一种复合频率交变磁场发生装置的制作方法

本发明涉及电磁技术领域，尤其涉及一种复合频率交变磁场发生装置。

背景技术：

随着人们对医疗手术精准化、安全性、可视化等要求的不断提高，医疗手术导航在神经外科、脊柱外科、心内科、腹腔镜疗法、内窥镜疗法等方面得到越来越广泛的应用。

医疗手术导航是指将病人术前或术中的医学影像数据和病人生理结构准确对应，实时跟踪病人体内医疗器械的位置并在医学影像上三维直观显示。传统的手术导航采用X射线成像方式，该方式只能提供介入器械的二维位置信息，对手术医生的经验要求很高，且会给人体带来较大的辐射伤害，故已逐渐被淘汰。相比之下，电磁跟踪技术具有精度高、可5自由度或6自由度跟踪、无视线遮挡问题、对人体辐射伤害等优势，已成为医疗手术导航领域定位跟踪的主流技术。

脉冲直流电磁跟踪利用脉冲电流激励脉冲磁场，在电流的平稳阶段进行磁场测量。该方式能显著降低金属体涡流对跟踪性能的影响；但其跟踪性能易受交流干扰磁场的影响，且接收器体积相对较大。对于医疗手术导航而言，电磁跟踪器的接收器需要和医疗导管集成使用，因此对接收器的结构尺寸有很强的约束，只能采用感应线圈作为接收器。

目前交流电磁跟踪普遍采用时分复用磁场发生体制，该方式接收器采用感应式线圈，能做到较小的体积；但时分复用的磁场发生体制，必须对所有分时产生磁场进行感应后，才能进行数据输出，造成输出的数据率不高问题，定位跟踪慢。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种复合频率交变磁场发生装置，解决了磁场频率精度不够，数据输出率不高，定位跟踪慢的问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种复合频率交变磁场发生装置，包括三轴正交磁场发射天线组、激励电流发生电路组和磁场频率功率控制单元；

所述三轴正交磁场发射天线组由3个三轴正交磁场发射天线组成，每个三轴正交磁场发射天线包括三组发射线圈；所述三轴正交磁场发射天线组的共有3*3个发射线圈；

所述三轴正交磁场发射天线组的每个发射线圈受到所述激励电流发生电路组的电流激励后，产生偶极子磁场；3*3个发射线圈产生的磁场在空间点上矢量叠加，在空间上产生了一个复合频率的磁场；

所述激励电流发生电路组由9个的激励电流发生电路组成，每个激励电流发生电路与三轴正交磁场发射天线组中的一个发射线圈连接，为发射线圈产生磁场提供交流正弦激励电流；

所述磁场频率功率控制单元与激励电流发生电路组连接，根据上位机的指令，产生频率控制信号和功率控制信号，对激励电流发生电路组中的每个激励电流发生电路产生的激励电流的频率和功率进行控制，进而对产生的复合频率的磁场进行控制。

进一步地，每个三轴正交磁场发射天线结构相同，包括三组发射线圈和线圈骨架；

所述线圈骨架的结构满足能够使三个发射线圈两两正交同心的固定缠绕在其外表面上；所述线圈骨架采用耐高温非金属材料制成。

进一步地，所述非金属材料的耐高温值不低于300℃。

进一步地，所述线圈骨架外廓结构尺寸为58mm×58mm×58mm的正方体，漆包线线径选择为0.6mm；在所述正方体的外表面上开有固定三个发射线圈的线槽，线槽的深度以三个发射线圈缠绕后，三轴正交磁场发射天线的外表平整为准。

进一步地，所述激励电流发生电路包括DDS模块、高阶低通滤波模块、可编程增益放大模块、功率放大模块和串联谐振电容网络；

所述DDS模块在所述磁场频率功率控制单元输出的频率控制信号的控制下，输出频率为10～14kHz的激励信号到高阶低通滤波模块；

所述高阶低通滤波模块滤除所述DDS模块产生的激励信号中的高次谐波，输出平滑后的激励信号；

所述可编程增益放大模块对所述高阶低通滤波模块输出的平滑后的激励信号进行放大；

所述功率放大模块将可编程增益放大模块输出信号进行功率放大，输出驱动激励信号到串联谐振电容网络；

所述串联谐振电容网络与发射线圈组成串联谐振回路，在驱动激励信号的驱动下发射线圈将产生的偶极子磁场发射出去。

进一步地，所述DDS模块为具有32位频率调节字的AD9951，输出频率最小分辨率为0.0046566Hz；

所述高阶低通滤波模块为10阶线性相位开关电容低通滤波器 LTC1569-6，截止频率设置为16KHz；

所述可编程增益放大模块为由低噪声放大器OP184和数控电位计 AD5292组成的反向比例放大电路；

所述功率放大模块为由OPA549组成的固定增益反相比例放大电路；

所述串联谐振电容网络由若干电容值为pF至nF级别，耐压能力为 600V以上的COG等级陶瓷电容器并联组成。

进一步地，所述数控电位计以串联形式接入放大电路反馈回路中，在所述功率控制信号的控制下，对数控电位计的1024个档位进行调节，实现对平滑后的激励信号连续增益放大调节。

进一步地，所述磁场频率功率控制单元通过分别设置每个DDS模块中频率调节字，控制每个激励电流发生电路产生激励信号的频率；通过分别设置每个可编程增益放大模块中数控电位计的档位，控制每个激励电流发生电路产生激励信号的增益。

