[发明专利]基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法

说明书

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体为基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法。本发明装置由磁场源模块、压控恒流源模块和控制处理模块组成。本发明方法包括：首先，控制处理模块根据合成旋转磁场指向要求控制压控恒流源模块调节输出的各路激励电流强度；然后，压控恒流源模块激励由三个正交线圈组成的磁场源，使其合成的最大磁感应强度矢量指向指定方向。本发明可用于基于旋转磁场的电磁跟踪系统，由于该方法可实现对组成磁场源的三个正交线圈的同时激励，因此可以显著提高系统跟踪的实时性和灵活性。

技术领域

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体涉及一种基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法。

背景技术

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，也可用于虚拟现实、三维超声成像等领域。在基于旋转磁场的电磁跟踪系统中，一般由磁场源（如永磁体、电磁铁线圈）实现磁场旋转；固定在跟踪目标上的磁场传感器通过检测磁场源旋转过程中的磁感应强度的变化，按照一定的算法求解出跟踪目标与磁场源的相对的空间位置和姿态。

磁场的旋转可以利用机械的方式实现。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，通过可在水平和垂直平面转动的步进电机带动通电螺线管旋转就可实现最大磁感应强度矢量在空间的任意指向。但是通电螺线管的扫描速度受到步进电机旋转速度的限制，系统实时性较差；而且机械扫描只能在步进电机有限的旋转平面中进行，灵活性较差。

为此，专利(201310516908.3)提出了一种基于电控旋转磁场实现的电磁跟踪系统中，通过控制三轴线圈激励电流强度实现磁场源合成的总磁感应强度最大值矢量的旋转，从而对跟踪目标进行实时搜索定位。

本发明针对上述实现电控旋转磁场的需求，提出了一种可同时为磁场源三个线圈提供不同强度激励电流的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高旋转磁场搜素速度和灵活性的基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法。

本发明提出的旋转磁场实现装置，其组成包括：一个磁场源模块、一个压控恒流源模块和一个控制处理模块；其中：

所述磁场源模块，由三个中心点重合且相互正交的3个线圈（即三轴线圈）组成，通过控制三个线圈的激励电流强度实现磁感应强度最大值矢量的任意指向，包括位置和姿态已知的磁场源；

所述压控恒流源模块，根据控制处理模块的指令，为磁场源模块的各线圈提供合适的激励电流；该压控恒流源模块由同相放大器单元、反相放大器单元和压控恒流源单元组成，并且分为三路，分别激励磁场源模块的三个线圈；

所述控制处理模块，根据所要求的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向，计算磁场源各线圈激励电流的强度，并通过控制压控恒流源模块输出相应强度的电流，以激励磁场源的三轴线圈；该模块包括算法单元、电压输出控制单元、单片机电压输出单元。

本发明中，所述磁场源模块由三个中心点重合且相互正交的线圈组成。线圈应保证很好的正交性；三个线圈所产生的最大磁感强度可以通过矢量合成的方法形成唯一的合成磁感应强度最大值。当激励线圈的电流发生变化时，各线圈的磁感应强度最大值的指向虽然仍沿各自轴线方向，但其大小将随激励电流强度的变化而变化，导致合成磁感应强度最大值的指向也发生相应变化。故通过分别控制三个正交线圈所通电流强度的大小，可以实现对合成磁感应强度最大值方向的控制，即使磁场在空间中旋转。

本发明根据位置和姿态已知的磁场源模块定义系统坐标系：组成磁场源的三个线圈分别沿该坐标系的三个坐标轴（即坐标系的三个正交轴与磁场源的三个线圈一致），坐标系原点为磁场源三个坐标轴的交点 ，三个正交坐标轴为X,Y,Z。

描述磁场源产生的合成磁感应强度最大值矢量指向的角度定义如下：