專利名稱：可變旋轉(zhuǎn)平面的電磁跟蹤搜索方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種電磁跟蹤系統(tǒng)的搜索方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電磁跟蹤(Electromagnetic Tracking),或稱電磁場(chǎng)定位，是ー種利用磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)對(duì)跟蹤目標(biāo)的空間位置和空間姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)時(shí)跟蹤的方法。該方法可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的導(dǎo)航，亦可運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、三維超聲成像等領(lǐng)域。電磁跟蹤系統(tǒng)一般由磁場(chǎng)源(如永磁鐵、電磁鐵線圈)、磁場(chǎng)傳感器、控制處理單元三部分組成。通過(guò)磁場(chǎng)源在固定位置產(chǎn)生磁場(chǎng)，然后利用附著在跟蹤目標(biāo)上的傳感器測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，求解出跟蹤目標(biāo)的空間位置和姿態(tài)。 迭代的位置和姿態(tài)算法一般依賴無(wú)限遠(yuǎn)偶極子模型。根據(jù)偶極子模型估算的磁場(chǎng)和實(shí)測(cè)磁場(chǎng)之間的關(guān)系列方程組，采用某種最優(yōu)化算法反復(fù)迭代求解。由于偶極子模型僅在磁棒直徑遠(yuǎn)小于磁棒與傳感器距離時(shí)有效，且迭代算法具有計(jì)算復(fù)雜度高、易發(fā)散、存在局部極值點(diǎn)等問(wèn)題，因此基于迭代算法的電磁跟蹤系統(tǒng)的跟蹤范圍有限、計(jì)算復(fù)雜度高。通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁棒，使磁棒指向跟蹤目標(biāo)，可以掲示跟蹤目標(biāo)與磁棒之間的幾何關(guān)系，非迭代地直接計(jì)算出跟蹤目標(biāo)六自由度的位置和姿態(tài)。非迭代的位置和姿態(tài)算法計(jì)算速度快、運(yùn)算簡(jiǎn)單、對(duì)硬件配置要求低，但是由于引入了磁棒旋轉(zhuǎn)搜索，跟蹤系統(tǒng)的總響應(yīng)時(shí)間不僅受計(jì)算時(shí)間影響，還受捜索時(shí)間的影響。捜索速度的快慢將直接影響跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種搜索效率高的基于旋轉(zhuǎn)磁棒的電磁跟蹤系統(tǒng)的電磁跟蹤搜索方法及其系統(tǒng)。本發(fā)明提出的基于旋轉(zhuǎn)磁棒的電磁跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)電磁跟蹤搜索方法，用于跟蹤目標(biāo)位置和姿態(tài)六自由度的非迭代電磁跟蹤系統(tǒng)。磁棒依次在兩個(gè)正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)搜索，依據(jù)磁場(chǎng)軸向最大原理，通過(guò)分析依附在跟蹤目標(biāo)上的磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)磁棒磁感應(yīng)強(qiáng)度，使得磁棒指向跟蹤目標(biāo)。本發(fā)明中，所述的磁場(chǎng)軸向最大原理，即離開磁棒一端相同距離的所有位置中，軸向方向位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大；偏離軸向方向的角度越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。本發(fā)明中，所述的旋轉(zhuǎn)搜索，即磁棒依次在兩個(gè)正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得磁棒指向跟蹤目標(biāo)；通過(guò)比較同一平面內(nèi)不同時(shí)刻測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度，找到該平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時(shí)磁棒的旋轉(zhuǎn)角度；在第一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)得到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，磁棒指向跟蹤目標(biāo)在該平面內(nèi)的投影，此時(shí)磁棒在第一個(gè)平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為第一旋轉(zhuǎn)角〃；在第二個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)得到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，磁棒指向跟蹤目標(biāo)本身，此時(shí)在第二個(gè)平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為第二旋轉(zhuǎn)角β。