CN102274024B - 基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗设备与定位跟踪技术领域，具体为一种基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统。该定位跟踪系统包括：两个磁棒、磁棒激励电路、转动装置、磁阻传感器、信号调理电路、控制处理单元等。本发明以微处理器为核心，通过对磁棒旋转装置、磁棒激励电路的控制，对磁阻传感器数据采集/处理、搜索策略和定位/跟踪算法的运行以及定位/跟踪结果的显示，实时地实现三维六自由度的跟踪定位。

Description

基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统

技术领域

本发明属于医疗设备与定位跟踪技术领域，具体涉及一种基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统。

技术背景

电磁跟踪起源于上世纪70年代， 1975年J.Kuipers和1977年F.H.Raab等最早提出了基于三轴正交磁场的电磁跟踪方法，用于头盔瞄准器等领域。近十年来，这种方法被引入手术导航领域。为了提高电磁跟踪的性能，将这项技术更快更好地应用于临床，国内外研究者们陆续提出了许多种电磁跟踪方法。但是，现有的电磁跟踪方法大都是假定磁场分布符合某种磁场模型（如无限远偶极子模型），根据模型估算出的磁场分布和实测磁场强度的关系，迭代地解出待测物体的空间位置和空间姿态。由于磁场的真实分布和模型估算具有差异性，因而这种方法不可避免地引入了误差，虽然可以通过后续的标定校准进行一定的修正，但无法从根本上解决问题。此外，迭代的方法也具有计算复杂度高、易发散、存在局部极值点等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时、高效、稳定的旋转磁场磁定位跟踪系统，以满足临床手术导航系统的需要。

本发明提供的定位跟踪系统，是以微处理器为核心，并通过其对磁棒旋转装置、磁棒驱动电路的控制，传感器数据采集/处理、搜索策略和定位/跟踪算法的运行以及定位/跟踪结果的显示，实时地实现定位/跟踪功能。具体说来，本发明提供的定位跟踪系统，包括：两个磁棒、磁棒激励电路、转动装置、磁阻传感器、信号调理电路、控制处理单元等。系统的整体结构框架如图1所示。其中：

磁棒由铁氧体磁芯和绕其上的电磁线圈组成；

磁棒激励电路用于产生脉冲直流磁场；两个磁棒的电磁线圈由直流脉冲信号交替激励；直流脉冲信号的频率可根据系统跟踪速度的要求确定；在每个激励脉冲发放前存在两组线圈都不被激励的激励间歇，用于检测环境磁场强度；

转动装置有2组，每组由一个水平转动步进电机和一个垂直转动步进电机组成，2组转动装置分别控制两个磁棒各自在水平和垂直方向自由转动，实现空间任意位置指向；

磁阻传感器采用三轴磁传感器，用于检测空间三个正交方向的磁场，并将检测到的磁场信号送入信号调理电路和AD转换电路；磁阻传感器在磁棒激励期间检测到的磁场强度减去环境磁场强度，就是磁棒激励磁场强度；

信号调理电路由与三轴磁传感器的三组输出和一个参考端相连的低通滤波器和陷波器（如为50Hz），以及与陷波器的输出相连的信号放大电路组成；

ADC采样电路用于对经信号调理电路处理的信号进行采样，并将采样信号送入控制处理单元；

控制处理单元采用微处理器，用于对旋转装置和磁棒激励电路的控制，并对磁阻传感器的信号进行采样分析；包括：ADC采样；数字滤波；根据计算出的总磁场强度，控制电机旋转方向和角度；计算磁传感器的空间位置和姿态；

控制处理单元的具体配置要求为：4个ADC采样通道，用于采样磁阻传感器的x、y、z三轴和参考电压vref的值；10个GPIO口，其中4个GPIO用于控制第一组步进电机的水平运动和垂直运动，4个GPIO用于控制第二组步进电机的水平运动和垂直运动，2个GPIO用于控制磁棒激励电路的控制；由于电流较大，所以采用固体继电器的方式进行控制。由于GPIO管脚的驱动能力有限，所以需要外加相应的驱动电路，如晶体管组成的驱动电路等。

