专利名称：可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电磁跟踪技术领域，具体涉及ー种电磁跟踪系统的搜索方法及其系统。
背景技术：
电磁跟踪(Electromagnetic Tracking),或称电磁场定位，是ー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組成。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。 迭代的位置和姿态算法一般依赖无限远偶极子模型。根据偶极子模型估算的磁场和实测磁场之间的关系列方程组，采用某种最优化算法反复迭代求解。由于偶极子模型仅在磁棒直径远小于磁棒与传感器距离时有效，且迭代算法具有计算复杂度高、易发散、存在局部极值点等问题，因此基于迭代算法的电磁跟踪系统的跟踪范围有限、计算复杂度高。通过旋转磁棒，使磁棒指向跟踪目标，可以掲示跟踪目标与磁棒之间的几何关系，非迭代地直接计算出跟踪目标六自由度的位置和姿态。非迭代的位置和姿态算法计算速度快、运算简单、对硬件配置要求低，但是由于引入了磁棒旋转搜索，跟踪系统的总响应时间不仅受计算时间影响，还受捜索时间的影响。捜索速度的快慢将直接影响跟踪系统的实时性。

发明内容
本发明的目的在于提供一种搜索效率高的基于旋转磁棒的电磁跟踪系统的电磁跟踪搜索方法及其系统。本发明提出的基于旋转磁棒的电磁跟踪系统的基础电磁跟踪搜索方法，用于跟踪目标位置和姿态六自由度的非迭代电磁跟踪系统。磁棒依次在两个正交平面内旋转搜索，依据磁场轴向最大原理，通过分析依附在跟踪目标上的磁场传感器测量的旋转磁棒磁感应強度，使得磁棒指向跟踪目标。本发明中，所述的磁场轴向最大原理，即离开磁棒一端相同距离的所有位置中，轴向方向位置的磁感应強度最大；偏离轴向方向的角度越大，磁感应强度越小。本发明中，所述的旋转搜索，即磁棒依次在两个正交平面内旋转，使得磁棒指向跟踪目标；通过比较同一平面内不同时刻测得的磁感应強度，找到该平面内磁感应強度最大时磁棒的旋转角度；在第一个平面内旋转得到最大磁感应强度时，磁棒指向跟踪目标在该平面内的投影，此时磁棒在第一个平面内转过的角度称为第一旋转角〃；在第二个平面内旋转得到最大磁感应强度时，磁棒指向跟踪目标本身，此时在第二个平面内转过的角度称为第二旋转角β。本发明中，所述的正交平面由參考坐标系确定；參考坐标系的原点为磁棒一端固定不动点，X轴为任意水平方向，Z轴为水平面向上的法线方向，Y轴符合右手坐标系法则；第一旋转平面固定(如为平面XOY)，第二旋转平面垂直于第一旋转平面，与第一旋转平面相交于第一次旋转结束时磁棒的指向。本发明中，第一歩搜索采用基础电磁跟踪搜索方法，即第一旋转平面固定(如XOY平面)。之后的跟踪过程则采用可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法。因为尽管基础电磁跟踪搜索方法系统容易控制实现，但是存在低搜索效率区的问题，即在第一旋转平面法线附近的锥形区域搜索效率低。低搜索效率区的存在原因，是由于在第一旋转平面法线附近的锥形区域中，第二旋转角度ガ接近90°。由式(I)可得当距离ゴ和步长Λ σ —定时，第一旋转平面内的步距At/1趋近于零。因此由式(2)可得在第一旋转平面上的投影移动距离J1相同的情况下，第一旋转平面内的步距△ゴ1越小，第一次旋转的歩数が就越大，式(3)计算的总步数S也越大，因而搜索效率低下。
权利要求