本發(fā)明中，所述的正交平面由參考坐標(biāo)系確定；參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)為磁棒一端固定不動(dòng)點(diǎn)，X軸為任意水平方向，Z軸為水平面向上的法線方向，Y軸符合右手坐標(biāo)系法則；第一旋轉(zhuǎn)平面固定(如為平面XOY)，第二旋轉(zhuǎn)平面垂直于第一旋轉(zhuǎn)平面，與第一旋轉(zhuǎn)平面相交于第一次旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)磁棒的指向。本發(fā)明中，第一歩搜索采用基礎(chǔ)電磁跟蹤搜索方法，即第一旋轉(zhuǎn)平面固定(如XOY平面)。之后的跟蹤過(guò)程則采用可變旋轉(zhuǎn)平面的電磁跟蹤搜索方法。因?yàn)楸M管基礎(chǔ)電磁跟蹤搜索方法系統(tǒng)容易控制實(shí)現(xiàn)，但是存在低搜索效率區(qū)的問(wèn)題，即在第一旋轉(zhuǎn)平面法線附近的錐形區(qū)域搜索效率低。低搜索效率區(qū)的存在原因，是由于在第一旋轉(zhuǎn)平面法線附近的錐形區(qū)域中，第二旋轉(zhuǎn)角度ガ接近90°。由式(I)可得當(dāng)距離ゴ和步長(zhǎng)Λ σ —定時(shí)，第一旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的步距At/1趨近于零。因此由式(2)可得在第一旋轉(zhuǎn)平面上的投影移動(dòng)距離J1相同的情況下，第一旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的步距△ゴ1越小，第一次旋轉(zhuǎn)的歩數(shù)が就越大，式(3)計(jì)算的總步數(shù)S也越大，因而搜索效率低下。
權(quán)利要求
1.一種可變旋轉(zhuǎn)平面的電磁跟蹤搜索方法，用于跟蹤目標(biāo)位置和姿態(tài)六自由度的非迭代電磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)開始跟蹤的第一步按照基礎(chǔ)電磁跟蹤搜索方法即第一旋轉(zhuǎn)平面固定，確定跟蹤目標(biāo)位置，即依據(jù)磁場(chǎng)軸向最大原理，通過(guò)分析依附在跟蹤目標(biāo)上的磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)磁棒磁感應(yīng)強(qiáng)度，使得磁棒指向跟蹤目標(biāo)；再次跟蹤時(shí)選擇最優(yōu)的第一旋轉(zhuǎn)平面，經(jīng)過(guò)角度切換后，進(jìn)行兩個(gè)正交平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)搜索；其中所述的磁場(chǎng)軸向最大原理，是指離開磁棒一端相同距離的所有位置中，軸向方向位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大；偏離軸向方向的角度越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越??；所述的旋轉(zhuǎn)搜索，是指磁棒依次在兩個(gè)正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得磁棒指向跟蹤目標(biāo)；通過(guò)比較同一平面內(nèi)不同時(shí)刻測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度，找到該平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時(shí)磁棒的旋轉(zhuǎn)角度；在第一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)得到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，磁棒指向跟蹤目標(biāo)在該平面內(nèi)的投影，此時(shí)在第一個(gè)平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為第一旋轉(zhuǎn)角a ;在第二個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)得到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，磁棒指向跟蹤目標(biāo)本身，此時(shí)在第二個(gè)平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為第二旋轉(zhuǎn)角艮;所述的正交平面由參考坐標(biāo)系確定；參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)為磁棒一端固定不動(dòng)點(diǎn)，X軸為任意水平方向，Z軸為水平面向上的法線方向，Y軸符合右手坐標(biāo)系法則;第一旋轉(zhuǎn)平 