平面的扫描，即可采集到一组磁感应强度数据； 步骤(二)所述的数据预处理，包括为了消除采集数据中的高频干扰信号的低通滤波，以及在磁场源旋转步长较大，造成数据量不足时的线性插值； 所述低通滤波采用一种22阶FIR低通滤波器，滤波器的截止频率根据磁场源产生的磁感应强度信号的频带范围确定； 所述线性插值，即在相邻两个数据之间插入一个大小为该两数据均值的数据； 步骤(三)所述的基于最小二乘法的余弦函数曲线拟合，是用如下式所示的余弦函数:
2.—种相应于权利要求1所述方法的基于旋转磁场源的电磁跟踪系统，其特征在于包括实现扫描的可旋转磁场源单元，固定在跟踪目标上用于采集所在位置的磁感应强度的三轴磁传感器单元，以及实现对磁场源旋转/激励控制、对三轴磁传感器单元采集到的数据进行预处理、余弦函数曲线拟合计算、拟合曲线的最大值计算以及这个最大值对应的磁场源的旋转角度的确定的控 制处理单元。
【文档编号】G01R33/02GK103675718SQ201310688640
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】邬小玫, 丁宁, 王一枫, 沙敏 申请人:复旦大学