1.一种可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法，用于跟踪目标位置和姿态六自由度的非迭代电磁跟踪系统，其特征在于系统开始跟踪的第一步按照基础电磁跟踪搜索方法即第一旋转平面固定，确定跟踪目标位置，即依据磁场轴向最大原理，通过分析依附在跟踪目标上的磁场传感器测量的旋转磁棒磁感应强度，使得磁棒指向跟踪目标；再次跟踪时选择最优的第一旋转平面，经过角度切换后，进行两个正交平面内的旋转搜索；其中所述的磁场轴向最大原理，是指离开磁棒一端相同距离的所有位置中，轴向方向位置的磁感应强度最大；偏离轴向方向的角度越大，磁感应强度越小；所述的旋转搜索，是指磁棒依次在两个正交平面内旋转，使得磁棒指向跟踪目标；通过比较同一平面内不同时刻测得的磁感应强度，找到该平面内磁感应强度最大时磁棒的旋转角度；在第一个平面内旋转得到最大磁感应强度时，磁棒指向跟踪目标在该平面内的投影，此时在第一个平面内转过的角度为第一旋转角a ;在第二个平面内旋转得到最大磁感应强度时，磁棒指向跟踪目标本身，此时在第二个平面内转过的角度为第二旋转角艮;所述的正交平面由参考坐标系确定；参考坐标系的原点为磁棒一端固定不动点，X轴为任意水平方向，Z轴为水平面向上的法线方向，Y轴符合右手坐标系法则;第一旋转平 面固定，第二旋转平面垂直于第一旋转平面，与第一旋转平面相交于第一次旋转结束时磁棒的指向；所述的第一旋转平面有三种可选平面 (1)T平面与平面XOY平行的平面； (2)C平面与平面XOZ平行的平面； (3)S平面与平面YOZ平行的平面； 所述最优第一旋转平面的选择依据是前一时刻跟踪目标在固定坐标系中的位置坐标Cr，_7，z)，对坐标的绝对值进行排序当I I最小时，选择跟踪目标所在的S平面作为第一旋转平面，垂直于S平面、与S平面相交于第一次旋转结束时磁棒指向的平面作为第二旋转平面；当|j|最小时，选择跟踪目标所在的C平面作为第一旋转平面，垂直于C平面、与C平面相交于第一次旋转结束时磁棒指向的平面作为第二旋转平面；当H最小时，选择跟踪目标所在的T平面作为第一旋转平面，垂直于T平面、与T平面相交于第一次旋转结束时磁棒指向的平面作为第二旋转平面；对于某两个或三个坐标绝对值相等的特殊情况，在保证与前一时刻第一旋转平面一致的条件下，任意选择一个搜索效率较高的第一旋转平面。
2.根据权利要求I所述的可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法，其特征在于所述的角度切换的步骤为当前一时刻的第一旋转平面与当前的第一旋转平面不一致时，对第一旋转角a、第二旋转角3进行变换；所述第一旋转角a是指磁棒在第一个平面内转过的角度，所述第二旋转角P。是指磁棒在第二个平面内旋转得到最大磁感应强度时，磁棒指向跟踪目标本身，此时在第二个平面内转过的角度；第一旋转平面的变换有如下六种情况 (8 = arcsm(cos & sin ol) (I)T平面转换为C平面彳f. ( = ±arccos(sm Pt /cos pc)
3.一种使用如权利要求I或2所述的可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法的电磁跟踪系统，其特征在于该系统除了具有目前通常的电磁跟踪方法外，还包括实现上述可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法的控制模块。
全文摘要
本发明属于电磁跟踪技术领域，具体为可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法及其系统。本发明方法包括基础的电磁跟踪搜索方法磁棒依次在两个正交平面内旋转搜索(其中第一旋转平面固定)，通过分析依附在跟踪目标上的磁场传感器测量的旋转磁棒磁感应强度，依据磁场轴向最大原理，使得磁棒指向跟踪目标；然后，磁棒按照基础电磁跟踪搜索方法指向跟踪目标，再次跟踪时选择最优的第一旋转平面，经过角度切换后，完成两个正交平面内的旋转搜索。基于可变旋转平面搜索方法的电磁跟踪系统，在原有非迭代算法计算速度快的基础上，使得搜索效率大幅提高，可以高效地实现跟踪目标位置和姿态六自由度的实时跟踪。
文档编号G01V3/00GK102736112SQ20121020186
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月23日 优先权日2012年7月23日
发明者丁宁, 王一枫, 邬小玫 申请人:复旦大学