CN108662973A - 基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法

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。

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。

本发明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Acos wt，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B_1x，B_1y，B_1z。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＝cos wt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ZL 2015 1 0123915.6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Acos wt，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Acos wt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f_s，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Acos wt，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)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₂；

(6)对线圈3施加幅度为A，角频率为ω的余弦激励信号Acos wt，对线圈1施加与线圈3相同频率的正弦激励信号sinwt，对线圈2不施加任何激励；重复步骤(2)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₃；

(7)利用相位差与角度之间的关系式(5)、(6)、(7)式，即可求解投影角∠1、∠2、∠3，之后根据公式(8)、(9)即可求解出旋转角。

本发明所提出的基于鉴相技术确定投影角的方法，激励信号为幅值恒定、频率恒定的正余弦信号，系统通过计算双信号之间的相位差，即原始信号的平方与合成磁感应强度的平方之间的相位差确定投影角。这样的检测方式极大提高了系统的抗干扰能力，由于所测数据是几个周期内的目标点所处位置的磁感应强度值，故在具体的实施过程中，还可以再对所测数据进行一系列的处理以进一步提高测量精度。

采用鉴相技术确定目标点的投影角，避免了搜索过程，提高了定位的实时性，定位速度取决于激励信号的频率，合理设定激励信号的频率即可获得理想的定位速度。本方法快速有效，稳定性高，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。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为图1系统的结构细节图。

图3为系统所涉及的坐标系以及各个角度的示意图。

图4为系统所涉及的各个线圈的位置和编号示意图。

图5为本发明具体实施例中求解相位差进而获取投影角的算法示意图。

图6为系统的工作流程图。

图中标号：1为磁场源模块，2为磁传感器模块，3为控制模块。4为磁场源的激励信号，5、6、7为每个磁场源对应的三轴正交线圈；8为磁传感器，9为信号调理模块；10为激励控制电路，11为AD转换与采样电路，12为处理器的控制单元，13为处理器的存储单元，14为处理器的相位计算单元，15为处理器的角度计算单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例并参照附图，对系统组成以及工作过程进行详细说明。下文所涉及的坐标系定义、角度定义以及线圈编号均同发明内容。

图1为本发明的系统结构组成示意图，包括两个部分：磁场源模块1、磁传感器模块2以及控制模块3。

图2为本发明的系统功能模块图。

从图2可以看出，磁场源模块包括由三轴线圈5、6、7组成的磁场源以及交流恒流激励电源4，磁场源是由缠绕在软磁铁材料上的三轴正交线圈组成，线圈的中心点相互重合。交流恒流激励电源4在控制模块的控制下为线圈提供特定频率的激励信号，本实施例中交流恒流激励电源4可以同时输出2路频率相同、相位差为90°的恒流激励信号，实现对指定线圈的交替激励。输出信号频率可以在一定范围设定并且有较高的稳定性。本实施例中，激励信号频率为1Khz，幅度为1V。

磁传感器模块2包括三轴磁传感器8和信号调理模块9。磁传感器8应可检测所在位置三个正交方向的磁感应强度，并且具有较高的分辨率，本发明的具体实施例选用HMC2003作为磁传感器。传感器检测到的磁感应强度通过信号调理模块9进行放大滤波，从而方便后续的采样及转换。

控制模块3包括激励控制电路10、AD转换以及采样电路11、控制单元12、存储单元13、相位计算单元14以及角度计算单元15。激励控制电路10在控制单元12的控制下实现对各线圈激励电流的通断；AD转换电路11含四路模拟信号接口用于接入待测的模拟信号1和模拟信号2、3、4，模拟信号1为余弦激励信号，模拟信号2、3、4为磁传感器模块的三路输入信号，四路信号经AD转换后变成四路数字信号输入到处理器的存储单元13中进行存储，相位计算单元14对信号1进行平方，对信号2、3、4求取平方和获取合成磁感应强度，输出为激励信号的平方与合成磁感应强度的相位差，角度计算单元15根据相位差计算投影角(参见式(5)、式(6)、式(7))。

图3为系统所涉及的坐标系以及各个角度的示意图。坐标系的三个坐标轴分别沿组成磁场源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。图中的∠1、∠2、∠3依次为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。α，β为对应的水平旋转角和垂直旋转角。

