基于电控旋转磁场的电磁跟踪系统及方法

摘要

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体为一种电控旋转磁场的电磁跟踪系统及方法。本发明由三轴磁传感器装置、磁场源装置、可控恒流源装置和控制处理显示装置组成。本发明用可控恒流源激励三个正交的线圈组成磁场源；控制处理显示装置通过控制恒流源装置输出的各路激励电流强度，使磁场源产生的合成磁感应强度最大值按照搜索策略进行扫描，并最终指向三轴磁传感器装置；根据两个磁场源扫描并最终指向三轴磁传感器所获得的两组角度信息以及它们中心点之间的距离信息，计算传感器六自由度的位置和姿态。本发明不依赖于某种假定的磁场模型或迭代算法，稳定性高，计算复杂度低，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。

主权项

一种基于电控旋转磁场的电磁跟踪系统，其特征在于：由一个三轴磁传感器装置、一个磁场源装置、一个可控恒流源装置和一个控制处理显示装置组成；其中：所述三轴磁传感器装置附着于跟踪目标上，用于测量所在位置三个正交方向的磁感应强度；所述磁场源装置包括相对位置和姿态已知的第一磁场源1和第二磁场源2，两个磁场源分别由三个缠绕在软磁铁氧体材料做成的磁芯上、中心点重合且相互正交的线圈组成；两个磁场源中心点之间的距离为d，且三组对应线圈相互平行；所述可控恒流源装置为各线圈提供激励电流；分别改变三轴线圈激励电流强度，可控制第一磁场源1、第二磁场源2产生的合成磁感应强度最大值指向的改变；所述控制处理显示装置通过控制可控恒流源装置输出的各路激励电流强度，使磁场源产生的合成磁感应强度最大值按照一定的搜索策略进行扫描，并最终指向三轴磁传感器装置；根据两个磁场源扫描并最终指向三轴磁传感器所获得的两组角度信息以及它们中心点之间的距离信息，由位置和姿态算法，计算传感器六自由度的位置和姿态；磁场源装置和三轴磁传感器装置的空间位置及姿态，由如下定义的五个坐标系描述：第一坐标系1：由第一磁场源1的初始位置和姿态定义的坐标系，组成第一磁场源1的三个线圈的轴线分别沿该坐标系的三个坐标轴，该坐标系也是系统坐标系，坐标系原点为（0，0，0）；第二坐标系2：由第二磁场源2的初始位置和姿态定义的坐标系，组成第二磁场源2的三个线圈的轴线分别沿该坐标系的三个坐标轴，第二坐标系2的原点在系统坐标系中的坐标为（d，0，0），各坐标轴与系统坐标系中的相应坐标轴平行；第三坐标系 3：第一坐标系1的X轴旋转至第一磁场源1产生的磁感应强度最大值指向时所构成的坐标系；第四坐标系4：第二坐标系2的X轴旋转至第二磁场源2产生的磁感应强度最大值指向时所构成的坐标系；第五坐标系5：原点与三轴磁传感器的中心点重合，坐标轴方向分别与三轴磁传感器相应检测轴方向一致的坐标系；Xn 、Yn 、Zn表示坐标系n的三个坐标轴；n=1，2，…，5；描述三轴磁传感器装置空间位置和姿态以及磁场源产生的合成磁感应强度最大值指向的角度定义如下：经度角：指从第一坐标系1的原点到三轴磁传感器中心点之间的连线在X1Y1平面的投影与X1轴之间的夹角；或者磁场源产生的合成磁感应强度最大值指向在X1Y1平面的投影与X1轴之间的夹角；纬度角：指从第一坐标系1的原点到三轴磁传感器中心点之间的连线与该连线在X1Y1平面的投影之间的夹角；或者磁场源产生的合成磁感应强度最大值指向与该指向在X1Y1平面投影之间的夹角。