控制处理单元对所采样的磁阻传感器信号进行实时处理并根据处理结果控制旋转装置的转动方向及角度，同时在显示器上显示定位/跟踪结果。同时也可以与电脑主机通信，将信息传送导电脑主机或者读取电脑主机的命令。

本系统中，根据磁棒在指向磁传感器时，磁传感器可检测到最强磁场，且此时磁场方向是沿着磁棒中心轴线的原理，采用两只可在空间旋转并实现任意指向的磁棒和一只三轴磁场传感器，动态地搜索传感器的位置，进而计算传感器的空间姿态，实现三维六自由度的跟踪。这种跟踪方法的优势一方面在于不依赖磁场模型，不需要对其磁场分布进行标定；另一方面在于采用非迭代的纯几何算法，可以快速有效地实现跟踪。

附图说明

图1为系统的整体结构框架。

图2为信号调理电路原理图。

图3为微控制器的编程流程图。

图4为ADC采样策略。

图5为两路PWM波波形时序。

图6为系统坐标系示意图。

图7为实际测量中拟合的图形。其中，上图为直接测量得到的磁场强度的分布图，下图为经过信号处理之后的磁场强度分布图。

图中标号：10为磁棒，20为磁阻传感器，30为信号调理电路，40为ADC采样电路，50为控制处理单元，60为主机；31为低通滤波器，32为陷波器，33为放大器。

具体实施方式

本具体实施例中，系统包括：两个磁棒、磁棒激励电路、转动装置、磁阻传感器、信号调理电路、控制处理单元等。系统的整体结构框架如图1所示。控制处理单元采用TI公司的cortex M3微处理器，磁阻传感器采用Honeywell公司的三轴磁传感器。

当系统工作时，两个磁棒10被交替激励，实现方式是利用微处理器的GPIO管脚配置为PWM输出端，这两个PWM波正交，其波形时序图如图5所示，这样相当于交替产生两个磁场。

通过磁阻传感器20，将检测到的分别与两磁棒磁场对应的磁场强度，转换为相对应的直流电压信号，并进行初步的放大处理，将信号输送给ADC采样单元。

通过外加的信号调理电路30，对信号进行相应的滤波处理。具体的实现方式是将信号分别经过低通滤波器31和50Hz的陷波器32，低通滤波器31的截止频率根据磁场变化的频率而确定，然后将信号进入放大器33进行放大处理，以方便与后面的ADC采样40匹配。

信号由ADC采样模块40进行采样、量化和编码。由于信道里面有一定的噪声，所以ADC采样可使用特殊的方式，具体采样策略流程图如图4所示。启动采样后，每个通道每次采样的数据为100个，对各个通道的数据做加法，然后对参考电压求差值，最终求得平均数，以减少舍入误差带来的影响。最后减去环境磁场干扰。 

由ADC采样模块40处理的数据进入控制处理单元50，进行运算。具体的算法流程如图3所示。其步骤为：首先测量一组静态环境磁噪声数据（步骤P102），和一组磁棒初始位置的数据（步骤P102）；然后控制步进电机转动（步骤P103），带动磁棒相应的转动，步长根据实际情况而定（步骤P104），采集磁传感器数据（步骤P105）；与前一个数据进行比较（步骤P106），如果比前一个数据小，说明此时转动的方向相反，改变转动方向，直到找到磁场的最大值（步骤P107），然后切换步进电机（步骤P108），……以此类推，直到四个步进电机均找到最佳的位置（步骤P108）。

此时通过读取四个步进电机所转过的步长的个数，可以计算出它们分别转动的角度和磁传感器的位置（步骤P109），其算式如下：夹角                                                

和

分别为两磁棒（第一磁棒和第二磁棒）水平垂直旋转角度，表征两磁棒当前指向，d为两磁棒中心间距，如图6所示，则磁传感器的空间坐标（x，y，z）为：                                              

        (1)