图4为系统所涉及的各个线圈的位置和编号示意图。线圈1、线圈2、线圈3分别代表坐标系中与x,y,z轴相对应的三个线圈。以同频率的正余弦信号激励线圈1、线圈2，利用合成磁感应强度的平方与激励信号的平方之间的相位差可以求解∠1。同理，激励线圈2、线圈3可以求解∠2，激励线圈1、线圈3可以求解∠3。

图5为本发明具体实施例中求解相位差进而获取投影角的算法示意图。具体实施步骤如下：

(1)本具体实施例中激励电流为频率为1kHz，幅度为1A的正弦信号和余弦信号。激励电流设置好后，磁传感器采集所在位置的磁感应强度，AD转换模块对余弦激励信号和磁传感器模块输出的三路三轴正交磁感应强度进行同步采样，由于激励电流频率为1kHz，即待测信号频率为2kHz，采样频率设置成32kHz。

(2)AD转换后得到四路数字信号，经微处理器传送到处理器的存储空间中。处理器对余弦激励信号进行平方后得到信号1，对磁传感器模块输出的三路三轴正交磁感应强度求取平方和得到信号2。

(3)对步骤(2)中得到的信号1和信号2进行快速傅里叶变换，在内存中开辟两个2048点的浮点格式的数组，用于存储快速傅里叶变换得到的两个信号频谱，可以奇数地址存储实数部分，以偶数地址存储虚数部分。

(4)采样频率为32kHz，采样点数为1024点，待测信号频率为2kHz，即频率分辨率为32kHz/1024＝31.25Hz，又2kHz/31.25Hz＝64，可知信号1和信号2对应数字频谱的谱点数为64。取出该点对应的实部和虚部，进行反正切运算，这一步要根据实部和虚部的正负号判断象限，从而获取真实的相位，求取相位差并存储。

图6为系统的工作流程图，具体步骤如下：

(1)首先是系统的初始化，包括将控制模块的两路数模转换内核配置成同步模式；配置微处理器工作模式，数据传递模式设置成从外设到内存，同时设置好内存首地址；配置系统定时器，实现对采样频率的精准控制。本具体实施例由于激励电流频率为1kHz，待测信号频率为2kHz，采样频率设置成32kHz。

(2)恒流交流电源输出频率为1kHz，幅度为1kHz的正弦信号与余弦信号，在激励控制电路的控制下以余弦信号激励线圈1，以正弦信号激励线圈2，对线圈3不施加任何激励。

(3)AD转换及采样模块采集磁传感器模块输出的三路正交磁感应强度以及余弦激励信号，将上述四路输入到处理器中，利用相位算法获取相位差1并存储。

(4)在激励控制电路的控制下继续以余弦信号激励线圈2，以正弦信号激励线圈3，线圈1不施加激励。重复步骤(3)，求取相位差2并存储。

(5)在激励控制电路的控制下继续以余弦信号激励线圈3，以正弦信号激励线圈1，线圈2不施加激励。重复步骤(3)，求取相位差3并存储。

(6)将步骤(3)到步骤(5)中所得相位差除以2，依次得投影角∠1、∠2、∠3的值，进一步由式(8)、(9)，即求出旋转角，进而实现对目标的定位。

Claims (3)

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Acos wt，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Asin wt，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B_1x，B_1y，B_1z；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，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；

于是，合成磁感应强度信号进行平方运算得到信号2的算式为：

对激励信号I＝cos wt进行平方运算得到信号1的算式为：

由上述(3)式和(4)式知：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：

同理得：

得到投影角∠1、∠2、∠3后，利用式(8)、式(9)，求得旋转角如下：

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。

3.基于上述电磁跟踪系统进行电磁跟踪的方法，其特征在于，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Acos wt，对线圈2施加与线圈1相同频率的正弦激励信号Asin wt，对线圈3不施加任何激励；

(2)将余弦信号激励Acos wt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：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f_s，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Acos wt，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Asin wt，对线圈1不施加任何激励；重复步骤(2)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₂；

(6)对线圈3施加幅度为A，角频率为ω的余弦激励信号Acos wt，对线圈1施加与线圈3相同频率的正弦激励信号sin wt，对线圈2不施加任何激励；重复步骤(2)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₃；

(7)利用相位差与角度之间的关系式(5)、(6)、(7)式，求解得投影角∠1、∠2、∠3，然后根据公式(8)、(9)即求解出旋转角；

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。