基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利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。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；本发明专利技术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。本发明专利技术测量精度高、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。

Electromagnetic tracking system and method based on phase detection technology

The invention belongs to the field of electromagnetic tracking technology, in particular to an electromagnetic tracking system and a method based on phase discrimination technology. The electromagnetic tracking system of the invention comprises a magnetic field source module, a magnetic sensor module and a control module. The magnetic field source module consists of a magnetic field source and an AC constant current source. The magnetic field source is composed of three orthogonal coils, and the AC constant current source provides exciting current for the coil. The invention applies a sine-cosine signal with a certain amplitude and frequency to the coil of the magnetic field source according to a certain order, obtains the phase difference between the square of the synthetic magnetic induction intensity and the square of the cosine excitation signal by the phase discrimination algorithm, obtains the projection angle and the rotation angle when the magnetic field source points to the magnetic sensor by the phase difference, and realizes the positioning of the target. . The invention has the advantages of high measurement accuracy, fast positioning speed and strong anti-interference ability, and can be applied to navigation of minimally invasive surgery, virtual (enhanced) reality, three-dimensional ultrasonic imaging and other fields.

【技术实现步骤摘要】
基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法
本专利技术属于电磁跟踪
，具体涉及一种电磁跟踪系统及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术是在专利ZL201510123915.6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。本专利技术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专利技术，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。投影角用∠1、∠2、∠3表示，具体定义如下：∠1、∠2、∠3：分别指跟踪目标的中心点在该坐标系的xy平面投影与x轴夹角，yz平面投影与y轴夹角，xz平面投影与z轴夹角。线圈的编号定义如下：线圈磁芯与x轴平行的记作线圈1，与y轴平行的记作线圈2，与z轴平行的记作线圈3。所测相位差的定义如下：相位差θ1：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈1，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈2，线圈3不施加任何激励。此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ1。相位差θ2：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈2，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈3，线圈1不施加任何激励。此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ2。相位差θ3：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈3，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈1，线圈2不施加任何激励。此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ3。本专利技术为实现对目标点的定位，需获取两组投影角，每组包含∠1、∠2、∠3三个角，以下以磁场源为例说明如何利用鉴相技术获取电磁跟踪系统中目标点的投影角。对线圈1施加幅度为A、角频率为w的余弦激励信号Acoswt，对线圈2施加与线圈1相同幅度、相同频率的正弦激励信号Asinwt，对线圈3不施加任何激励。此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度记为B1，其三轴正交分量依次记为B1x，B1y，B1z。定位的目标是一个三轴磁传感器，设其空间位置坐标为(x,y,z)，其与系统坐标系原点之间的距离为r。易知，有r2＝x2+y2+z2。利用磁偶极子公式求解跟踪目标所处位置的磁感应强度，则有：其中，k为常系数。由(1)式可知，此时有：其中，易知有tanγ＝tan∠1＝y/x，利用二倍角公式，则(2)式可以写成：记为信号2；对激励信号I＝coswt进行平方，由二倍角公式可知有：记为信号1；由上述(3)式和(4)式可以看出，激励信号的平方I2与此时传感器检测到的合成磁感应强度的平方B12之间的相位差θ1＝2∠1，即：同理可知，激励线圈2和线圈3可以获得相位差θ2，从而求解∠2：激励线圈1和线圈3可以获得相位差θ2，从而求解∠3：利用鉴相技术得到投影角∠1、∠2、∠3后，根据专利ZL201510123915.6即可求解旋转角，旋转角求解公式如下：α是水平旋转角，即跟踪目标的中心点在xy平面的投影与x轴之间的夹角，β是垂直旋转角，即坐标系原点到跟踪目标中心点之间的连线与该连线在xy平面的投影之间的夹角。确定跟踪目标的两组旋转角，即可对跟踪目标进行准确的定位。基于上述电磁跟踪系统，进行电磁跟踪的方法，具体步骤如下：(1)对线圈1施加幅度为A，角频率为w的余弦激励信号Acoswt，对线圈2施加与线圈1相同频率的正弦激励信号Asinwt，对线圈3不施加任何激励；(2)将余弦信号激励Acoswt以及磁传感器模块的输出作为输入信号输入到控制模块中，将数模转换内核设置成同步模式，对模拟输入进行严格同步的采样和转换。根据奈奎斯特采样定理，采样频率应在被测信号频率的两倍以上，可由定时器实现对采样频率的精确控制；(3)上述模拟信号的采样完成后，对采样点的数据进行如下处理：对余弦激励信号进行平方运算得到信号1；对磁传感器合成磁感应强度信号求平方得到信号2；(4)采用数字或模拟的方式获取信号1和信号2的相位差，如：可依次对两组数据进行FFT运算，利用两路信号的数字频谱求取相位差。假设两待测信号频率均为f，采样频率为fs，采样点数为N，则待测信号对应的数字频谱的谱点数为取出该点对应虚数的实部和虚部；设信号1对应的实部和虚部依次为a1和b1，信号2对应的实部和虚部依次为a2和b2，可知信号1相位信号2相位即相位差θ1＝δ2-δ1；(5)对线圈2施加幅度为A，角频率为w的余弦激励信号Acoswt，对线圈3施加与线圈2相同幅度、相同频率的正弦激励信号Asinwt，对线圈1不施加任何激励；重复步骤(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于鉴相技术的电磁跟踪系统，其特征在于，由如下三个部分组成：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；所述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；所述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；所述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；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；所述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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于鉴相技术的电磁跟踪系统，其特征在于，由如下三个部分组成：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；所述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；所述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；所述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；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；所述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。2.根据权利要求1所述的电磁跟踪系统，其特征在于，定义相关概念如下：定义坐标系：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；定义投影角：用∠1、∠2、∠3表示，∠1、∠2、∠3分别指跟踪目标的中心点在该坐标系的xy平面投影与x轴夹角，yz平面投影与y轴夹角，xz平面投影与z轴夹角；定义线圈的编号：线圈磁芯与x轴平行的记作线圈1，与y轴平行的记作线圈2，与z轴平行的记作线圈3；定义所测相位差：相位差θ1：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈1，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈2，线圈3不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ1；相位差θ2：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈2，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈3，线圈1不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ2；相位差θ3：用幅度和频率一定的余弦信号激励线圈3，同时以相同幅度和频率的正弦信号激励线圈1，线圈2不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度的平方与余弦激励信号的平方为同频余弦信号，相位差恒定，记为θ3；为实现对目标点的定位，需获取两组投影角，每组包含∠1、∠2、∠3三个角，以下为利用鉴相技术获取电磁跟踪系统中目标点的投影角的过程：对线圈1施加幅度为A、角频率为w的余弦激励信号Acoswt，对线圈2施加与线圈1相同幅度、相同频率的正弦激励信号Asinwt，对线圈3不施加任何激励；此时，磁传感器所处位置的合成磁感应强度记为...

【专利技术属性】
技术研发人员：邬小玫，黄兴曼，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31