面固定，第二旋轉(zhuǎn)平面垂直于第一旋轉(zhuǎn)平面，與第一旋轉(zhuǎn)平面相交于第一次旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)磁棒的指向；所述的第一旋轉(zhuǎn)平面有三種可選平面 (1)T平面與平面XOY平行的平面； (2)C平面與平面XOZ平行的平面； (3)S平面與平面YOZ平行的平面； 所述最優(yōu)第一旋轉(zhuǎn)平面的選擇依據(jù)是前一時(shí)刻跟蹤目標(biāo)在固定坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)Cr，_7，z)，對(duì)坐標(biāo)的絕對(duì)值進(jìn)行排序當(dāng)I I最小時(shí)，選擇跟蹤目標(biāo)所在的S平面作為第一旋轉(zhuǎn)平面，垂直于S平面、與S平面相交于第一次旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)磁棒指向的平面作為第二旋轉(zhuǎn)平面；當(dāng)|j|最小時(shí)，選擇跟蹤目標(biāo)所在的C平面作為第一旋轉(zhuǎn)平面，垂直于C平面、與C平面相交于第一次旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)磁棒指向的平面作為第二旋轉(zhuǎn)平面；當(dāng)H最小時(shí)，選擇跟蹤目標(biāo)所在的T平面作為第一旋轉(zhuǎn)平面，垂直于T平面、與T平面相交于第一次旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)磁棒指向的平面作為第二旋轉(zhuǎn)平面；對(duì)于某兩個(gè)或三個(gè)坐標(biāo)絕對(duì)值相等的特殊情況，在保證與前一時(shí)刻第一旋轉(zhuǎn)平面一致的條件下，任意選擇一個(gè)搜索效率較高的第一旋轉(zhuǎn)平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可變旋轉(zhuǎn)平面的電磁跟蹤搜索方法，其特征在于所述的角度切換的步驟為當(dāng)前一時(shí)刻的第一旋轉(zhuǎn)平面與當(dāng)前的第一旋轉(zhuǎn)平面不一致時(shí)，對(duì)第一旋轉(zhuǎn)角a、第二旋轉(zhuǎn)角3進(jìn)行變換；所述第一旋轉(zhuǎn)角a是指磁棒在第一個(gè)平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，所述第二旋轉(zhuǎn)角P。是指磁棒在第二個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)得到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，磁棒指向跟蹤目標(biāo)本身，此時(shí)在第二個(gè)平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度；第一旋轉(zhuǎn)平面的變換有如下六種情況 (8 = arcsm(cos & sin ol) (I)T平面轉(zhuǎn)換為C平面彳f. ( = ±arccos(sm Pt /cos pc)
3.一種使用如權(quán)利要求I或2所述的可變旋轉(zhuǎn)平面的電磁跟蹤搜索方法的電磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)除了具有目前通常的電磁跟蹤方法外，還包括實(shí)現(xiàn)上述可變旋轉(zhuǎn)平面的電磁跟蹤搜索方法的控制模塊。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體為可變旋轉(zhuǎn)平面的電磁跟蹤搜索方法及其系統(tǒng)。本發(fā)明方法包括基礎(chǔ)的電磁跟蹤搜索方法磁棒依次在兩個(gè)正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)搜索(其中第一旋轉(zhuǎn)平面固定)，通過(guò)分析依附在跟蹤目標(biāo)上的磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)磁棒磁感應(yīng)強(qiáng)度，依據(jù)磁場(chǎng)軸向最大原理，使得磁棒指向跟蹤目標(biāo)；然后，磁棒按照基礎(chǔ)電磁跟蹤搜索方法指向跟蹤目標(biāo)，再次跟蹤時(shí)選擇最優(yōu)的第一旋轉(zhuǎn)平面，經(jīng)過(guò)角度切換后，完成兩個(gè)正交平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)搜索?；诳勺冃D(zhuǎn)平面搜索方法的電磁跟蹤系統(tǒng)，在原有非迭代算法計(jì)算速度快的基礎(chǔ)上，使得搜索效率大幅提高，可以高效地實(shí)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)位置和姿態(tài)六自由度的實(shí)時(shí)跟蹤。
文檔編號(hào)G01V3/00GK102736112SQ20121020186
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者丁寧, 王一楓, 鄔小玫 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)