基于最大磁感应强度矢量旋转角快速测定的电磁跟踪系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电磁跟踪技术领域，具体涉及一种通过单次激励磁场源线圈快速测定 最大磁感应强度矢量旋转角，进而对作为跟踪目标的磁场传感器进行定位的电磁跟踪系统 及方法。
【背景技术】
[0002] 电磁跟踪是一种利用磁场源与磁场传感器之间的磁场耦合关系，获得跟踪目标空 间位置的方法，在微创手术导航中具有广泛的应用前景，成为目标跟踪领域的研宄热点。相 较于其他跟踪方式，电磁跟踪具有无损伤、无辐射、无遮挡问题、操作简便、定位准确、等优 点；但同时存在依赖理论磁场模型、迭代算法复杂、易受干扰等问题。针对传统磁跟踪方 法存在的问题，本研宄组提出了一种基于最大磁感应强度矢量旋转角检测的电磁跟踪方法 (发明专利号：ZL 2010 1 0179332. 2)，该方法不依赖于磁场理论模型、采用非迭代的几何 算法实现定位。与传统磁跟踪方法相比，该方法的算法简洁有效、运算速度快。
[0003] 这种电磁跟踪方法可以通过搜索最大磁感应强度实现。在搜索的过程中，根据通 电螺线管产生的磁感应强度最大值沿轴线方向的原理，通过步进电机控制处于不同位置的 两个螺线管旋转，当两个通电螺线管轴线指向传感器时，传感器可以分别检测到最大磁感 应强度，然后根据两个螺线管之间的距离（已知）及螺线管由初始位置到指向传感器的旋转 角，通过几何方法可以计算出传感器的空间位置。
[0004] 这种通过搜索最大磁感应强度实现的电磁跟踪方法可以实现高精度的定位和跟 踪。但其定位速度受到步进电机带动螺线管旋转速度的限制，系统的实时性较差；并且搜索 过程只能在步进电机有限的旋转平面中进行，搜索灵活性较差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种跟踪实时性高、灵活性强的电磁跟踪方法和系统。
[0006] 本发明提出的电磁跟踪方法，是一种通过快速测定最大磁感应强度矢量旋转角实 现的电磁跟踪方法。本发明设计了一种由三个缠绕在软磁铁氧体磁芯上的、中心点重合且 相互正交的线圈组成的磁场源模型，根据单线圈磁感应强度最大值方向为其轴线方向、三 轴合成的总磁感应强度最大值由单轴最大值合成以及线圈激励电流强度和线圈所产生的 磁感应强度之间存在线性关系的特性，采用相同强度电流激励的线圈所产生的磁感应强度 乘以不同的电流系数来代替不同强度电流激励的线圈所产生的磁感应强度，快速求解最大 磁感应强度矢量旋转角，即合成的总磁感应强度指向磁场传感器时的旋转角，从而对跟踪 目标(磁场传感器）进行定位。
[0007] 本发明的特点之一在于不依赖于某种假定的磁场模型建立磁场源与磁场传感器 之间的耦合关系，避免了由于磁场源实际分布与理想磁场源不一致而产生的定位误差；本 发明的特点之二在于采用非迭代的几何算法，计算复杂度低，不仅可大幅度提高定位速度， 还避免了迭代算法可能收敛到局部最优解或发散等问题造成的系统不稳定。本发明的特点 之三在于通过分别单次激励每个磁场源的线圈，根据磁场传感器所测得的磁感应强度就可 以快速求解最大磁感应强度矢量的旋转角，有效提高跟踪系统的实时性和灵活性。
[0008] 为了便于说明，先定义如下三个坐标系： 坐标系1 :为磁场源1的坐标系。组成磁场源1的线圈I、线圈II和线圈III的轴 线分别沿该坐标系的Xl轴、Yl轴和Zl轴。磁场源1的中心点即该坐标系原点0,坐标为 (0,0,0)。该坐标系也是系统坐标系xyz。
[0009] 坐标系2 :为磁场源2的坐标系。组成磁场源2的线圈I、线圈II和线圈III的轴 线分别沿该坐标系的X2轴、Y2轴和Z2轴。磁场源2的中心点即该坐标系原点0'，在系统 坐标系中的坐标为(足。该坐标系各坐标轴与系统坐标系中的相应坐标轴相互平行，X2 轴与X轴方向相反，Y2轴、Z2轴与Y轴、Z轴方向相同。
