[发明专利]可变旋转平面的电磁跟踪搜索方法及其系统

说明书

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，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组成。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，可以揭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，还受搜索时间的影响。搜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强度，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强度最大；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，此时磁棒在第一个平面内转过的角度称为第一旋转角α；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（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，第一步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β接近90°。由式（1）可得：当距离d和步长Δα一定时，第一旋转平面内的步距Δd¹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d¹相同的情况下，第一旋转平面内的步距Δd¹越小，第一次旋转的步数                                                就越大，式（3）计算的总步数也越大，因而搜索效率低下。

                      （1）

                                  （2）

                                 （3）