[发明专利]基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法

说明书

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体为基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法。本发明的电磁跟踪系统包括磁场源模块、磁传感器模块以及控制模块。磁场源模块包含磁场源和交流恒流源，磁场源是由三个相互正交的线圈组成，交流恒流源为线圈提供激励电流；磁传感器模块包含一个三轴磁传感器和信号调理模块；控制模块包含激励控制电路、AD转换及采样电路以及处理器；本发明按照一定次序对磁场源的线圈施加一定幅度、频率的正余弦信号，利用鉴相算法得到合成磁感应强度的平方和余弦激励信号平方的相位差，利用相位差获取投影角和磁场源指向磁传感器时的旋转角度，实现对目标的定位。本发明测量精度高、定位速度快、抗干扰能力强，可应用于微创手术的导航，也可用于虚拟（增强）现实，三维超声成像等领域。

技术领域

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体涉及一种电磁跟踪系统及方法。

背景技术

电磁跟踪技术是一种利用电磁场的空间分布信息对跟踪目标进行定位的方法，在微创手术导航系统、虚拟现实等领域具有非常广泛的应用前景。和其他的跟踪方式相比，电磁跟踪具有无损伤、无辐射、无光路遮挡，操作简单方便的特点。但是，传统的电磁跟踪方法一般依赖于磁场源理论模型，采用性能不够稳定的迭代算法等问题。

为解决上述问题，专利201110123757.6提出了一种基于“微处理器的双磁棒旋转搜索电磁跟踪系统”，这种方法不依赖于磁场源理论模型，且采用简单的几何算法即可实现定位；但该方法的旋转磁场是通过步进电机控制螺旋管的旋转实现磁场的，旋转速度受步进电机带动螺线管旋转速度的限制，系统的实时性较差。为提高系统的定位速度，专利ZL201510123915.6提出了一种“基于最大磁感应强度矢量旋转角快速测定的电磁跟踪方法及系统”,通过测定最大磁感应强度矢量旋转角，实现对三轴磁传感器的定位。该方法提高了系统的定位速度，但极易受噪声干扰，后续提出的改进方法提高了系统的抗噪声能力，却以牺牲定位速度为代价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在保持系统定位速度的基础上改善抗噪声性能的电磁跟踪系统及方法。

本发明是在专利ZL 201510123915.6的基础上，提出一种基于鉴相技术确定目标点在磁场源中投影角，进而实现跟踪定位，在保持系统定位速度的基础上大大改善抗噪声性能。

本发明提出的基于鉴相技术的电磁跟踪系统，包括：磁场源模块，磁传感器模块以及控制模块。其中：

所述磁场源模块，包含磁场源和交流恒流源。磁场源是由三个缠绕在磁芯上的、中心点重合且相互正交的线圈组成，线圈通电后即产生磁场；交流恒流源为构成磁场源的线圈提供激励电流，即交流恒流源在控制模块的控制下输出正余弦电流按一定顺序激励磁场源的各线圈；

所述磁传感器模块，包含一个三轴磁传感器以及相应的信号调理电路。三轴磁传感器附着于被跟踪目标，测量跟踪目标所处位置的三轴正交磁感应强度，输入到信号调理电路中；信号调理电路对三轴磁传感器检测到的数据进行滤波和放大。滤波的作用是为了减小高频和工频干扰，放大的作用的将磁传感器输出的微弱电信号进行放大到与ADC输入信号动态范围匹配，从而提高转换精度。

所述控制模块，包含激励控制电路、AD转换与采样电路以及处理器。激励控制电路在处理器的控制下实现对磁场源各线圈激励电流的通断；AD转换电路与采样电路采集磁场源的余弦激励信号及目标点所处位置的合成磁感应强度，两路模拟信号经AD转换后变成两路数字信号输入到处理器中进行处理，处理器对采样得到的余弦激励信号进行平方运算得到信号1，对合成磁感应强度信号进行平方运算得到信号2，再计算信号1和信号2的相位差；进而计算投影角，并进一步计算旋转角，实现对目标点的跟踪定位。

为便于进一步描述本发明，定义如下的坐标系：

该坐标系对应于磁场源，三个坐标轴分别沿组成磁场源的中心点重合且相互正交的三个线圈的轴线方向，坐标原点为(0，0，0)，对应于三个线圈重合的中心点。