[0010] 坐标系3 :为三轴磁场传感器的坐标系。该坐标系的X3轴、Y3轴和Z3轴方向分别 与三轴磁场传感器相应检测轴方向一致，原点与三轴磁场传感器的中心点重合。
[0011] 磁场源产生的最大磁感应强度矢量的旋转角定义如下： 水平旋转角：指从坐标系1 (或坐标系2)的原点到三轴磁场传感器中心点之间的连线 在XlYl平面(或X2Y2平面）的投影与Xl轴(或X2轴）之间的夹角q (或％ )。
[0012] 垂直旋转角：指从坐标系1 (或坐标系2)的原点到三轴磁场传感器中心点之间的 连线与该连线在XlYl平面(或X2Y2平面）的投影之间的夹角A (或爲）。
[0013] 本发明提出的电磁跟踪系统，由四部分构成：一个三轴磁场传感器装置、由两组三 轴正交线圈组成的磁场源装置、一个可控恒流源装置、一个控制处理显示装置；系统结构如 图2所示。其中： 所述三轴磁场传感器装置附着于跟踪目标，用于测量跟踪目标所在位置处三个正交方 向的磁场；三轴磁场传感器装置包括一个三轴分量磁场传感器和一个信号调理/模拟-数 字（AD)转换模块；三轴分量传感器分别用来检测所在位置三个正交方向X3、Y3和Z3的磁 感应强度，其输出经后续信号调理/模拟-数字（AD)转换模块送入控制处理显示装置。传 感器装置的选择依据测量范围和精度的要求，可以采用磁阻传感器、霍尔效应传感器或磁 通门传感器等。
[0014] 所述磁场源装置包括两个相对位置和姿态已知的磁场源（即磁场源1和磁场源 2)，其组成和结构完全相同，分别由缠绕在软磁性铁氧体磁芯上的三个中心点重合且相互 正交的线圈组成。这样，在与磁场源中心点等距离的球面上，单轴线圈的磁感应强度最大 值为该线圈的轴线位置，方向沿轴线方向，三轴线圈合成的总磁感应强度最大值由单轴最 大值合成。两个磁场源装置中心点之间的距离为rf，且三组对应线圈相互平行。线圈需要 保证很好的正交性和对称性，其中线圈的截面形状可采用方形或者圆形等。分别对三个线 圈通以相同强度的直流电，可分别在每个线圈的轴线方向产生单轴磁感应强度最大值，并 且三轴合成磁感应强度最大值由三个单轴最大值合成；由于线圈激励电流强度和其产生的 磁感应强度之间存在线性关系，可以采用相同强度电流激励的线圈所产生的磁感应强度乘 以不同的电流系数来代替不同强度电流激励的线圈所产生的磁感应强度。因此，可以得到 关于磁场传感器检测到的总磁感应强度和电流系数的表达式，根据这个表达式的单调性， 可以求解总磁感应强度最大时的电流系数。利用这个电流系数，同样可以计算出一组最大 磁感应强度矢量的旋转角（此时合成最大磁感应强度矢量指向磁场传感器）信息，利用两个 磁场源的两组旋转角信息和两个磁场源的相对位置，可以通过几何方法计算出传感器的位 置，从而实现定位和跟踪。
[0015] 所述恒流源装置由恒流源及相关控制电路组成，为构成磁场源的线圈提供激励电 流，即恒流源输出直流电流，控制处理显示装置通过控制电路使得恒流源输出的电流交替 激励磁场源装置的各线圈。
[0016] 所述控制处理显示装置由控制单元、算法单元、显示输出单元组成。控制单元包 括两个部分：采样处理模块和激励电流控制模块。采样处理模块用于采样处理来自三轴磁 场传感器装置的信号；激励电流控制模块控制可控恒流源装置交替激励磁场源装置的各线 圈。算法单元一方面根据采样处理模块的输出数据计算当前三轴磁场传感器装置检测到的 磁感应强度值，进而根据下文所述的最大磁感应强度矢量旋转角快速测定算法计算最大磁 感应强度矢量对应的一组旋转角；另一方面，当计算得到磁场源装置中的两个磁场源的最 大磁感应强度矢量对应的旋转角时，根据下文所述的位置算法计算磁场传感器的空间位置 坐标。显示输出单元将磁场传感器的定位信息显示/输出。其中，控制单元、算法单元由 微处理器实现，显示输出单元由显示器实现。
[0017] 本发明提出的基于上述系统的电磁跟踪方法，其步骤为（以磁场源1的最大磁感 应强度矢量旋转角快速测