进一步地，每个DDS模块中频率调节字设置为不同；每个数控电位计的档位设置为相同档位。

进一步地，所述3个三轴正交磁场发射天线，在空间呈“品”字形分布。

本发明的有益效果是：

复合频率交变磁场发生装置可在空间持续形成多频率交变的复合磁场；所产生复合磁场的频率准确可连续调节，磁场的强度可按照要求调节；可满足定位跟踪数据输出率的要求，实现快速定位跟踪。

附图说明

图1－一种复合频率交变磁场发生装置的组成示意图；

图2－三轴正交磁场发射天线的结构示意图；

图3－激励电流发生电路机构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种复合频率交变磁场发生装置，如图1所示，包括三轴正交磁场发射天线组、激励电流发生电路组和磁场频率功率控制单元

所述三轴正交磁场发射天线组与激励电流发生电路组连接，受到激励电流发生电路组电流激励后，产生交变的复合频率磁场；

所述三轴正交磁场发射天线组的3*3个发射线圈产生的偶极子磁场在空间点上矢量叠加，产生了一个在空间上复合频率的磁场；

所述三轴正交磁场发射天线组由三个三轴正交磁场发射天线组成，在空间呈“品”字形分布；

每个三轴正交磁场发射天线结构相同，如图2所示，包括三组发射线圈Tx、Ty、Tz和线圈骨架；

所述线圈骨架的结构满足能够使三个发射线圈Tx、Ty、Tz两两正交同心的固定缠绕在线圈骨架外表面上；

所述线圈骨架采用耐高温非金属材料制成，所述非金属材料的耐高温值不低于300℃；

所述三个发射线圈Tx、Ty、Tz由铜质漆包线绕制,每个线圈由独立的激励电流发生电路进行激励，产生各自的偶极子磁场；

特殊的，所述三轴正交磁场发射天线的线圈骨架结构尺寸、发射线圈线径和绕制匝数是根据所需要产生的磁场强度，依据毕奥-沙伐尔定律计算得出。

本实施例中，线圈骨架外廓结构尺寸为58mm×58mm×58mm的正方体，漆包线线径选择为0.6mm；在所述正方体的外表面上开有固定三个发射线圈的线槽，线槽的深度以三个发射线圈缠绕后，三轴正交磁场发射天线的外表平整。

所述激励电流发生电路组由9个的激励电流发生电路组成，每个激励电流发生电路与三轴正交磁场发射天线组中的一个发射线圈连接，为发射线圈产生磁场提供交流正弦激励电流；

所述每个激励电流发生电路，如图3所示，包括DDS模块、高阶低通滤波模块、可编程增益放大模块、功率放大模块和串联谐振电容网络；

所述DDS模块在所述磁场频率功率控制单元输出的激励控制信号的控制下，输出频率为10～14kHz的激励信号到高阶低通滤波模块；所述DDS 模块为具有32位频率调节字的AD9951，输出频率最小分辨率为 0.0046566Hz；

所述高阶低通滤波模块滤除所述DDS模块产生的激励信号中的高次谐波，输出平滑后的激励信号；所述高阶低通滤波模块为10阶线性相位开关电容低通滤波器LTC1569-6，截止频率设置为16KHz；

所述可编程增益放大模块对所述高阶低通滤波模块输出的平滑后的激励信号进行放大，所述可编程增益放大模块在所述磁场频率功率控制单元输出的功率控制信号的控制下，实现增益调节；所述可编程增益放大模块为由低噪声放大器OP184和数控电位计AD5292组成的反向比例放大电路；所述数控电位计以串联形式接入放大电路反馈回路中，在所述功率控制信号的控制下，实现对数控电位计1024档位调节，进而实现对激励信号1024档位连续增益放大调节；

所述功率放大模块为由OPA549组成的固定增益反相比例放大电路；所述功率放大模块将可编程增益放大模块输出信号进行功率放大，驱动激励信号到由串联谐振电容网络；所述功率放大模块为发射线圈提供最大峰值为1A的交变驱动激励电流；

所述串联谐振电容网络和所述串联谐振电容网络由若干电容值为pF 至nF级别，耐压能力为600V以上的COG等级陶瓷电容器并联组成，与发射线圈组成的串联谐振回路；

所述串联谐振电容网络的电容值其中，f为谐振频率；L 为谐振频率条件下，发射天线线圈电感量。

所述磁场频率功率控制单元与激励电流发生电路组连接，根据上位机的频率控制指令和功率控制指令，对激励电流发生电路组中的每一个激励电流发生电路的频率和功率进行控制；

具体的，通过分别设置每个DDS模块中频率寄存器的频率控制字，使每个DDS模块产生频率值不同的激励信号；

通过分别设置每个可编程增益放大模块中数控电位的档位，控制每个激励电流发生电路产生激励信号的增益；将每个数控电位的档位设置为相同档位，使每个激励电流发生电路产生激励信号的增益相同。

因此整体来看，本实施例的复合频率交变磁场发生装置，可在空间持续形成多频率交变的复合磁场；所产生复合磁场的频率准确可连续调节，磁场的强度可按照要求调节；可满足定位跟踪数据输出率的要求，实现快速定位跟踪。

上述具体实施方案仅用于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求的保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明技术方案的基础上做任何简单的变形和替换而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。