        (2)                                                             (3) ； 

其中，

          (4)                                                

         

          (5)   

由式(3)可知，底面三角形两边a和b均可以用来求解z，为了减小误差，我们选取二者中较小者进行计算。

最终的计算结果数据显示在控制处理单元的LCD屏幕上（步骤P110），这样可以快捷的进行观察。同时，为了更好地进行数据的分析与处理，以及图形化的显示，还可将数据通过串口传送到PC主机上面（步骤P111），然后通过电脑显示器，以图形的方式进行显示（步骤P112）。

图7为实际测量中的一组数据，可以看出，经过处理后，磁场强度的分布满足本系统的需要。

Claims (5)

1.一种基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统，其特征在于包括：两个磁棒、磁棒激励电路、转动装置、磁阻传感器、信号调理电路、ADC采样电路和控制处理单元；其中：

所述磁棒由铁氧体磁芯和绕其上的电磁线圈组成；

所述磁棒激励电路用于产生脉冲直流磁场；两个磁棒的电磁线圈由直流脉冲信号交替激励；直流脉冲信号的频率根据系统跟踪速度的要求确定；在每个激励脉冲发放前存在两组线圈都不被激励的激励间歇，用于检测环境磁场强度；

所述转动装置有2组，每组由一个水平转动步进电机和一个垂直转动步进电机组成，2组转动装置分别控制两个磁棒各自在水平和垂直方向自由转动，实现空间任意位置指向；

所述磁阻传感器为三轴磁传感器，用于检测空间三个正交方向的磁场，并将检测到的磁场信号送入信号调理电路和AD转换电路；磁阻传感器在磁棒激励期间检测到的磁场强度减去环境磁场强度，就是磁棒激励磁场强度；

所述信号调理电路由与三轴磁传感器的三组输出和一个参考端相连的低通滤波器和陷波器，以及与陷波器的输出相连的信号放大电路组成；

所述ADC采样电路用于对经信号调理电路处理的信号进行采样，并将采样信号送入控制处理单元；

所述控制处理单元采用微处理器，用于对旋转装置和磁棒激励电路进行控制，并对磁阻传感器的信号进行采样分析；其包括：ADC采样、数字滤波、根据计算出的总磁场强度控制电机旋转方向和角度、计算磁传感器的空间位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统，其特征在于所述微处理器配置为：4个ADC采样通道，用于采样磁阻传感器的x、y、z三轴和参考电压vref的值；10个GPIO口，其中4个GPIO用于控制第一组步进电机的水平运动和垂直运动，4个GPIO用于控制第二组步进电机的水平运动和垂直运动，2个GPIO用于控制磁棒激励电路的工作。

3.根据权利要求2所述的基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统，其特征在于所述ADC采样电路的采样策略为：启动采样后，每个通道每次采样的数据为100个，对各个通道的数据做加法，然后对参考电压求差值，最终求得平均数，最后减去环境磁场干扰。

4.根据权利要求3所述的基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统，其特征在于所述控制处理单元进行运算和控制流程如下：首先测量一组静态环境磁噪声数据和一组磁棒初始位置的数据；然后控制步进电机转动，从而带动磁棒相应的转动，步长根据实际情况而定；采集磁阻传感器数据，并与前一个数据进行比较，如果比前一个数据小，说明此时转动的方向相反，改变转动方向，直到找到磁场的最大值，然后切换步进电机；……以此类推，直到四个步进电机均找到最佳的位置。

5.根据权利要求4所述的基于微处理器的双磁棒旋转搜索定位跟踪系统，其特征在于所述控制处理单元计算磁阻传感器的位置的算式如下：假设夹角                                                和

分别为两个磁棒水平垂直旋转角度，表征两磁棒当前指向，d为两磁棒中心间距，则磁阻传感器的空间坐标（x，y，z）为：                                              

        (1)

       (2)                                                            (3) ； 

其中，         

          (4)                                                

         

          (5)    。

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